藻菌共生體對樂山大佛紅砂巖風化影響初探

□ 黃繼忠 宋紹雷 董海燕

陳學萍 彭學義

樂山大佛坐落于四川省樂山市城東南，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，背負凌云九峰，腳踏三江匯流，面對峨嵋三山，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。大佛兩側崖壁上還有眾多各具神態(tài)的石刻，是唐朝石刻藝術創(chuàng)作的代表作品，具有非常高的文物價值[1]。自1949年以后，樂山大佛相繼被公布為四川省文物保護單位、全國重點文物保護單位，并在1996年被聯合國教科文組織列為“世界文化與自然遺產”。

經過千百年的自然風化，特別是隨著近代工業(yè)的發(fā)展，樂山大佛石刻的風化問題異常嚴重。目前，樂山大佛的保護問題得到越來越多的關注，四川省文物考古研究所、樂山大佛烏尤文物保護管理局等對樂山大佛開展了包括石刻的維護歷史沿革、形體特征測量、水文地質構造、修復材料研制等一系列調查和研究。上世紀以來，相關部門及組織先后對樂山大佛進行了七次（1914、1934、1962-1963、1968、1990、1996、2001-2002）規(guī)模較大的表面維護，解決了大佛的穩(wěn)定性問題。然而，由于大佛依江而建，在濕潤氣候條件下，佛體表面為苔蘚、藻類等的生長創(chuàng)造了良好的環(huán)境。因此，佛體上的植被、苔蘚、藻類等在每次清除后不久又重新生長，對大佛造成新的傷害。從巖體表面觀測結果來看，各種苔蘚、藻類等生長范圍和數量較大，從大佛旁邊佛龕造像的風化程度推斷，其風化剝離的深度達到幾厘米至十幾厘米的范圍，苔蘚、藻類等的生長對大佛表面的侵蝕是造成樂山大佛石刻風化問題的主要原因之一。

此外，由于藻類等周期性生長后會在巖石表面形成脫水、收縮、起皮、剝落現象，從而暴露出新的巖石面，加劇巖體的損毀程度[2]。因此，針對樂山大佛風化的問題，本文分析了其病害現狀，并從巖石化學成分、物相結構和微觀結構等方面研究了藻菌共生體等對巖石作用的效應以及風化機理，可為樂山大佛文物保護及修復提供理論基礎和科學依據。

一、樂山大佛表面病害現狀

圖一 樂山大佛及九曲棧道表面現狀

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

二、藻菌共生體對大佛區(qū)域紅砂巖的影響研究

1.藻菌共生體對紅砂巖化學成分與物相結構影響研究

為了研究藻菌共生對樂山大佛紅砂巖風化破壞的影響，在樂山大佛烏尤文物保護管理局的協助下，選擇與大佛毗鄰的九曲棧道旁巖石為研究對象，在九曲棧道不同位置取樣，并對不同的風化樣品進行成分分析和物相結構分析，化學組成檢測儀器采用X射線熒光光譜儀（島津XRF-1800,日本），結果如表1。

對樂山大佛的九曲棧道部分風化紅砂巖進行XRF成分檢測，主要化學成分為SiO2、CaO和Al2O3，同時含有較多的Fe2O3，顆粒堅硬但結合不緊密，表面有輕微的細粉化現象，從XRF結果中可以發(fā)現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)現有少量的Cl，這與它們在生長周期內富集了一定量的鹽類有關。LS-2號樣中發(fā)現含量較高的SO3，從表觀觀測，LS-2樣品顏色偏黑，藻菌共生體殘留相對較多，這與菌類生長過程中分泌物有關。同時發(fā)現Fe2O3和MgO的相對含量存在一定的關系，Fe2O3含量高時，MgO含量也高，這可能是由于鐵質膠結物包裹的含鎂碎屑在藻菌共生體侵蝕下風化，經過雨水的沖刷流失而引起的[5]。

圖二 樂山大佛風化巖石樣XRD圖譜

表1 樂山大佛風化紅砂巖XRF主要元素含量（%）×

圖三 樂山新鮮紅砂巖微觀形貌

采用日本理學D/max2200 對采自不同位置點風化巖石樣進行物相結構分析，結果如圖二所示。5個不同位點主晶相一致，為石英、鈣（鈉）長石和方解石，膠結物主要為鈣質膠結物，含有少量鐵質膠結物。但位點不同，物相組成也略有不同。LS-2中方解石譜峰削弱，說明在風化樣中含量較低，同時可觀測到石膏相的存在。結合XRF分析結果，LS-2中Ca含量與其他四個樣品并無太大變化，但S含量比其他高出很多，連兵等[6]認為藻菌共生體對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，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源的過程中，分解的方解石在水的作用下與S源反應生成石膏相等[7]。這進一步說明了藻菌共生體對砂巖的化學成分和物質組成的影響。

2.藻菌共生體對紅砂巖微觀結構影響研究

為了進一步考察藻菌共生體對紅砂巖微觀結構的影響，分別取生長有藻菌共生體的風化樣、一般風化樣和新鮮巖石樣進行微觀結構觀測，巖石表面形貌通過場發(fā)射掃描電鏡（Ultra 55，Carl Zeiss，Germany）觀察，并利用 EDS（Xmax,Oxford Instruments,England）對樣品進行成分信息采集。

圖三呈現的是樂山新鮮紅砂巖的表面形貌，從低倍數圖中可以看出，顆粒大小不一，結合不緊密，這與巖石成巖時所處的環(huán)境密切相關，局部放大顆粒表面清晰可見褶皺狀結構，這些應是顆粒間的膠結物，說明大顆粒未受到明顯的風化侵蝕。

