地下水分蒸發(fā)對(duì)考古發(fā)掘土遺跡劣化影響初探

孫麗娟，韓　明,張中立，丁　巖

(1.西北大學(xué)文化遺產(chǎn)學(xué)院/文化遺產(chǎn)研究與保護(hù)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069；2.新疆文物古跡保護(hù)中心，新疆 烏魯木齊 830000；3.陜西省文物考古研究院，陜西 西安 710054)

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地下水分蒸發(fā)對(duì)考古發(fā)掘土遺跡劣化影響初探

孫麗娟1，韓明2,張中立3，丁巖3

(1.西北大學(xué)文化遺產(chǎn)學(xué)院/文化遺產(chǎn)研究與保護(hù)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069；2.新疆文物古跡保護(hù)中心，新疆 烏魯木齊 830000；3.陜西省文物考古研究院，陜西 西安 710054)

[摘要]分析考古發(fā)掘過(guò)程中環(huán)境蒸發(fā)量對(duì)土遺跡病害產(chǎn)生的作用。將考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)土遺跡模擬樣品置于外界環(huán)境中，監(jiān)測(cè)環(huán)境蒸發(fā)量變化，觀(guān)察樣品外觀(guān)變化、監(jiān)測(cè)樣塊不同深度含水率遞變規(guī)律、觀(guān)察微觀(guān)形貌及分析可溶鹽變化，探究環(huán)境蒸發(fā)量變化與土遺跡含水率變化對(duì)應(yīng)規(guī)律性及含水率變化與遺跡表面產(chǎn)生的病害之間的遞變規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：樣塊放置初期，蒸發(fā)量對(duì)樣塊變化影響較大，模擬灰坑及夯土類(lèi)遺跡樣放置24 h后，累計(jì)蒸發(fā)量11 mm時(shí)，樣塊迅速劣變，表層含水率迅速下降，產(chǎn)生裂隙、結(jié)皮、龜裂等病害；模擬潮濕環(huán)境樣塊，含水率高于19%左右時(shí)，樣塊受蒸發(fā)量影響不大，病害產(chǎn)生不顯著，含水率降至19%之后，樣塊表層含水率急速降至5%左右(土壤縮限)，樣塊表層產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)殼、可溶鹽富集。含水量低于塑限的土遺跡，蒸發(fā)量變化對(duì)考古發(fā)掘土遺跡劣化影響呈遞進(jìn)式規(guī)律，環(huán)境累計(jì)蒸發(fā)量為11 mm時(shí)，劣化嚴(yán)重；處于液限附近土遺跡，受自身含水率影響較大，當(dāng)含水率迅速由19%降至5%時(shí)，遺跡劣化最嚴(yán)重。

[關(guān)鍵詞]考古現(xiàn)場(chǎng)土遺跡； 蒸發(fā)量；含水率

考古發(fā)掘土遺跡在古遺址中占有相當(dāng)重要地位，目前考古發(fā)掘的土遺跡絕大部為露天發(fā)掘，遺跡常常受到發(fā)掘條件、保存環(huán)境及保護(hù)手段等方面限制，揭露后遺跡很快產(chǎn)生裂隙、坍塌、鹽析、表面風(fēng)化等病害，遺跡的病變對(duì)遺跡的保存及研究很不利。大多考古遺跡在資料提取后都采取回填的保護(hù)措施，不利于遺跡的進(jìn)一步研究和展示。

針對(duì)考古發(fā)掘土遺跡的研究保護(hù)工作迫在眉睫，考古現(xiàn)場(chǎng)土遺跡的保護(hù)工作首先應(yīng)從了解遺跡產(chǎn)生破壞的條件、病害產(chǎn)生變化的階段性等方面入手，再進(jìn)行深入研究，從而為遺跡病害的治理與控制提供依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)依據(jù)

中華人民共和國(guó)水利部2007年頒布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》

1.2材料

制樣材料采自鳳棲原漢墓考古發(fā)掘遺址土，樣品包括遺址根部土、遺址新剝落土、遺址剝落堆積下層土等。

表1　土樣含水率

密度：剝落樣為1.36 g/cm3，夯土樣1.66 g/cm3；

液限WL=33.74%，塑限WP=24.30%，塑性指數(shù)IP=9.46；縮限WS=5.00%；

X熒光半定量分析：表層土壤可溶鹽中Ca、S元素含量很高，結(jié)合文獻(xiàn)[1]推測(cè)主要成分為CaSO4；

pH值：7.6～7.8，與鈣含量高現(xiàn)象符合[2]。

1.3制樣

經(jīng)資料分析[2]土壤表面約20cm左右土壤水分與環(huán)境交換活躍，依據(jù)考古數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料[3][4]制規(guī)格為40 cm×30 cm×20 cm樣塊，密度和含水率設(shè)置見(jiàn)表2。

