□ 黃繼忠 宋紹雷 董海燕

陳學(xué)萍 彭學(xué)義

樂(lè)山大佛坐落于四川省樂(lè)山市城東南，大渡河和岷江交匯處的凌云山棲鸞峰陡崖上，系在巖體上雕刻而成。大佛坐東朝西，背負(fù)凌云九峰，腳踏三江匯流，面對(duì)峨嵋三山，靜坐岷江東岸，“蓮花出水，如自天降，如自地涌”，至今已有1200余年歷史，是世界上最高的彌勒佛坐像。大佛兩側(cè)崖壁上還有眾多各具神態(tài)的石刻，是唐朝石刻藝術(shù)創(chuàng)作的代表作品，具有非常高的文物價(jià)值[1]。自1949年以后，樂(lè)山大佛相繼被公布為四川省文物保護(hù)單位、全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，并在1996年被聯(lián)合國(guó)教科文組織列為“世界文化與自然遺產(chǎn)”。

經(jīng)過(guò)千百年的自然風(fēng)化，特別是隨著近代工業(yè)的發(fā)展，樂(lè)山大佛石刻的風(fēng)化問(wèn)題異常嚴(yán)重。目前，樂(lè)山大佛的保護(hù)問(wèn)題得到越來(lái)越多的關(guān)注，四川省文物考古研究所、樂(lè)山大佛烏尤文物保護(hù)管理局等對(duì)樂(lè)山大佛開(kāi)展了包括石刻的維護(hù)歷史沿革、形體特征測(cè)量、水文地質(zhì)構(gòu)造、修復(fù)材料研制等一系列調(diào)查和研究。上世紀(jì)以來(lái)，相關(guān)部門(mén)及組織先后對(duì)樂(lè)山大佛進(jìn)行了七次（1914、1934、1962-1963、1968、1990、1996、2001-2002）規(guī)模較大的表面維護(hù)，解決了大佛的穩(wěn)定性問(wèn)題。然而，由于大佛依江而建，在濕潤(rùn)氣候條件下，佛體表面為苔蘚、藻類(lèi)等的生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的環(huán)境。因此，佛體上的植被、苔蘚、藻類(lèi)等在每次清除后不久又重新生長(zhǎng)，對(duì)大佛造成新的傷害。從巖體表面觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，各種苔蘚、藻類(lèi)等生長(zhǎng)范圍和數(shù)量較大，從大佛旁邊佛龕造像的風(fēng)化程度推斷，其風(fēng)化剝離的深度達(dá)到幾厘米至十幾厘米的范圍，苔蘚、藻類(lèi)等的生長(zhǎng)對(duì)大佛表面的侵蝕是造成樂(lè)山大佛石刻風(fēng)化問(wèn)題的主要原因之一。

此外，由于藻類(lèi)等周期性生長(zhǎng)后會(huì)在巖石表面形成脫水、收縮、起皮、剝落現(xiàn)象，從而暴露出新的巖石面，加劇巖體的損毀程度[2]。因此，針對(duì)樂(lè)山大佛風(fēng)化的問(wèn)題，本文分析了其病害現(xiàn)狀，并從巖石化學(xué)成分、物相結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)等方面研究了藻菌共生體等對(duì)巖石作用的效應(yīng)以及風(fēng)化機(jī)理，可為樂(lè)山大佛文物保護(hù)及修復(fù)提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

一、樂(lè)山大佛表面病害現(xiàn)狀

圖一 樂(lè)山大佛及九曲棧道表面現(xiàn)狀

2017年11月現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，大佛周身生長(zhǎng)了大量植物，表面還可觀察到地衣、苔蘚等，以及它們周期生長(zhǎng)后的殘留，造成了大佛表面巖石顏色的變化（圖一）。同時(shí)，由于地處潮濕環(huán)境，雨水過(guò)后大佛表面經(jīng)久無(wú)法干燥，出現(xiàn)了不同程度的“花臉”和“淚痕”[3]。由于巖體表面藻菌共生體的周期性生長(zhǎng)及風(fēng)蝕、滲水等作用，大佛旁邊的九曲棧道巖壁也出現(xiàn)了不同程度的表面粉狀剝落、表面片狀剝落。在研究樂(lè)山大佛“黑鼻子”時(shí)發(fā)現(xiàn)，藻菌共生體主要是一些真菌、細(xì)菌以及地衣、苔蘚和藻類(lèi)。細(xì)菌主要包括了芽孢桿菌、硝化細(xì)菌和固氮菌等，真菌主要是霉菌類(lèi)的圓弧青霉、纖細(xì)芽枝霉、新月彎孢菌、土曲霉等[4]。這些細(xì)菌都具有較強(qiáng)的抗逆性，能產(chǎn)生胞外酶、能固定大氣中的氮，為巖石表面生長(zhǎng)的藻類(lèi)或地衣提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)繁殖。這些藻菌共生體通過(guò)分泌的胞外物、菌絲破壞巖石結(jié)構(gòu)，是造成巖石風(fēng)化、致黑現(xiàn)象最主要的原因之一。

