天龍山石窟工程地質(zhì)特征研究

任建光，黃繼忠，2，王旭升

（1.云岡石窟研究院，山西大同 037007；2.山西省文物局，山西太原 030000；3.中國地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083）

天龍山石窟工程地質(zhì)特征研究

任建光1，黃繼忠1，2，王旭升3

（1.云岡石窟研究院，山西大同 037007；2.山西省文物局，山西太原 030000；3.中國地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083）

為保護(hù)天龍山石窟提供科學(xué)的依據(jù)，探討了天龍山石窟工程地質(zhì)特征問題。對天龍山石窟巖石進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)、化學(xué)成分和礦物成分分析，結(jié)果表明，天龍山石窟巖石為礫粗-中粒石英砂巖，石英含量高，化學(xué)成分以SiO2為主，膠結(jié)物以硅質(zhì)最常見，膠結(jié)類型為孔隙式，屬于堅(jiān)硬巖石，但抗凍性差，抗風(fēng)化能力中等?？梢?，天龍山石窟主要地質(zhì)病害為巖體裂隙、窟頂滲水、巖體崩塌和石雕風(fēng)化。

天龍山石窟；工程地質(zhì)；文物保護(hù)

天龍山石窟位于山西太原西南約36km處，是中國著名的石窟群之一，它始建于東魏，北齊、隋唐時(shí)均有開鑿增建，歷時(shí)近5個(gè)世紀(jì)。現(xiàn)存洞窟25個(gè)，大小石佛造像500余尊。第9窟為最大的洞窟，窟上建有宏偉的木結(jié)構(gòu)閣樓，稱為“漫山閣”。天龍山石窟地處太原西山坳陷的東南邊緣帶，山峰海拔高度約為1 400m，為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫9℃，年平均降水量為511mm，降水量多集中在7～9月，全年無霜期約為160d。

天龍山石窟開鑿在二疊紀(jì)天龍寺組地層崖壁上，地質(zhì)情況復(fù)雜，由于巖體上發(fā)育極佳的松樹根系及長期風(fēng)雨的侵蝕，天龍山石窟巖體龜裂破碎，文物地質(zhì)病害十分嚴(yán)重。為了搶救這一珍貴的文化遺產(chǎn)，我們對天龍山石窟開展了工程地質(zhì)調(diào)查研究工作，為制定科學(xué)的文物保護(hù)措施提供理論依據(jù)。

1 天龍山石窟區(qū)域地質(zhì)特征

天龍山石窟區(qū)由東峰、西峰、南峰和柳子溝組成，屬呂梁山支脈，地貌類型簡單。按其成因類型，分為山頂部剝蝕侵蝕中山區(qū)和柳子溝侵蝕堆積溝谷兩大地貌單元［1］。主要出露石炭紀(jì)上統(tǒng)和二疊紀(jì)地層。石窟佛像開鑿于二疊紀(jì)天龍寺組地層的崖壁上，巖石是一套以陸源碎屑沉積為主的沉積巖［2-5］。區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)頻繁，巖體裂隙比較發(fā)育。該區(qū)是富水區(qū)和地下水逕流—排泄區(qū)，地下水以裂隙水分布為主，同時(shí)還分布少量的孔隙水，白龍洞泉和天龍寺泉是本區(qū)地下水排泄的主要途徑［6-11］。

2 天龍山石窟工程地質(zhì)特性

2.1 樣品的物質(zhì)組成

2.1.1 礦物組成

為了解天龍山石窟巖石的物質(zhì)組成，對所取樣品進(jìn)行了X衍射物相分析及薄片鑒定。薄片鑒定結(jié)果：巖石均為石英砂巖，碎屑石英，棱角狀-次棱角狀，顆粒間呈緊密接觸及鑲嵌狀接觸，有明顯的次生加大錐，粒度0.3～0.5mm，含量65％；次生加大錐，粒度0.3～0.5mm，含量65％～75％；石英巖礫石，次圓狀，粒度2.2mm，含量5％；石英礫石，次圓狀，粒徑2～2.5mm，個(gè)別粒徑可達(dá)5mm，含量5％；燧石巖屑，次棱角狀，粒度0.4～2mm，含量4％～9％；斜長石碎屑、白云母碎屑和黑云母碎屑含量不足1％；膠結(jié)物以硅質(zhì)最常見，含量5％～8％；膠結(jié)類型為孔隙式；巖石為礫粗-中粒石英砂巖。

