淺析關(guān)中地區(qū)砂巖文物風(fēng)化成因及保護(hù)方法

摘 要：陜西關(guān)中地區(qū)的砂巖質(zhì)摩崖造像群、碑石文物分布眾多，是民族的象征和該地區(qū)的文化標(biāo)志。由于各地自然環(huán)境、地質(zhì)條件千差萬別，分布在不同環(huán)境中的砂巖石刻群、碑石文物處于迥然不同的賦存環(huán)境中，在物理、化學(xué)、生物等風(fēng)化作用下，產(chǎn)生諸多病害，因此，應(yīng)因地制宜的制定砂巖文物保護(hù)和防風(fēng)化治理方法。

關(guān)鍵詞：關(guān)中地區(qū)；砂巖文物；保護(hù)對策

我國的砂巖質(zhì)石質(zhì)文物多是在天然巖體上刻鑿的摩崖造像群，分布較為廣泛，且等級較高，規(guī)模之宏大是世界上罕見的。陜西關(guān)中地區(qū)的砂巖質(zhì)摩崖造像群、碑石文物分布亦較多，最具代表性的是世界文化遺產(chǎn)——咸陽彬縣大佛寺石窟，該類文化遺產(chǎn)是傳承中華文明的載體，民族的象征和該地區(qū)的文化標(biāo)志，具有非常豐富歷史文化信息。而由于各地自然環(huán)境、地質(zhì)條件千差萬別，分布在不同環(huán)境中的砂巖石刻群、碑石文物處于迥然不同的賦存環(huán)境中，在物理、化學(xué)、生物等風(fēng)化作用下，產(chǎn)生諸多病害，因此，砂巖文物保護(hù)和防風(fēng)化治理考慮的角度應(yīng)因地制宜。

一、地質(zhì)環(huán)境

砂巖由石英顆粒形成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，通常呈淡褐色或紅色，主要含硅、鈣、黏土和氧化鐵。砂巖是一種沉積巖，主要由砂粒膠結(jié)而成的，其中砂粒含量要大于50%。絕大部分砂巖是由石英或長石組成的。砂巖是由骨架顆粒、填隙的碎屑粉砂和粘土、化學(xué)膠結(jié)物以及相互連結(jié)的網(wǎng)狀空間或空隙所組成的。

陜西省沉積巖以分布廣泛，海、陸相均較發(fā)育，環(huán)境多樣，物源復(fù)雜，巖類較多，成巖后生作用明顯，時空上多種巖類共生互變?yōu)樘攸c(diǎn)。其中砂巖分布的時代和層位較為豐富。海相砂巖，穩(wěn)定區(qū)以成熟度高的石英砂巖為主，雜基較少；活動帶以長石石英砂巖及粉砂巖為主，泥質(zhì)雜基成分較高。陸相砂巖，以長石砂巖為主，其次為巖屑砂巖。

關(guān)中地區(qū)紅砂巖地層分布也較為廣泛，紅砂巖因其巖礦中富含較多紅色、深紅色或褐色的氧化物而得名。其結(jié)構(gòu)主要有兩種形式，分別為粒狀碎屑結(jié)構(gòu)和泥狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)，因其中所含膠結(jié)物及風(fēng)化因素的不同，導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度差異較大。

二、關(guān)中地區(qū)砂巖風(fēng)化成因

關(guān)中地區(qū)砂巖質(zhì)文物多暴露于大氣環(huán)境中，由于環(huán)境的交替變化，不斷發(fā)生干濕循環(huán)過程，砂巖的顆粒級配會發(fā)生變化，宏觀上物理力學(xué)性質(zhì)會隨之發(fā)生變化。氣溫的反復(fù)變化以及各種氣體、水溶液和生物的活動，致使砂巖文物發(fā)生風(fēng)化，削弱、破壞砂巖巖體顆粒間的連接，形成、擴(kuò)大巖體裂隙，降低斷面粗糙程度，極易崩解成較小的碎塊，由堅(jiān)硬變得疏松。經(jīng)過調(diào)研關(guān)中地區(qū)砂巖質(zhì)文物，其風(fēng)化按照成因可分為物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化三種類型[ 1 ]。

（一）物理風(fēng)化

砂巖質(zhì)文物因溫度變化及巖石空隙中水和鹽類物質(zhì)的物態(tài)變化，使石刻巖體發(fā)生機(jī)械破壞而不改變其化學(xué)成分的過程，物理風(fēng)化作用使巖體產(chǎn)生許多裂紋和逐層剝落。導(dǎo)致該類風(fēng)化因素主要有溫差作用、冰劈作用、巖石釋重及鹽類結(jié)晶的膨脹作用等[ 2 ]。

