桂林市石灰?guī)r生物溶蝕速率研究

楊 柏，馬建林，周和祥，劉寶臣

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

石灰?guī)r的溶蝕問題比較復(fù)雜，影響因素較多，如巖性的影響，氣候因素造成石灰?guī)r的物理脹縮破壞，酸雨、酸霧中的二氧化硫、氮氧化物與石灰?guī)r發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使得石灰?guī)r表面疏松、容易剝蝕，生物的新陳代謝產(chǎn)物使得石灰?guī)r中的部分物質(zhì)溶解流失等。相較于物理和化學(xué)作用，生物尤其微生物對(duì)石灰?guī)r的溶蝕作用常常被忽略，但是生物在巖溶的形成和演化中具有重要的作用，主要表現(xiàn)在巖溶區(qū)土壤的形成、巖溶地貌的演化和巖溶區(qū)生物的生理及生態(tài)特征等幾個(gè)方面。生物對(duì)石灰?guī)r的成分、結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)的變化具有重要的影響。如Jinnings[1]在研究石灰?guī)r表面溶蝕小形態(tài)的形成過程時(shí)指出:石灰?guī)r表面是否有植被和土壤的覆蓋是影響石灰?guī)r表面溶蝕最為重要的因素之一,并認(rèn)為許多地表溶蝕小形態(tài)的產(chǎn)生都與一定條件下生物的生長、土壤的性質(zhì)相對(duì)應(yīng)。

已有研究表明：細(xì)菌、真菌、地衣和藻類這四種微生物對(duì)巖石具有侵蝕能力；巖石的微生物溶蝕過程可分為微生物物理風(fēng)化作用和微生物化學(xué)風(fēng)化作用兩種，其中微生物物理風(fēng)化作用主要是指微生物通過生命活動(dòng)的附著、穿插和剝離、菌絲生長的物理穿透對(duì)巖石產(chǎn)生的破壞作用，微生物化學(xué)風(fēng)化作用主要是指微生物通過自身新陳代謝分泌及死后遺體析出的物質(zhì)對(duì)巖石產(chǎn)生的腐蝕作用[2]。微生物新陳代謝的產(chǎn)物組成成分十分復(fù)雜，包含草酸、檸檬酸、葡萄糖酸、乙醛酸及無機(jī)的碳酸，這些酸與巖石中的金屬離子發(fā)生化合作用，置換出巖石中的多種金屬離子，使得巖石中的多種礦物成分被破壞。其中，有機(jī)酸性分泌物的破壞性比無機(jī)酸性分泌物要大得多,許多微生物都能分泌這些酸。Berthelin[3]將微生物的侵蝕作用分為可溶解機(jī)理和不可溶解機(jī)理,其中可溶解機(jī)理主要指酸性分泌物與巖石基體產(chǎn)生的絡(luò)合反應(yīng)和分解反應(yīng)。

石灰?guī)r生物溶蝕速率的研究，前人已經(jīng)做了一些工作。如Danin等[4]通過對(duì)耶路撒冷石灰?guī)r建筑物上的藍(lán)藻鉆孔進(jìn)行測量統(tǒng)計(jì)，得出了石灰?guī)r建筑建成年代與最大藻類生物鉆孔深度的線性公式：石灰?guī)r建筑建成年代(a)=最大藻類生物鉆孔深度(μm)÷0.004 85；曹建華等[5]采用樣方法對(duì)桂林市堯山靖江王墓群石灰?guī)r雕像上的藻類鉆孔進(jìn)行了測量統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出桂林地區(qū)石灰?guī)r生物溶蝕最大速率為17.87 mm/ka，大約是混合溶蝕速率的20%?；谏鲜鲅芯?，本文以桂林市堯山靖江王墓群中莊簡王陵、恭惠王陵的石灰?guī)r雕像為研究對(duì)象，通過對(duì)石灰?guī)r雕像表面上的生物溶孔進(jìn)行測量統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出桂林市石灰?guī)r生物溶蝕最大速率，推導(dǎo)出桂林市石灰?guī)r混合溶蝕速率，并與前人的研究成果進(jìn)行了比較；最后基于桂林市石灰?guī)r生物溶蝕最大速率的計(jì)算結(jié)果提出了石灰?guī)r文物保護(hù)的建議，為巖溶地區(qū)石灰?guī)r文物保護(hù)提供參考。

1 現(xiàn)場調(diào)查概況

1.1 區(qū)域自然地質(zhì)條件

桂林市地處廣西東北部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為18.9℃，平均年降水量為1 929.9 mm，地表水及地下水資源較為豐富。堯山位于桂林市東面，區(qū)內(nèi)出露的地層為泥盆系和新生代的第四系，主要以上泥盆統(tǒng)為主。位于堯山西南麓的靖江王墓群為本研究的調(diào)查對(duì)象，其主要地層為石炭系、泥盆系，地層巖性為碳酸鹽巖和細(xì)碎屑巖。

