龍門石窟張夏組鮞?；?guī)r特征及溶蝕試驗研究

竇 彥，嚴紹軍，王 磊，陳嘉琦，張新鵬

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)，湖北武漢 430074； 2. 深圳公路交通工程試驗檢測中心，廣州深圳 518000 )

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龍門石窟張夏組鮞粒灰?guī)r特征及溶蝕試驗研究

竇 彥1，嚴紹軍1，王 磊1，陳嘉琦1，張新鵬2

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)，湖北武漢 430074； 2. 深圳公路交通工程試驗檢測中心，廣州深圳 518000 )

張夏組碳酸鹽巖是龍門石窟主要造窟地層，水巖作用強烈。近年來酸雨進一步加劇了龍門石窟碳酸鹽巖的溶蝕。為了對龍門石窟的保護提供相關(guān)資料，需進一步探討鮞?；?guī)r的抗風化能力。為此，對東山石窟區(qū)所在張夏組分層、取樣，進行成分、微觀結(jié)構(gòu)分析，并通過室內(nèi)酸雨溶蝕模擬實驗來研究張夏組地層的溶蝕規(guī)律。研究表明，龍門石窟張夏組各地層溶蝕差異較大，其單位面積溶蝕質(zhì)量與鈣鎂比正相關(guān)；鮞?；?guī)r風化后表面粗糙度與鮞粒含量密切相關(guān)；研究區(qū)張夏組鮞粒成分主要為白云石，鮞?；?guī)r的抗化學(xué)侵蝕能力比普通灰?guī)r更強。通過對張夏組地層巖性的分析及其溶蝕規(guī)律的研究，為龍門石窟的保護提供了基礎(chǔ)科學(xué)資料。

張夏組；鮞?；?guī)r；溶蝕規(guī)律

0 引 言

龍門石窟具有極高的歷史、藝術(shù)價值。一千五百多年來，在各種地質(zhì)營力以及人為因素的作用下，石窟受到各種破壞，造像表面風化嚴重。劉仁植等[1]在對云岡石窟的研究中認為，石窟表面主要存在表面污染與變色、表面層風化、表面生物病害、修補殘留及水斑等5 大類污染物病害，而龍門石窟主要開鑿于碳酸鹽巖上，還存在危巖體滲水等病害。龍門石窟附近廠區(qū)礦區(qū)的建設(shè)開發(fā)，大大加重了石窟區(qū)的空氣污染，空氣中SO2含量超標，進一步加劇了龍門石窟灰?guī)r的風化速率。張夏組地層主要為鮞粒灰?guī)r，鮞粒灰?guī)r的風化與一般灰?guī)r相比，同時受鮞粒性質(zhì)的影響[2]。鮞?；?guī)r形成在水動力較強烈的環(huán)境之下[3]，當環(huán)境溫度高、海水蒸發(fā)量大的時候，在海水的攪動之下，CO2氣體溢出，過飽和的碳酸鈣包裹懸浮的碎屑物質(zhì)，形成獨特的鮞粒結(jié)構(gòu)[4]。在我國，塔里木盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地[5]、華北平原等地區(qū)均發(fā)育有鮞?；?guī)r，而華北地區(qū)張夏組鮞粒灰?guī)r為我國鮞?；?guī)r研究的典型段帶。狄明信等[6]編制了華北地區(qū)張夏期巖相古地理圖，主要為鮞?；?guī)r，其發(fā)育剖面類型多樣，巖性發(fā)育具分區(qū)性。80年代中后期，旋回地層學(xué)廣泛應(yīng)用于沉積巖的研究中，進一步促進了對鮞?；?guī)r的研究[7]。華北地區(qū)中寒武世時在陸表淺海形成了以鮞粒灘相為主的碳酸鹽巖沉積序列[8]。華北地臺北緣張夏組地層為潮下型碳酸鹽米級旋回層序[7]。孫長彥等[9]對豫西地區(qū)寒武系第三統(tǒng)張夏組米級旋回層序進行了識別與劃分，其中洛陽地區(qū)張夏組米級旋回層序非常發(fā)育，復(fù)雜多樣，后生生物主導(dǎo)的米級旋回層序強烈發(fā)育。鮞粒類型多樣，李妲[10]對豫西中寒武統(tǒng)鱺粒類型研究統(tǒng)計，認為洛陽地區(qū)鮞粒類型主要為同心-放射鮞、白云石化鮞、微晶鮞、同心鮞、純放射鮞和單晶鮞或多晶鮞6種。碳酸鹽巖溶蝕受碳酸鹽礦物成分，巖石結(jié)構(gòu)、溫度、溶液酸堿性質(zhì)、水動力條件以及表面反應(yīng)和擴散作用[11-13]等因素的影響控制。本研究通過對研究區(qū)張夏組灰?guī)r地層的巖性及風化特征，結(jié)合室內(nèi)風化模擬實驗，進一步探討鮞?；?guī)r的抗風化能力。