將模擬遺跡樣塊分兩組：C組放置在高臺(tái)上，四周環(huán)境開(kāi)放，S組處于四周建筑密集，受風(fēng)影響很小區(qū)域。C組：CYS(模擬灰坑)、CH(模擬夯土)、CWL(含水率接近液限)、CBL(土樣完全暴露)；S組：SYS(模擬灰坑)、SH(模擬夯土)、SWL(含水率接近液限)。

由于土樣含水率不均，制樣前將土樣密封7天，使水分分散均勻。參照SL237-002-1999制樣并密封，放置7天，使內(nèi)部水分布均勻。7天后測(cè)得樣塊含水率見(jiàn)表3。

表2　重塑樣參數(shù)

表3　模擬遺跡含水率

圖1　環(huán)境蒸發(fā)量監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

1.4儀器設(shè)備

臺(tái)秤(精度0.01 g)；分析天平(精度0.001 g)；SS-1型收縮儀，南京寧曦土壤儀器有限公司；金屬蒸發(fā)盆，口徑20 cm，高10 cm；液塑限聯(lián)合測(cè)定儀(76 g錐體)；ARTAX-400可移動(dòng)X射線(xiàn)熒光光譜儀，德國(guó)布魯克公司；KH-7700超景深三維視頻顯微鏡，日本浩視公司；電子掃描顯微鏡，捷克TESCAN公司。

表4　表層含水率變化劇烈時(shí)段累計(jì)蒸發(fā)量

注：W%表示含水率；E表示累計(jì)蒸發(fā)量，單位：毫米/mm；δE：劇烈變化到趨向穩(wěn)定累計(jì)蒸發(fā)量，單位：毫米/mm；T：累計(jì)時(shí)間，單位：小時(shí)/h；δT：劇烈變化到趨向穩(wěn)定累計(jì)時(shí)間，單位：小時(shí)/h。

2結(jié)果與討論

2.1蒸發(fā)量監(jiān)測(cè)結(jié)果

蒸發(fā)量監(jiān)測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)圖1。

2.2土樣含水率變化曲線(xiàn)

從整個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)分析：表層含水率變化經(jīng)歷緩慢減小、劇烈減小、波動(dòng)變化三個(gè)階段。樣塊表層含水率變化受環(huán)境蒸發(fā)量變化影響顯著，較深和深層含水率變化相對(duì)遲緩。樣塊表層含水率在環(huán)境蒸發(fā)量影響下，含水率迅速降至5%左右，含水率達(dá)到5%左右后，表層含水率變化受環(huán)境蒸發(fā)量影響變化不明顯。

圖2及表4顯示表層土樣含水率變化最顯著。C組中CBL、CH、CYS經(jīng)過(guò)約24 h，累計(jì)蒸發(fā)量7.41～8.94 mm，樣塊表層含水率降至5%(縮限值)；SYS、SH表層經(jīng)過(guò)約24h變化，累計(jì)蒸發(fā)量9.14～10.99 mm，含水率由初始值降至5%(縮限值)。

高含水率試樣CWL、 SWL表面的含水率在實(shí)驗(yàn)初期變化緩慢。CWL樣塊經(jīng)歷5天變化，累計(jì)蒸發(fā)量33.9 mm，表層含水率減小至5%左右； SWL經(jīng)過(guò)6 d，累計(jì)蒸發(fā)量32.7 mm，表層含水率減小至5%左右；CWL表層含水率從開(kāi)始迅速減小到降至5%，累計(jì)蒸發(fā)量10.77 mm，SWL累計(jì)蒸發(fā)量12.19 mm。當(dāng)土樣表層含水率初始值低于19%高于5%時(shí)，蒸發(fā)量變化導(dǎo)致土樣表層含水率迅速降低。

圖2　含水率隨累計(jì)蒸發(fā)量變化曲線(xiàn)

備注：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中含水率的測(cè)試，表層含水率測(cè)試取樣位置在試樣表面2～3 cm深度，較深層為距試樣表面5～10 cm；深層取樣為15 cm及以下深度。