X射線衍射物相分析的結(jié)果為：天龍山石窟砂巖的主要礦物為石英，含量為72％～92％；長石含量為5％～15％；云母含量為3％～8％；綠泥石含量為5％～10％，見圖1。粉塵樣品的物質(zhì)組成為：石英含量占62％；云母和長石各8％；次生礦物高嶺石含量12％；石膏為10％，可以判斷粉塵樣品是巖石表面的風(fēng)化堆積物，見圖2。

2.1.2 樣品的化學(xué)成分

對天龍山石窟巖石和粉塵樣品進(jìn)行了X射線熒光化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。由表可知：天龍山石窟巖石的化學(xué)成分均以SiO2為主，含量達(dá)81.93％～92.44％，其次為Al2O3。砂巖的燒失量很低，見表1。

由此可知，龍山石窟砂巖中的主要礦物為石英、長石，其中石英結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，而長石在其化學(xué)風(fēng)化過程中經(jīng)歷3個(gè)階段：泥化、伊利石化、高嶺石化［12］。長石水解風(fēng)化成伊利區(qū)、高嶺石等粘土礦物后，導(dǎo)致巖石中剛性顆粒含量減少，力學(xué)強(qiáng)度降低，粘土礦物晶間微孔隙增加，可溶鹽結(jié)晶膨脹破壞性增強(qiáng)，石雕發(fā)生酥化。

2.2 巖石的基本物理性質(zhì)

巖石的物理性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)依據(jù)《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程（SL264-2001）》完成。表2給出了天龍山石窟巖石的物理和水理性質(zhì)試驗(yàn)成果。

天龍山石窟的砂巖顆粒密度為2.62～2.64g/cm3，接近于石英密度，塊體密度為2.44～2.52g/cm3，比較顆粒密度和塊體密度，說明巖石中有少量的孔隙和裂隙。孔隙率為6.43％～7.63％，天龍山砂巖的膠結(jié)程度較好，抗風(fēng)化能力屬于中等。

2.3 巖石的水理性質(zhì)

1）巖石的吸水性。天龍山砂巖的吸水率較低，為2.69％～2.80％，說明巖石中有少量的孔隙和裂隙；飽和吸水率為2.94％～3.45％，數(shù)值較低，其抗風(fēng)化能力中等；飽水系數(shù)較大，為0.92～0.81，容易被凍脹破壞，其抗凍性較差。不具有崩解性，膨脹性也很低。

2）巖石的崩解性和膨脹性。天龍山砂巖的礦物組分以石英為主，硅質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度較好，因此不具有崩解性。崩解試驗(yàn)采用巖樣在烘箱中105℃下烘干24h，烘干后真空飽和24h，再烘干為一循環(huán)，重復(fù)進(jìn)行烘干飽和試驗(yàn)，測量試樣每一循環(huán)后質(zhì)量變化，計(jì)算巖樣崩解率。試驗(yàn)時(shí)浸水48h無崩解。

天龍山砂巖的膨脹性很低。將天然風(fēng)干狀態(tài)下的巖石，在室溫22℃下，浸于水中72h后，測量巖樣沿軸向方向上的變化率來確定巖石膨脹率，平均膨脹率為0.020 0％～0.019 5％。

圖1 風(fēng)化巖石X衍射物相分析圖譜

圖2 粉塵X衍射物相分析圖譜

表1 X射線熒光化學(xué)成分含量（％）分析

表2 巖石物理試驗(yàn)成果表

表3 巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果表

2.4 巖石的力學(xué)性質(zhì)

采用英國instran公司液壓伺服機(jī)對砂巖進(jìn)行了烘干、飽和兩種狀態(tài)的單軸壓縮試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)。所測巖石的力學(xué)性質(zhì)見表3。

1）巖石的抗壓強(qiáng)度。天龍山砂巖為硅質(zhì)膠結(jié)，孔隙率小，具有較高的抗壓強(qiáng)度，烘干為93.265～113.127Mpa，飽和為46.983～66.017Mpa，軟化系數(shù)為0.477～0.531，工程性質(zhì)中等，抗凍性較差和抗風(fēng)化能力屬于中等。

2）巖石的抗拉強(qiáng)度。天龍山砂巖的干抗拉強(qiáng)度為3.369～4.048Mpa，飽和抗拉強(qiáng)度為2.328～2.390Mpa.