1.2 現(xiàn)場調(diào)查內(nèi)容

靖江王墓群是明朝歷代靖江王及其宗室陵墓墓群，遺存了多達(dá)400余座的各類石灰?guī)r雕像。經(jīng)過現(xiàn)場勘測，發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r雕像的表面幾乎都留下了生物溶蝕的痕跡，尤其是生物溶孔普遍發(fā)育。本次調(diào)查采用樣方法測量統(tǒng)計(jì)了石灰?guī)r雕像表面上生物溶孔的表面形態(tài)、最大深度和體積這三個(gè)參數(shù)，并對(duì)各王陵周邊的環(huán)境做了現(xiàn)場調(diào)查。

1.3 現(xiàn)場調(diào)查方法與結(jié)果

對(duì)現(xiàn)已對(duì)外開放的桂林市堯山靖江王墓群中莊簡王陵和恭惠王陵的石灰?guī)r雕像做了現(xiàn)場勘測工作，現(xiàn)場調(diào)查采用樣方法對(duì)石灰?guī)r雕像表面上的藻類溶孔進(jìn)行了測量統(tǒng)計(jì)。現(xiàn)場調(diào)查步驟如下:①清理溶孔；②壓入橡皮泥，保持溶孔口平滑；③取出橡皮泥，薄膜包裹后置于鋁盒中，編號(hào)；④用探針量取溶孔的深度，多次測量，取最大測量值為溶孔的最大深度；⑤用透明紙覆于溶孔上，沿孔口邊沿拓下樣方內(nèi)溶孔的孔口形態(tài)。本次調(diào)查得到莊簡王陵和恭惠王陵石灰?guī)r雕像表面上的藻類溶孔形態(tài)見圖1。

圖1 莊簡王陵和恭惠王陵石灰?guī)r雕像表面上的藻類溶孔形態(tài)圖Fig.1 Algae dissolution pore morphology on the surface of the limestone statues in Zhuang Jian tombs and Gong Hui tombs

由圖1可以看出，樣方內(nèi)的藻類溶孔形態(tài)主要呈現(xiàn)三類，第一類是單個(gè)溶孔，呈不規(guī)則的半圓球形態(tài)，如圖1中YF1、YF8所示；第二類是溶孔群，數(shù)個(gè)溶孔聚集在一個(gè)樣方內(nèi)，但尚未融合，如圖1中YF5、YF15所示；第三類是溶孔相互交錯(cuò)融合，形成溶槽，如圖1中YF7、YF10所示。這也反映出石灰?guī)r表面生物溶孔的發(fā)展過程，從單個(gè)溶孔到多個(gè)溶孔，再進(jìn)一步溶蝕相互連通融合成為溶槽[6]。

2 桂林市石灰?guī)r生物溶蝕速率的計(jì)算

2.1 石灰?guī)r生物溶蝕速率的計(jì)算方法

現(xiàn)場調(diào)查后，進(jìn)行室內(nèi)資料處理分析與計(jì)算，其具體步驟如下：①用萬分電子秤測出各樣方內(nèi)溶孔中取出的橡皮泥質(zhì)量，除以密度，得到樣方內(nèi)溶孔體積；②將拓得的溶孔表面形態(tài)圖導(dǎo)入CAD圖框中，描出溶孔表面形態(tài)，并根據(jù)特性中的面積顯示得到樣方內(nèi)溶孔的表面積；③以溶孔最大深度除以石灰?guī)r雕像年代，得到生物溶蝕速率最大值。

根據(jù)我國古代帝王陵寢建造慣例，當(dāng)?shù)弁趵^位時(shí)開始修建陵寢，莊簡王朱佐敬于永樂九年(公元1411年)襲封王位，恭惠王朱邦苧于嘉靖六年(公元1527年)襲封王位[7]，由此可知莊簡王陵的石灰?guī)r雕像年代為606年，恭惠王陵的石灰?guī)r雕像年代為490年。

2.2 石灰?guī)r生物溶蝕速率的計(jì)算結(jié)果分析與討論

根據(jù)上述的調(diào)查成果，可計(jì)算出各樣方內(nèi)溶孔的生物溶蝕最大速率，詳見表1。

表1 莊簡王陵和恭惠王陵石灰?guī)r雕像生物溶蝕最大速率的計(jì)算結(jié)果表Table 1 Maximum bioerosion rate calculation results of the limestone statues in Zhuang Jian tombs and Gong Hui tombs