二、藻菌共生體對(duì)大佛區(qū)域紅砂巖的影響研究

1.藻菌共生體對(duì)紅砂巖化學(xué)成分與物相結(jié)構(gòu)影響研究

為了研究藻菌共生對(duì)樂(lè)山大佛紅砂巖風(fēng)化破壞的影響，在樂(lè)山大佛烏尤文物保護(hù)管理局的協(xié)助下，選擇與大佛毗鄰的九曲棧道旁巖石為研究對(duì)象，在九曲棧道不同位置取樣，并對(duì)不同的風(fēng)化樣品進(jìn)行成分分析和物相結(jié)構(gòu)分析，化學(xué)組成檢測(cè)儀器采用X射線熒光光譜儀（島津XRF-1800,日本），結(jié)果如表1。

對(duì)樂(lè)山大佛的九曲棧道部分風(fēng)化紅砂巖進(jìn)行XRF成分檢測(cè)，主要化學(xué)成分為SiO2、CaO和Al2O3，同時(shí)含有較多的Fe2O3，顆粒堅(jiān)硬但結(jié)合不緊密，表面有輕微的細(xì)粉化現(xiàn)象，從XRF結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)各處主成分差異不大，但在含有黑色死亡藻菌共生體的樣品中發(fā)現(xiàn)有少量的Cl，這與它們?cè)谏L(zhǎng)周期內(nèi)富集了一定量的鹽類(lèi)有關(guān)。LS-2號(hào)樣中發(fā)現(xiàn)含量較高的SO3，從表觀觀測(cè)，LS-2樣品顏色偏黑，藻菌共生體殘留相對(duì)較多，這與菌類(lèi)生長(zhǎng)過(guò)程中分泌物有關(guān)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)Fe2O3和MgO的相對(duì)含量存在一定的關(guān)系，F(xiàn)e2O3含量高時(shí)，MgO含量也高，這可能是由于鐵質(zhì)膠結(jié)物包裹的含鎂碎屑在藻菌共生體侵蝕下風(fēng)化，經(jīng)過(guò)雨水的沖刷流失而引起的[5]。

圖二 樂(lè)山大佛風(fēng)化巖石樣X(jué)RD圖譜

表1 樂(lè)山大佛風(fēng)化紅砂巖XRF主要元素含量（%）×

圖三 樂(lè)山新鮮紅砂巖微觀形貌

采用日本理學(xué)D/max2200 對(duì)采自不同位置點(diǎn)風(fēng)化巖石樣進(jìn)行物相結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果如圖二所示。5個(gè)不同位點(diǎn)主晶相一致，為石英、鈣（鈉）長(zhǎng)石和方解石，膠結(jié)物主要為鈣質(zhì)膠結(jié)物，含有少量鐵質(zhì)膠結(jié)物。但位點(diǎn)不同，物相組成也略有不同。LS-2中方解石譜峰削弱，說(shuō)明在風(fēng)化樣中含量較低，同時(shí)可觀測(cè)到石膏相的存在。結(jié)合XRF分析結(jié)果，LS-2中Ca含量與其他四個(gè)樣品并無(wú)太大變化，但S含量比其他高出很多，連兵等[6]認(rèn)為藻菌共生體對(duì)S有一定的富集作用，而LS-2中又含有大量死亡的藻菌共生體，因此可以推測(cè)，LS-2中S含量的增高是由于方解石分解，在藻菌共生體富集S源的過(guò)程中，分解的方解石在水的作用下與S源反應(yīng)生成石膏相等[7]。這進(jìn)一步說(shuō)明了藻菌共生體對(duì)砂巖的化學(xué)成分和物質(zhì)組成的影響。

2.藻菌共生體對(duì)紅砂巖微觀結(jié)構(gòu)影響研究

為了進(jìn)一步考察藻菌共生體對(duì)紅砂巖微觀結(jié)構(gòu)的影響，分別取生長(zhǎng)有藻菌共生體的風(fēng)化樣、一般風(fēng)化樣和新鮮巖石樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)，巖石表面形貌通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（Ultra 55，Carl Zeiss，Germany）觀察，并利用 EDS（Xmax,Oxford Instruments,England）對(duì)樣品進(jìn)行成分信息采集。