從表5數(shù)據(jù)分析得

(1)C組試樣放置初期在晚間表層含水率減少值為正值，說(shuō)明試樣向環(huán)境散失的量大于內(nèi)部補(bǔ)充和從環(huán)境空氣中吸收的水分；而S組在監(jiān)測(cè)第一晚上出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，表現(xiàn)向環(huán)境散失的水分小于內(nèi)部補(bǔ)充水分。C組外界環(huán)境較S組外界環(huán)境開(kāi)闊且風(fēng)速較大，外界蒸汽壓小，環(huán)境蒸發(fā)量相對(duì)大，兩組樣在放置第一晚上出現(xiàn)的不同現(xiàn)象，表現(xiàn)出微環(huán)境對(duì)土樣表層含水率變化有很大影響。

(2)試樣含水率低于5%后，由于土壤的滯后作用[5]，夜間吸收外界環(huán)境中水分和得到內(nèi)部土壤水分補(bǔ)充后，土樣表層的含水率在5%左右波動(dòng)。

從含水率變化曲線(xiàn)和數(shù)據(jù)分析：含水率低于19%時(shí)，環(huán)境蒸發(fā)量對(duì)土樣表層含水率變化作用顯著。含水率低于19%，高于縮限的樣塊，當(dāng)累計(jì)蒸發(fā)量≥11 mm左右，樣塊表層含水率迅速降至5%，土樣表層含水率變化得到夜間環(huán)境水分和底層水分補(bǔ)充，含水率在5%左右波動(dòng)；含水率接近液限的樣塊，經(jīng)過(guò)累計(jì)蒸發(fā)量34 mm左右變化，表層含水率降到5%左右后穩(wěn)定。

結(jié)合文獻(xiàn)[6][7][8]分析蒸發(fā)量在遺跡表層含水率劇烈變化中起到?jīng)Q定性的作用。

2.3土樣病害

隨著樣塊含水率變化，樣塊出現(xiàn)顏色變淺、可溶鹽富集、結(jié)皮、結(jié)殼等病害。

表6　病害出現(xiàn)及累計(jì)蒸發(fā)量和時(shí)間

注：δE表示累計(jì)蒸發(fā)量；毫米/mm；小時(shí)/h.

圖3　SWL斷面照片

顯微觀(guān)察發(fā)現(xiàn)高含水率土樣表層結(jié)殼現(xiàn)象明顯，存在明顯分界線(xiàn)，分界線(xiàn)以上的土粒間孔隙度小，膠結(jié)密實(shí)，交界面以下土粒間松散、孔隙大。

鹽害在CBL、CWL、SWL表面明顯，用超景深顯微鏡分別在100X、200X、250X倍率下觀(guān)察樣塊表面的鹽害。

圖4超景深照片可看出：CWL、SWL表面可溶鹽富集明顯。從斷面顯微照片可以明顯看到：由表入里可溶鹽含量減弱；從原樣斷面電鏡照片觀(guān)察可見(jiàn)，可溶鹽在土壤孔隙邊緣富集，呈松散堆積，重塑樣表面可溶鹽呈片狀松散堆積。

X熒光發(fā)現(xiàn)可溶鹽中Ca、S元素含量明顯高于其他元素，和原樣熒光半定量分析結(jié)果一致。

利用超景深顯微鏡、掃面電鏡以及X熒光，對(duì)模擬樣塊出現(xiàn)病害區(qū)域采集的試樣分析，可見(jiàn)：

(1)高含水率樣斷面表層土粒膠結(jié)致密、出現(xiàn)結(jié)殼，且有明顯的分界面；

(2)顯微觀(guān)察CYS、CH、CBL表面可溶鹽富集不明顯， CWL、SWL表面可溶鹽富集顯著，從土樣斷面可見(jiàn)，可溶鹽由樣塊內(nèi)部孔隙隨水分的運(yùn)移向表面遞進(jìn)式運(yùn)移，在樣塊表面呈片狀富集。

(3)X熒光分析SWL、CWL、CBL表面 Ca、S半定量數(shù)值明顯偏高，CYS、CH則不顯著，原因是CYS、CH初始含水率低。

(4)CBL的表面顯微觀(guān)察可溶鹽較少，熒光分析Ca、S卻明顯偏高，結(jié)合對(duì)樣塊表面破壞觀(guān)察，樣塊表面形成一層很薄的結(jié)皮，可溶鹽在結(jié)皮下富集。

表5　夜間蒸發(fā)量與土樣表層含水率夜間減少值

備注：負(fù)值表示含水率增加

圖4　樣塊表面泛白顯微觀(guān)察

圖5　樣塊表面可溶鹽電鏡照片

3結(jié)語(yǔ)