圖四所示是樂山風化樣品由風化表層向內部觀測時的微觀結構。風化外表層顆粒之間結構疏松，有細粉化現象，隨著觀測深度的加大，可以看到褶皺狀結構呈現增多趨勢，同時褶皺紋路變得更加清晰。與圖3相比可以看出，樂山風化樣品中褶皺狀結構數量相對較少，說明樂山紅砂巖在風化過程中發(fā)生膠結物溶蝕現象。

圖四 樂山風化樣品表面形貌

圖五 表面生長過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，巖石表面呈現松散的粒狀顆粒結構（圖五，a），未見膠結結構，說明巖石已受到明顯風化。通過觀察發(fā)現，在巖石表面生長的藻菌共生體主要為苔蘚、地衣以及一些藻類。它們一般在潮濕環(huán)境同時出現，隨著周圍生長環(huán)境適宜程度的增強，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[8][9]苔蘚的假根會深入到巖石內部，對紅砂巖表面起到物理性破壞的作用。根系在呼吸過程中產生的CO2與周圍的水及巖石本身形成一個弱酸性的微環(huán)境，藻菌共生體生長過程中也會產生一些酸堿分泌物，使紅砂巖顆粒間的膠結物發(fā)生腐蝕溶解，進而造成巖石酥松剝落。在樣品的表面隨處可見多種形態(tài)的硅藻（圖五，b-d），由于其胞外物質的分泌和絲狀物質的產生，硅藻得以附著在巖石表面，進一步與細菌、真菌和其他藻類發(fā)展成更復雜的生物群落，具有較強的侵蝕作用，加速了巖石表面的風化[10][11]。

圖六所示為距生長過藻菌共生體巖石樣表面不同位置的微觀形貌。區(qū)別于單一風化樣的微觀形貌，生長過藻菌共生體后顆粒表面觀測不到膠結物的存在，且出現明顯的層片狀結構和絲網狀。在距離藻菌共生體生長面較遠的位置發(fā)現有針狀結構（圖六，d），能譜結果顯示為 Ca，C，O，推測應為CaCO3。在自然環(huán)境下，雨水沿裂隙或孔隙進入巖石內部侵蝕顆粒之間的膠結物，由于不同礦物抗侵蝕能力不同，從而導致顆粒表面呈現層片狀結構[12][13]。與風化樣相比，由于巖石表面生長過藻菌共生體，在藻菌共生體生長周期內產生的分泌物會對巖石起到一定的風化作用，這與表面作用機制類似，在水的作用下發(fā)生溶蝕，從而在顆粒表面呈現出多孔結構和細粉包裹現象。通過對照分析生長過藻菌共生體的巖石與一般風化樣發(fā)現，生長過藻菌共生體后，巖石風化情況更加嚴重，膠結物幾乎觀測不到，在顆粒表面形成疏松多孔層，這為巖石表面水進一步向巖石內部風化提供了有利的條件。四川文物考古研究院曾對生長過苔蘚的巖石進行研究，發(fā)現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，增加了巖石的持水量，延長了巖石和水相互作用時間，進一步促進了大佛紅砂巖的風化。除了這些藻菌共生體外，巖石上還生長有木本植物，它們的根系深入巖石內部，為雨水浸入巖體內部提供了通道，加速了內部巖石的風化。

三、結 論

通過現場對樂山大佛的病害現狀調查，發(fā)現佛體受水害、植物及藻菌共生體侵害嚴重，特別是藻菌共生體對砂巖文物的影響不應忽視。對于一般風化巖石樣而言，由于表面膠結物的消失出現粉化現象，但樣品內部仍可觀測到膠結物的存在，而生長過藻菌共生體的巖石表面出現了粉化、起翹、剝落等現象，向內觀測有網格及針狀結構，侵蝕深度更深，淺表層觀測不到膠結物的存在。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部進一步風化創(chuàng)造了條件，另一方面使砂巖中的膠結物受到更多的侵蝕，砂巖結構受到破壞，藻菌共生體的存在加劇了砂巖文物表面的風化速度。

本文得到上海市文教結合項目“與國家文物局共建中華優(yōu)秀傳統文化傳承平臺”以及上海市文化遺產保護創(chuàng)新團隊等資助。

[1]袁金泉《樂山大佛的研究與保護》，《四川文物》2005年第1期。

[2]四川省文物考古研究所、樂山大佛烏尤文物保護管理局《治理樂山大佛的前期研究》，四川科學技術出版社，2002年。

[3][4]江滔《樂山大佛“黑鼻子”形成機理與防治對策淺析》，《四川文物》2013年第6期。

[5]秦中、張捷、彭學義、王興山《四川樂山大佛風化的初步探討》，《地理研究》2005年第6期。

[6]連賓、陳燁、朱立軍、楊瑞東《微生物對碳酸鹽巖的風化作用》，《地學前緣》2008年第6期。

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

[8]張中儉、張路青、李麗慧、王學良、傅燕、李芬霞《微環(huán)境對龍游石窟粉砂巖風化的影響》，《工程地質學報》2010年第5期。

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

[10]蔡曉琛、孫莉莉、萬俐等《明城墻藻菌共生體調查及微型藻類腐蝕城墻效應探究》，《文物保護與考古科學》2016年第2期。

[11]李海、胡小蘭、舒開倩、周玉迪、彭紅《樂山大佛風化程度研究》，《樂山師范學院學報》2016年第8期。

[12]周駿一《樂山大佛風化剝蝕及滲水病害防治對策》，《山地學報》2009年第3期。

[13][14]王沖、謝振斌、郭建波、陳顯丹《樂山麻浩崖墓石刻風化機理研究》，《敦煌研究》2017年第6期。