1 石窟區(qū)地層巖性及風化特征

龍門石窟位于河南省洛陽市，屬于溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。石窟區(qū)地貌上處于伏牛山、嵩山山前地帶，屬于構(gòu)造剝蝕地山丘陵地貌，區(qū)內(nèi)主要地貌單元為龍門山和伊河河谷；龍門山被伊水橫切，形成深切峽谷，分為東山和西山。構(gòu)造上位于龍門山—香山斷塊內(nèi)，石窟區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造整體為傾向NNW的單斜構(gòu)造，巖層傾向為340～10°，傾角為20～30°，主要構(gòu)造為斷層和節(jié)理，無褶皺發(fā)育。東山石窟主要雕刻于寒武系中統(tǒng)徐莊組與張夏組地層之上，其中張夏組可進一步細分為十層。對各層取樣分析，巖樣的主要化學(xué)成分為CaO、MgO以及SiO2、Al2O3和TFe2O3等酸的不溶物，其中CaO和MgO的總含量均在95%以上，純度較高，而酸的不溶物含量很少，普遍低于3%(表1)。

表1 龍門石窟張夏組地層巖性特征

Table 1 Stratigraphic and lithologic characteristics of the Zhangxia Fm in Longmen Grottoes

從微觀結(jié)構(gòu)(圖1)可以明顯的看出，這套張夏組地層可以分為兩種巖性，一種是鮞粒發(fā)育的鮞粒灰?guī)r，如第①層、第②層、第③層、第④層、第⑤層、第⑨層和第⑩層；一種是細晶或斑晶灰?guī)r，如第六層、第七層和第八層。鮞粒粒徑在250～500μm之間，主要類型為薄皮鮞， 含有少量橢形鮞和放射鮞及橢形放射鮞(圖1④)。研究區(qū)鮞粒多發(fā)生重結(jié)晶作用及壓溶作用，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不明顯。各層均可見球形殘余顆粒，第③層、第⑩層壓實作用明顯，可以看到破碎的鮞粒(圖1③、⑩)，部分鮞粒內(nèi)部發(fā)生交代作用，可看到自形白云石結(jié)晶(圖1⑨)。巖石局部發(fā)生壓溶作用，形成縫合線(圖1②、⑤)。鮞粒的核心多由磨圓的碎屑及介形蟲、有空蟲等生物碎屑組成，鮞粒的形狀多受核心的形態(tài)影響，結(jié)構(gòu)特征如表2所示。研究區(qū)白云巖化作用強烈，壓溶，重結(jié)晶，硅化作用次之。

①～⑩分別為從下到上十個地層的薄片鑒定照片 圖1 研究區(qū)寒武系張夏組灰?guī)r顯微結(jié)構(gòu)特征

表2 各層巖樣鮞粒特征

從掃描電鏡中(圖2)可以看出，研究區(qū)鮞?；?guī)r的主要成分為淺灰色的方解石、深灰色的白云石及少量的高亮度的金屬礦物?；|(zhì)的主要成分為方解石，鮞粒的主要成分為白云石(圖2(a))，可以看到菱形白云石晶體(圖2(b))，在鮞粒邊緣形成環(huán)狀的溶蝕溝(圖2(b))，部分鮞粒內(nèi)部含有較多的黃鐵礦(FeS2)等金屬礦物(圖2(c)(d))與少量的黏土礦物。

圖2 研究區(qū)鮞?；?guī)r表面形貌環(huán)境掃描和能譜分析圖像

2 室內(nèi)風化模擬實驗

2.1 實驗原理

研究區(qū)腐蝕碳酸鹽巖膠結(jié)物中CaCO3或CaMg(CO3)2的過程如下：

空氣中的SO2與水汽反應(yīng)生成H2SO3：

SO2+H2O→H2SO3

(1)

氧氣與亞硫酸反應(yīng)生成硫酸：

2H2SO3+O2→2H2SO4

(2)

石窟區(qū)地層中含有較多的黃鐵礦，氧化與水反應(yīng)生成硫酸：

(3)

(4)

(5)

硫酸與巖石中的鹽酸鹽礦物反應(yīng)[15]：

(6)

(7)