（二）化學(xué)風(fēng)化

該地區(qū)砂巖質(zhì)文物多為粗粒石英砂巖，主要成分為石英、長石、云母，膠結(jié)物成分為碳酸鹽礦物與泥質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)物等。膠結(jié)泥質(zhì)的微粒，機(jī)械作用下易變成渣泥狀，其吸水性極易增強(qiáng)，在飽水狀態(tài)下容易發(fā)生水化作用，致使泥質(zhì)微粒體積增大，造成砂巖體積膨脹。水溶液與砂巖質(zhì)文物中礦物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，逐漸分解，結(jié)構(gòu)構(gòu)造遭到破壞，巖石的成分發(fā)生變化。干濕交替產(chǎn)生的應(yīng)力使砂巖產(chǎn)生微小裂隙，多次反復(fù)，最后成粉狀或片狀脫落。破碎后重新組合的泥質(zhì)紅砂巖，粘結(jié)性能差，易松散，強(qiáng)度具有不可逆轉(zhuǎn)性[ 3 ]。

（三）生物風(fēng)化

部分砂巖質(zhì)文物表面長有草類和苔蘚類，植物根系在巖體的裂隙中生長，對裂隙兩壁產(chǎn)生壓力，最終導(dǎo)致巖體破裂。生物的新陳代謝的分泌物和生物死亡后的有機(jī)體的腐爛分解產(chǎn)物易析出有機(jī)酸、硝酸、碳酸等溶液，礦物中的金屬離子與酸中的羧基反應(yīng)生成難溶鹽沉淀物。

三、保護(hù)方法

砂巖質(zhì)文物保護(hù)處理一般遵循不改變文物原貌、保護(hù)材料可再處理性和最小干預(yù)等原則。根據(jù)石質(zhì)文物風(fēng)化機(jī)理合理制定保護(hù)方法，多數(shù)砂巖質(zhì)文物置于大氣環(huán)境中，環(huán)境控制不易操作。目前較為常用的方法是化學(xué)保護(hù)方法，而針對砂巖的特性，多選取與保護(hù)對象結(jié)合的比較好、具有一定滲透深度及加固強(qiáng)度的材料對已風(fēng)化而瀕臨危險的文物進(jìn)行滲透加固保護(hù)及必要的表面防護(hù)處理，以減緩或阻止其損毀。砂巖保護(hù)材料要求粘度低、滲透性或可灌性好，材料抗老化性能良好，材料具有良好的附著力。目前國內(nèi)外較為常用的化學(xué)保護(hù)材料主要分為無機(jī)材料、有機(jī)材料和新型材料。

國內(nèi)外常用的無機(jī)加固材料有石灰水、氫氧化鋇、堿土硅酸鹽及氟硅酸鹽等。有機(jī)加固劑分為小分子化合物和聚合物兩類，小分子化合物目前用得較多的有德國Remmers300，聚合物類有丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅樹脂等。由于在長期的應(yīng)用中，部分無機(jī)材料和有機(jī)材料存在一定的問題，如無機(jī)材料加固后易產(chǎn)生不相容的硬殼，形成可溶鹽造成鹽結(jié)晶破壞；有機(jī)高分子防護(hù)材料在野外實(shí)際有效壽命達(dá)不到文物保護(hù)要求，失效的防護(hù)材料易產(chǎn)生泛黃、粉化和堵塞微孔等不可逆的作用，有機(jī)防護(hù)膜憎水性會使石頭的內(nèi)外層產(chǎn)生顯著的濕度梯度而容易造成應(yīng)力破壞。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，文物保護(hù)工作者們不再將目光鎖定在傳統(tǒng)的加固保護(hù)材料上，而是試圖研究和開發(fā)出新型的對砂巖質(zhì)文物損傷更為微小的新型材料。新型納米材料[ 4 ]具有超雙親界面特性、透明及防遮蓋特性、耐腐蝕抗氧化性及耐紫外線和抗老化等特性。納米材料作為一種新型的加固保護(hù)劑也得到了廣泛的關(guān)注，目前應(yīng)用于防風(fēng)化劑中的納米材料主要有二氧化硅、二氧化鈦、碳酸鈣、氧化鋅、氧化鐵等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭宏.文物保存環(huán)境概論[M].北京：科學(xué)出版社， 2001，214-216.

[2] 南京博物院.石質(zhì)文物保護(hù)與研究[M].南京：江蘇美術(shù)出版社， 2013，1-10.

[3] 曾清林.水對泥質(zhì)紅砂巖的影響研究[D].華南理工大學(xué)，2012.

[4] 溫曉龍.納米材料在石質(zhì)文物保護(hù)中的應(yīng)用與展望[J].文物世界，2004，05：77-78.

資助項(xiàng)目：

陜西省教育廳專項(xiàng)基金（15JK1795）

作者簡介：戎巖（1984-），男，陜西咸陽人，咸陽師范學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院講師，研究方向?yàn)槲幕z產(chǎn)保護(hù)與規(guī)劃。