圖三呈現(xiàn)的是樂(lè)山新鮮紅砂巖的表面形貌，從低倍數(shù)圖中可以看出，顆粒大小不一，結(jié)合不緊密，這與巖石成巖時(shí)所處的環(huán)境密切相關(guān)，局部放大顆粒表面清晰可見(jiàn)褶皺狀結(jié)構(gòu)，這些應(yīng)是顆粒間的膠結(jié)物，說(shuō)明大顆粒未受到明顯的風(fēng)化侵蝕。

圖四所示是樂(lè)山風(fēng)化樣品由風(fēng)化表層向內(nèi)部觀測(cè)時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)。風(fēng)化外表層顆粒之間結(jié)構(gòu)疏松，有細(xì)粉化現(xiàn)象，隨著觀測(cè)深度的加大，可以看到褶皺狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，同時(shí)褶皺紋路變得更加清晰。與圖3相比可以看出，樂(lè)山風(fēng)化樣品中褶皺狀結(jié)構(gòu)數(shù)量相對(duì)較少，說(shuō)明樂(lè)山紅砂巖在風(fēng)化過(guò)程中發(fā)生膠結(jié)物溶蝕現(xiàn)象。

圖四 樂(lè)山風(fēng)化樣品表面形貌

圖五 表面生長(zhǎng)過(guò)藻菌共生體樣品的微觀形貌

圖五為去除藻菌共生體后巖石的表面形貌，巖石表面呈現(xiàn)松散的粒狀顆粒結(jié)構(gòu)（圖五，a），未見(jiàn)膠結(jié)結(jié)構(gòu)，說(shuō)明巖石已受到明顯風(fēng)化。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，在巖石表面生長(zhǎng)的藻菌共生體主要為苔蘚、地衣以及一些藻類(lèi)。它們一般在潮濕環(huán)境同時(shí)出現(xiàn)，隨著周?chē)L(zhǎng)環(huán)境適宜程度的增強(qiáng)，這些藻菌共生體大量繁殖，快速覆蓋巖石的表面。研究發(fā)現(xiàn)[8][9]苔蘚的假根會(huì)深入到巖石內(nèi)部，對(duì)紅砂巖表面起到物理性破壞的作用。根系在呼吸過(guò)程中產(chǎn)生的CO2與周?chē)乃皫r石本身形成一個(gè)弱酸性的微環(huán)境，藻菌共生體生長(zhǎng)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一些酸堿分泌物，使紅砂巖顆粒間的膠結(jié)物發(fā)生腐蝕溶解，進(jìn)而造成巖石酥松剝落。在樣品的表面隨處可見(jiàn)多種形態(tài)的硅藻（圖五，b-d），由于其胞外物質(zhì)的分泌和絲狀物質(zhì)的產(chǎn)生，硅藻得以附著在巖石表面，進(jìn)一步與細(xì)菌、真菌和其他藻類(lèi)發(fā)展成更復(fù)雜的生物群落，具有較強(qiáng)的侵蝕作用，加速了巖石表面的風(fēng)化[10][11]。

圖六所示為距生長(zhǎng)過(guò)藻菌共生體巖石樣表面不同位置的微觀形貌。區(qū)別于單一風(fēng)化樣的微觀形貌，生長(zhǎng)過(guò)藻菌共生體后顆粒表面觀測(cè)不到膠結(jié)物的存在，且出現(xiàn)明顯的層片狀結(jié)構(gòu)和絲網(wǎng)狀。在距離藻菌共生體生長(zhǎng)面較遠(yuǎn)的位置發(fā)現(xiàn)有針狀結(jié)構(gòu)（圖六，d），能譜結(jié)果顯示為 Ca，C，O，推測(cè)應(yīng)為CaCO3。在自然環(huán)境下，雨水沿裂隙或孔隙進(jìn)入巖石內(nèi)部侵蝕顆粒之間的膠結(jié)物，由于不同礦物抗侵蝕能力不同，從而導(dǎo)致顆粒表面呈現(xiàn)層片狀結(jié)構(gòu)[12][13]。與風(fēng)化樣相比，由于巖石表面生長(zhǎng)過(guò)藻菌共生體，在藻菌共生體生長(zhǎng)周期內(nèi)產(chǎn)生的分泌物會(huì)對(duì)巖石起到一定的風(fēng)化作用，這與表面作用機(jī)制類(lèi)似，在水的作用下發(fā)生溶蝕，從而在顆粒表面呈現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu)和細(xì)粉包裹現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)照分析生長(zhǎng)過(guò)藻菌共生體的巖石與一般風(fēng)化樣發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)過(guò)藻菌共生體后，巖石風(fēng)化情況更加嚴(yán)重，膠結(jié)物幾乎觀測(cè)不到，在顆粒表面形成疏松多孔層，這為巖石表面水進(jìn)一步向巖石內(nèi)部風(fēng)化提供了有利的條件。四川文物考古研究院曾對(duì)生長(zhǎng)過(guò)苔蘚的巖石進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其表面失水量和吸水量都有很大的提高[14]。由于大佛臨江，本身濕度就大，加之苔蘚的生長(zhǎng)，增加了巖石的持水量，延長(zhǎng)了巖石和水相互作用時(shí)間，進(jìn)一步促進(jìn)了大佛紅砂巖的風(fēng)化。除了這些藻菌共生體外，巖石上還生長(zhǎng)有木本植物，它們的根系深入巖石內(nèi)部，為雨水浸入巖體內(nèi)部提供了通道，加速了內(nèi)部巖石的風(fēng)化。