1)遺跡表層2～3 cm深度受環(huán)境蒸發(fā)量影響劇烈，蒸發(fā)量的作用導(dǎo)致遺跡表層含水率急劇變化，遺跡表層含水率受蒸發(fā)量作用變化分為三個(gè)階段：(1)緩慢變化階段。降雨或潮濕地區(qū)遺跡含水率接近液限時(shí)，遺跡表層土體含水率受蒸發(fā)量變化影響小，含水率減小速率緩慢；(2)劇烈變化階段。遺跡含水率低于一定含水率后(和遺跡土體自身特性有關(guān))，表層含水率急劇降低至縮限值(遺跡土體天然含水率時(shí)測(cè)得的縮限值)左右；(3)含水率波動(dòng)變化階段。此階段主要受到土壤滯后效應(yīng)影響，表層含水率在縮限值上下波動(dòng)。

2)蒸發(fā)量對(duì)大多遺跡的影響主要發(fā)生在發(fā)掘初期，一般情況下遺跡的含水率都低于特定值(與遺址土體內(nèi)礦物含量、孔隙度、粒度組成等因素有關(guān))，當(dāng)累積蒸發(fā)量達(dá)到11 mm左右，遺跡表層2～3 cm厚度含水率在蒸發(fā)量作用下迅速變化，含水率降至縮限(天然含水率時(shí)測(cè)得縮限值)左右，遺跡表面發(fā)生結(jié)皮、龜裂，此時(shí)裂隙達(dá)到最大，遺跡穩(wěn)定性此時(shí)最小。

3)大型遺跡內(nèi)部水分的運(yùn)移帶動(dòng)可溶鹽運(yùn)移，由遺跡內(nèi)部的孔隙向表面運(yùn)移、富集，當(dāng)遺跡表面結(jié)皮后蒸發(fā)量的作用就不明顯，鹽溶解結(jié)晶，在凍融作用、溫濕度變化等影響下，遺跡根部酥堿、表面結(jié)皮剝落、崩塌。

4) 從實(shí)驗(yàn)的兩組含水率變化曲線(xiàn)之間的差距可以發(fā)現(xiàn)，微環(huán)境對(duì)表層土壤含水率變化也有很大的影響，所以對(duì)考古現(xiàn)場(chǎng)土遺跡的保護(hù)應(yīng)該采取多方位、多手段監(jiān)測(cè)，對(duì)病害產(chǎn)生部位及時(shí)發(fā)現(xiàn)、研究、制定并采取有效的保護(hù)措施。

參考文獻(xiàn)

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Study On the Effection of Evaporation On the Moisture Content of Earthen Archaeology Sites

SUN Li-juan1，HANMing2，ZHANG Zhong-li3，DINGYan3

(1.Cultural heritage preservation academy of Northwestern University, Xi’an Shaanxi Province,710069,PR China；2.Center of Culture Relics Conservation of Xinjiang, Urimqi 83000,PR China；3.Shaanxi Provincial Institute of Archaeology,Xi’an 710054,China 4Key Laboratory of Cultural Heritage research and conservation (Northwest University),Ministry of Education Xi’an 710069, China)

Abstract:Purpose Analyzing the influence of the environmental evaporation capacity exerting on the earthen site diseases; Method By recording and analyzing the appearance changes、the moisture content grading regularity of different depth、microscopic morphology and soluble salt, it is possible to explore the corresponding rule between environmental evaporation capacity changes and moisture content variations as well as the grading regularity law between moisture content changes and the diseases on the site. Result at the early stage of the exposion, the evaporation capacity greatly affects the samples, those simulated ones degraded swiftly, diseases such as cracks、crust and chap appear at the exposion stage of the early 24h and 11mm accumulated evaporation capacity; For those high-moisture content samples, evaporation capacity has little effect on the site, there will be heavy crust and soluble salt with evaporation capacity reaching 19% and moisture content plummeting to approximate 5%.Conclusion for those sites with moisture content under plastic limit, evaporation capacity variation presents a progressive rule on the deterioration of the sites, there is the most obvious deterioration when the early environmental accumulated evaporation capacity reaches 11mm.Those sites with moisture content around the liquid limit is directely affected by the moisture content, it deteriorates swifty while the moisture content changes from 19% to 5%.

Key words:Excavated archaeological earthen sites；Evaporation capacity and Moisture content.

[收稿日期]2015-09-28

[基金項(xiàng)目]陜西省教育廳哲學(xué)社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地科研計(jì)劃項(xiàng)目(11JZ040)；西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

[作者簡(jiǎn)介]孫麗娟(1977-)，女，遼寧錦州人，講師，研究方向：文物保護(hù)材料學(xué)、有機(jī)質(zhì)文物保護(hù)及土遺址文物保護(hù)的教學(xué)科研工作。

[中圖分類(lèi)號(hào)]P641.12

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)01-0012-04

開(kāi)放課題基金資助(06LCD19)項(xiàng)目資助