2.2 實驗步驟

本次實驗?zāi)M酸雨對龍門石窟張夏組十個地層碳酸鹽巖的溶蝕情況，對比不同巖性灰?guī)r的抗溶蝕能力。將每層巖樣制成三個2cm×2cm×0.5cm的巖塊，試驗前對巖塊進行清洗，在室內(nèi)溫度30℃下晾干12h，宏觀描述、稱重；將樣品分別放入壓力鍋中的10個燒杯中，反應(yīng)溶液為100mL 初始pH值為5的H2SO4溶液；密封試驗裝置，抽干空氣，通入CO2氣體，調(diào)整壓力閥，使裝置內(nèi)CO2的濃度恒定為8000μL/L，控制室溫為25℃；每隔12h，將樣品取出，測定溶液的pH值，用蒸餾水清洗巖樣，在30℃下晾干12h，測定樣品質(zhì)量，每隔24h測定試樣的表面粗糙度。重復(fù)上述步驟，直至溶蝕反應(yīng)停止。實驗裝置如圖3所示，其他儀器主要有電子天平、150mL的燒杯、鑷子和TR500輪廓粗糙度測試儀等。

1. CO2氣瓶; 2. 兩通管; 3. 壓力表; 4. 三通管; 5. 壓力鍋; 6. 燒杯; 7. 溫度控制器 圖3 實驗裝置示意圖

2.3 實驗結(jié)果與討論

本次實驗中，巖樣的質(zhì)量隨著反應(yīng)的進行不斷減小，反應(yīng)進行到第七次之后，試樣的質(zhì)量變化，溶蝕反應(yīng)速率緩慢。單位面積溶蝕質(zhì)量為：

ms=Δm/S

(8)

式中，S為巖樣表面積，單位為mm2；Δm為相對溶蝕質(zhì)量，單位mg；ms為單位面積溶蝕質(zhì)量，單位為g/m2。

取每個地層的三個試樣的單位面積溶蝕質(zhì)量平均值，求得到每個地層巖樣的單位面積溶蝕質(zhì)量。本實驗最終單位面積溶蝕質(zhì)量及粗糙度變化百分比如圖4、圖5所示：

圖4 各個地層巖樣鈣鎂比與單位面積溶蝕質(zhì)量

圖5 各個地層巖樣鮞粒含量與粗糙度變化百分比

實驗結(jié)果可以看出，在相同的溶蝕環(huán)境下，不同的巖層的溶蝕量差異很大。各巖層的溶蝕差異與鈣鎂比及鮞粒含量的差異相一致。第⑥層巖樣單位面積溶蝕質(zhì)量及表面粗糙度變化百分比均達到最大，分別為15.5g/m2，64.29%；第①層的巖樣單位面積溶蝕質(zhì)量及表面粗糙度變化百分比均為最小值，分別為7.4g/m2，17.39%?？傮w來看，下五層巖層的單位面積溶蝕質(zhì)量遠低于上五層，第①層單位面積溶蝕質(zhì)量最小，巖樣的表面粗糙度變化百分比與溶蝕量的差異一致。這可能是因為張夏組下部地層的含泥量高，灰?guī)r質(zhì)地不純；而上部地層為較純灰?guī)r，可溶蝕性好。第①層巖層含有大量的泥質(zhì)成分，是相對隔水層，最難溶蝕。

從圖4中可以看出，巖樣的鈣鎂比與單位面積溶蝕質(zhì)量有著較好的正相關(guān)性，鈣鎂比越大，單位面積溶蝕質(zhì)量越大。王煒等[1]研究不同類型鮞?；?guī)r的溶解動力學(xué)特征時發(fā)現(xiàn)，在常溫常壓的弱酸環(huán)境中，灰?guī)r中白云質(zhì)含量越高，灰?guī)r溶解越慢，且Ca2+的溶解速率比Mg2+高出近一個數(shù)量級。

一般來說，碳酸鹽巖溶蝕優(yōu)先發(fā)生于構(gòu)造裂縫、鮞粒結(jié)合紋、顆粒晶體結(jié)合帶等結(jié)構(gòu)薄弱帶。鮞粒結(jié)構(gòu)對碳酸鹽巖的溶蝕有促進作用。但對比圖4、圖5，鮞粒含量高的巖石樣品單位面積溶蝕質(zhì)量相對較小。而從圖5中可以看出，鮞粒含量與粗糙度正相關(guān)，鮞粒含量越高，粗糙度變化百分比越大。研究區(qū)鮞粒成分主要為白云石，不易被溶蝕。當基質(zhì)被溶蝕風化后，鮞粒突出，表面粗糙。鮞粒灰?guī)r的單位面積溶蝕質(zhì)量普遍低于細晶灰?guī)r和斑晶灰?guī)r，即相較于普通灰?guī)r，鮞?；?guī)r抗溶蝕能力更強。另外，鮞?；?guī)r在形成過程中，鮞粒的結(jié)構(gòu)更趨于穩(wěn)定，鮞粒結(jié)構(gòu)里面的基質(zhì)更加緊密，難以破壞，更能適應(yīng)水動力強烈的環(huán)境，這使其在溶蝕的過程中與普通灰?guī)r產(chǎn)生了不同的變化規(guī)律。