3）巖石的抗剪強(qiáng)度。天龍山砂巖的干抗剪強(qiáng)度為內(nèi)聚力12.18～14.12Mpa，內(nèi)摩擦角59.9～64.02°；飽和抗剪強(qiáng)度為內(nèi)聚力8.85～10.85Mpa，內(nèi)摩擦角58.67～60.62°。內(nèi)聚力較低，內(nèi)摩擦角偏高。

4）巖石的表面硬度。巖石烘干、飽和狀態(tài)下表面硬度分別為48.7～51.0和37.5～39.4［12］。

3 天龍山石窟主要工程地質(zhì)問題

天龍山石窟區(qū)工程地質(zhì)問題主要表現(xiàn)是：巖體裂隙、窟頂滲水、巖體崩塌和石雕風(fēng)化。

3.1 巖體裂隙

天龍山窟區(qū)內(nèi)巖體裂隙比較發(fā)育，甚至有的從窟外延伸進(jìn)窟內(nèi)，主要走向?yàn)镹E向和NW向，傾向多為ES和EN向，約80％的裂隙傾角為80～90°，其中NW向裂隙密度較大，見圖3。崖壁裂隙產(chǎn)生的主要因素是巖體自然風(fēng)化、軟弱層沉陷和松樹根系的劈裂作用。共分為3類，第1類，大塊山石原生裂隙，多在石崖的一側(cè)或一端出現(xiàn)，裂縫寬度100mm以上，填充物為石塊、泥土和松樹根系；第2類為卸荷裂隙，此類巖石四周與山體完全裂開，有的甚至底部部分懸空，走向多為NW向，裂縫寬度100mm以上，填充物為石塊和泥土，此類危巖穩(wěn)定性一般較差；第3類為山體表層風(fēng)化裂隙，是產(chǎn)生于巖面上的細(xì)小裂縫，寬度為幾毫米，甚至根本沒有張開，裂隙長度不一，分布沒有規(guī)律，填充物多為塵土。這3類裂隙的持續(xù)性發(fā)展將各種裂隙的發(fā)育對巖石的整體性破壞、石窟圍巖及立壁面巖體的穩(wěn)定性影響各不相同。裂隙的發(fā)育不僅降低巖石的力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)為巖體滲水提供了良好通道，加速了窟內(nèi)石雕文物的風(fēng)化。

圖3 天龍山石窟外壁裂隙走向玫瑰圖

3.2 窟頂滲水

天龍山石窟石雕風(fēng)化的最主要原因之一是洞窟頂部滲水。滲水來源于地下含水巖層和窟區(qū)頂部大氣降水?？邊^(qū)頂部大氣降水一部分以地表徑流的方式排泄出本區(qū)，另一部分除少量直接蒸發(fā)之外，大量通過連通性好的裂隙或孔隙繼續(xù)向下入滲，順裂隙或水平層理面而排泄。洞窟內(nèi)一般情況下滲水量小且呈濕潤現(xiàn)象，而在雨季時(shí)則以滴水或微弱流水的方式排泄。

3.3 巖體崩塌

由于天龍山石窟開鑿在東、西峰崖壁上，卸荷裂隙十分發(fā)育，這類裂隙走向與巖體邊坡走向平行，常常構(gòu)成石窟寺所在邊坡巖體失穩(wěn)的滑移面或崩落破壞面。再加巖體中的構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙、層面、斷裂面或剪切帶、軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面，常構(gòu)成邊坡失穩(wěn)各種切割面。各種不同成因的巖石裂隙的互相切割，使石窟寺所在邊坡形成了可能變形、滑移、崩塌、錯(cuò)落的分離體，導(dǎo)致石窟寺巖體邊坡的失穩(wěn)。天龍山石窟的巖體坍塌現(xiàn)象十分普遍。

3.4 石雕風(fēng)化

天龍山石窟自東魏開鑿以來約有1 500余年的歷史，由于自然界各種營力的作用，風(fēng)化現(xiàn)象十分嚴(yán)重。風(fēng)化類型主要有刷落狀風(fēng)化、頁片狀風(fēng)化和洞穴狀風(fēng)化等。石雕風(fēng)化的主要原因是洞窟頂部滲水、空氣凝結(jié)水，濕度、溫度的驟變，空氣污染物的作用，鹽類的運(yùn)移膨脹等［13］。

4 結(jié)論

1）天龍山窟區(qū)主要出露石炭紀(jì)上統(tǒng)和二疊紀(jì)地層，石窟佛像開鑿于二疊紀(jì)天龍寺組地層的崖壁上。

2）天龍山石窟巖石為礫粗-中粒石英砂巖，石英含量高，化學(xué)成分以SiO2為主，膠結(jié)物以硅質(zhì)最常見，膠結(jié)類型為孔隙式，屬于堅(jiān)硬巖石，但抗凍性差，抗風(fēng)化能力中等.