三、結(jié) 論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)樂(lè)山大佛的病害現(xiàn)狀調(diào)查，發(fā)現(xiàn)佛體受水害、植物及藻菌共生體侵害嚴(yán)重，特別是藻菌共生體對(duì)砂巖文物的影響不應(yīng)忽視。對(duì)于一般風(fēng)化巖石樣而言，由于表面膠結(jié)物的消失出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，但樣品內(nèi)部仍可觀測(cè)到膠結(jié)物的存在，而生長(zhǎng)過(guò)藻菌共生體的巖石表面出現(xiàn)了粉化、起翹、剝落等現(xiàn)象，向內(nèi)觀測(cè)有網(wǎng)格及針狀結(jié)構(gòu)，侵蝕深度更深，淺表層觀測(cè)不到膠結(jié)物的存在。初步的分析研究表明，藻菌共生體一方面在砂巖淺表面形成疏松多孔層為巖石內(nèi)部進(jìn)一步風(fēng)化創(chuàng)造了條件，另一方面使砂巖中的膠結(jié)物受到更多的侵蝕，砂巖結(jié)構(gòu)受到破壞，藻菌共生體的存在加劇了砂巖文物表面的風(fēng)化速度。

本文得到上海市文教結(jié)合項(xiàng)目“與國(guó)家文物局共建中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化傳承平臺(tái)”以及上海市文化遺產(chǎn)保護(hù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等資助。

[1]袁金泉《樂(lè)山大佛的研究與保護(hù)》，《四川文物》2005年第1期。

[2]四川省文物考古研究所、樂(lè)山大佛烏尤文物保護(hù)管理局《治理樂(lè)山大佛的前期研究》，四川科學(xué)技術(shù)出版社，2002年。

[3][4]江滔《樂(lè)山大佛“黑鼻子”形成機(jī)理與防治對(duì)策淺析》，《四川文物》2013年第6期。

[5]秦中、張捷、彭學(xué)義、王興山《四川樂(lè)山大佛風(fēng)化的初步探討》，《地理研究》2005年第6期。

[6]連賓、陳燁、朱立軍、楊瑞東《微生物對(duì)碳酸鹽巖的風(fēng)化作用》，《地學(xué)前緣》2008年第6期。

[7]張喜長(zhǎng)、劉瓊英《樂(lè)山大佛景區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量變化規(guī)律及污染特征研究》，《環(huán)境科學(xué)與管理》2014年第7期。

[8]張中儉、張路青、李麗慧、王學(xué)良、傅燕、李芬霞《微環(huán)境對(duì)龍游石窟粉砂巖風(fēng)化的影響》，《工程地質(zhì)學(xué)報(bào)》2010年第5期。

[9]曹建華、袁道先《石生藻類(lèi)、地衣、苔蘚與碳酸鹽巖持水性及生態(tài)意義》，《地球化學(xué)》1999年第3期。

[10]蔡曉琛、孫莉莉、萬(wàn)俐等《明城墻藻菌共生體調(diào)查及微型藻類(lèi)腐蝕城墻效應(yīng)探究》，《文物保護(hù)與考古科學(xué)》2016年第2期。

[11]李海、胡小蘭、舒開(kāi)倩、周玉迪、彭紅《樂(lè)山大佛風(fēng)化程度研究》，《樂(lè)山師范學(xué)院學(xué)報(bào)》2016年第8期。

[12]周駿一《樂(lè)山大佛風(fēng)化剝蝕及滲水病害防治對(duì)策》，《山地學(xué)報(bào)》2009年第3期。

[13][14]王沖、謝振斌、郭建波、陳顯丹《樂(lè)山麻浩崖墓石刻風(fēng)化機(jī)理研究》，《敦煌研究》2017年第6期。