酸-巖反應(yīng)速率主要受酸液體系的傳質(zhì)速率與酸-巖表面的反應(yīng)速率兩個因素的影響，各巖樣溶液pH值變化曲線如圖6、表3。從中可以看出，各組巖樣的反應(yīng)速率相近，初始24小時巖樣反應(yīng)劇烈，隨反應(yīng)進行，H+離子濃度降低，表面酸易溶物減少。當實驗進行到第4次后，反應(yīng)緩慢，pH值穩(wěn)定于pH=8左右，溶液呈弱堿性。這主要是因為酸不足量，溶液變?yōu)閴A性。同時，巖石表面附著反應(yīng)生成的難溶的硫酸鈣以及殘余的不易與酸發(fā)生反應(yīng)的白云石及泥質(zhì)成分等阻止了反應(yīng)的發(fā)生。而在龍門石窟采得的地下水水樣呈酸性，并未完全反應(yīng)，這說明碳酸鹽巖的化學(xué)風化是受限制的，但風化后的巖石強度降低，表面易剝落。這使其內(nèi)部的新鮮巖石面裸露，繼續(xù)發(fā)生化學(xué)風化，即化學(xué)風化作用與物理風化作用相互促進。

圖6 各巖樣溶液pH值變化曲線圖

本研究主要對龍門石窟張夏組地層特征進行了研究說明，并通過實驗?zāi)M驗證不同特征碳酸鹽巖的風化差異。對不同巖性的碳酸鹽巖進行了溶蝕對比，但沒有考慮溶液酸性強度，溫度等其他因素。今后會選取代表性地層，對本次實驗中鮞?；?guī)r所表現(xiàn)出的抗溶蝕能力進行進一步的研究。

3 結(jié) 論

1) 龍門石窟東山石窟區(qū)所在的張夏組地層主要為碳酸鹽巖，可細分為十層，從下往上，第①～⑤與⑨、⑩層為鮞?；?guī)r。

2) 研究區(qū)鮞粒成分主要為白云石，鮞粒類型主要為薄皮鮞和亮晶鮞，受鮞粒結(jié)構(gòu)特殊性的影響，研究區(qū)鮞?；?guī)r抗酸溶蝕能力更強。

3) 龍門石窟張夏組鮞粒灰?guī)r表面粗糙度受鮞粒含量的影響。鮞粒含量越高，風化后，巖石表面越粗糙。

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(責任編輯 潘小倫)

Characteristics and dissolution test of Oolitic limestone from Zhangxia Formation in the Longmen Grottoes

DOU Yan1, YAN Shao-jun1, WANG Lei1, CHEN Jia-qi1, ZHANG Xin-peng2

(1.ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China; 2.ShenzhenTrafficConstructionEngineeringTest&DetectionCenter,Shenzhen518000,China)

The main parts of the Longmen Grottoes were hewn in carbonate rocks of the Zhangxia Formation (Zhangxia Fm),in which water-rock interaction is intense. Acid rain has further aggravated the problem of dissolution of carbonate rocks over the years. Carbonate rocks were grouped and sampled,in order to analyze their compositions and microstructures and to study their dissolution in an erosion experiment simulating acid rain.This experiment has be done in order to determine the laws controlling dissolution of the carbonate rocks of Zhangxia Fm. Results of the simulation experiment show that the rates of dissolution are different for each layer of Zhangxia Fm. The dissolving quality per unit area correlated positively to the Ca / Mg molar ratio in the carbonate rocks. The surface roughness of weathered oolitic limestone and ooides were closely related. Oolitic limestone is more resistant to chemical corrosion than ordinary limestone in the area studied. The conclusion of this research could serve as a kind of basic information for protection of the Longmen Grottoes.

Zhangxia Formation; Oolitic limestone; Dissolution law

2016-05-13；

2016-09-16 基金項目：國家文物局項目(40972183)資助 作者簡介：竇 彥(1992—)，女，碩士研究生，研究方向為巖土文物保護。中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，E-mail: 391082183@qq.com 通訊作者：嚴紹軍(1973—)，男，博士，副教授，主要從事巖土文物保護工作。中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，E-mail: Shaojuncug@qq.com

1005-1538(2017)03-0060-07

K879.23

A