3）天龍山石窟主要地質(zhì)病害為巖體裂隙、窟頂滲水、巖體崩塌和石雕風(fēng)化。

盡管石窟佛像的風(fēng)化原因多種多樣，但更主要的是與其所開鑿的巖體及其地質(zhì)環(huán)境有關(guān)。所以研究天龍山石窟區(qū)域內(nèi)的工程地質(zhì)特征對于查明石窟風(fēng)化原因及制定佛像保護(hù)措施具有十分重要的意義。

［1］陳漢清，牛映雪.太原西山上古生界多重地層劃分［J］.山西地質(zhì)，1993，8（1）：11-19.

［2］煤炭科學(xué)院地質(zhì)勘探分院，山西省煤田地質(zhì)勘探公司.太原西山含煤地層沉積環(huán)境［M］.北京：地質(zhì)出版社，1987.

［3］尹贊助.中國地層典七石炭紀(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，1966.

［4］全國地層委員會(huì).中國地層指南及中國地層指南說明書［M］.北京：科學(xué)出版社，1982.

［5］左國保，王幼松，張雁.天龍山文物石窟山體加固的研究［J］.山西建筑，1992（1）：11-22.

［6］陳衛(wèi)玉.天龍山送檢水樣監(jiān)測報(bào)告［R］.大同市環(huán)境監(jiān)測站，2006.

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［8］山西焦煤集團(tuán)公司地測勘探中心.西山煤田綜合水文地質(zhì)圖--說明書及附表［R］.山西煤田水文地質(zhì)二二九隊(duì)，2001.

［9］智天翼，陳家軍，白利平.太原盆地地下水資源模擬研究［J］.云南地理環(huán)境研究，2005，17（5）：6-10.

［10］任建光，黃繼忠，閻宏彬，等.天龍山石窟區(qū)域地質(zhì)特性研究［J］.太原師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，3（1）：123-125.

［11］黃繼忠.水對云岡石窟石雕的作用及防治對策［D］.北京：中國地質(zhì)科學(xué)院，2006.

［12］方云.天龍山石窟砂巖工程性質(zhì)試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）文化遺產(chǎn)和巖土文物保護(hù)工程中心，2001.

［13］黃繼忠.云岡石窟地質(zhì)特征研究［J］.東南文化，2003（5）：91-93.

〔責(zé)任編輯 石白云〕

Engineering Geological Properties of Tianlong Mountain Grottoes

REN Jian-guang1，HUANG Ji-zhong1，2，WANG Xu-sheng3
（1.Yungang Grottoes Research Institute，Datong Shanxi，037007；2.Shanxi Culture Relics Bureau，Taiyuan Shanxi，030000；3.China University of Geosciences，Beijing，100083）

Tianlong mountain Grottoes was cut on the precipice of the Formation of Permian Tenryu-ji.The mechanical properties of Tianlong mountain Grottoes sandstone were tested，the chemical composition andmineral composition of sandstone samples were analysised，and engineering geological problems were summaried.Tianlong mountain Grottoes is coarse gravel-medium-grained quartz sandstone，chemical composition of SiO2-based cement to the siliceous type of cement pore type，belong to the hard rock，but the frost resistance，weathering ability medium.Tianlong mountain Grottoes Geological diseases of rock fracture，making an seepage，rock collapse and stone weathering.In order to provide a scientific basis for protecting Tianlong mountain Grottoes.

Tianlong mountain Grottoes，engineering geology，heritage protection

K 879.2

A

1674-0874（2012）06-0056-04

2012-10-28

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目課題［編號(hào)：2009BAK53B01和2009BAK53B02］；山西省太原市科技研發(fā)項(xiàng)目［0602018］；2012年度山西省文物保護(hù)科學(xué)和技術(shù)研究課題［無編號(hào)］.

任建光（1971-），男，山西陽高人，碩士，文博館員，研究方向：石質(zhì)文物保護(hù)。