由表1可知，桂林市石灰?guī)r生物溶蝕最大速率為19.10 mm/ka，由于石灰?guī)r生物溶蝕約占石灰?guī)r混合溶蝕的20%，可推導(dǎo)出桂林市石灰?guī)r的混合溶蝕速率為95.5 mm/ka。

許多學(xué)者[5,8-10]對(duì)桂林市碳酸鹽巖混合溶蝕速率進(jìn)行了研究，見表2。

龔自珍等[8]通過對(duì)桂林中、上泥盆統(tǒng)碳酸鹽巖巖塊的野外實(shí)際觀測，計(jì)算得到桂林市碳酸鹽巖混合溶蝕速率平均值為87.88 mm/ka。龔自珍的試驗(yàn)點(diǎn)建立在國土資源部巖溶地質(zhì)研究所大院的草坪上，研究了不同巖性的巖塊置于相同環(huán)境下的溶蝕速率，對(duì)于相同巖性的巖塊，分別放置于高于地面1.5 m的大氣中、地面草地上、地面下0.2 m土層中、地面下0.5 m土層中4個(gè)位置，測得巖塊的混合溶蝕速率平均值為87.88 mm/ka，而對(duì)不同位置的巖塊測得的混合溶蝕速率不盡相同，結(jié)果表明置于高于地面1.5 m大氣中的巖塊混合溶蝕速率明顯高于其他位置的巖塊。本文以靖江王墓群的石灰?guī)r雕像作為研究對(duì)象，雕像上溶孔的位置都高于地面0.5～1.5 m，因此計(jì)算得到的石灰?guī)r混合溶蝕速率結(jié)果略大于龔自珍試驗(yàn)測得的碳酸鹽巖混合溶蝕速率平均值是合理的。此外，巖塊所處小區(qū)域的風(fēng)環(huán)境、人為影響的差異以及巖塊巖性的差異也是存在的，這里對(duì)這些短時(shí)間內(nèi)影響較小的因素不予考慮。

表2 桂林市碳酸鹽巖混合溶蝕速率對(duì)比Table 2 Comparison of bioerosion rates of carbonate in Guilin City

周世英等[9]根據(jù)桂林市的實(shí)際情況，修正了柯貝爾公式和威廉姆斯公式，以流域年平均徑流深度、泉水中的碳酸鹽含量與大氣降水中碳酸鹽含量的差值、碳酸鹽巖的相對(duì)密度、碳酸鹽巖面積所占流域面積的比例、流域中泉或地下河的排泄量與流域內(nèi)大氣降水總?cè)霛B量為參數(shù)，提出了適用于桂林市碳酸鹽巖溶蝕速率的計(jì)算公式，并計(jì)算出桂林市兩處峰叢洼地地區(qū)碳酸鹽巖平均混合溶蝕速率為89.68 mm/ka，其計(jì)算得到的桂林市碳酸鹽巖混合溶蝕速率是桂林市石灰?guī)r、不純碳酸鹽巖和埋藏碳酸鹽巖的混合溶蝕速率的平均值。三種碳酸鹽巖的混合溶蝕速率是有差異的，一般情況下，石灰?guī)r的溶蝕速率最大，不純碳酸鹽巖的溶蝕速率次之，埋藏碳酸鹽巖的溶蝕速率最小。本文的研究對(duì)象為石灰?guī)r，計(jì)算得到的桂林市石灰?guī)r混合溶蝕速率結(jié)果略大于周世英計(jì)算得到的碳酸鹽巖平均混合溶蝕速率結(jié)果是合理的。雖然周世英采用的碳酸鹽巖混合溶蝕速率的計(jì)算方法與本文存在本質(zhì)的區(qū)別，但計(jì)算得到的結(jié)果十分接近，印證了兩種方法的可靠性。

曹建華等[5]以桂林靖江王墓群石灰?guī)r雕像上生物巖溶溶孔為研究對(duì)象，計(jì)算出桂林地區(qū)生物溶蝕最大速率為17.87 mm/ka，混合溶蝕速率約為89.35 mm/ka。曹建華采用的方法與本文一致，研究對(duì)象都是靖江王墓群的石灰?guī)r雕像，但是各自計(jì)算得到的結(jié)果略有差異。主要原因如下：第一，各自選取的樣方不同，采集到的數(shù)據(jù)存在差異，這直接導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果的不同；第二，曹建華認(rèn)為石灰?guī)r雕像的建成年代為公元1370年，選取的石灰?guī)r雕像的年代為621年，而本文石灰?guī)r雕像的年代是以王陵的建造年代為準(zhǔn)，年代取值小于曹建華所取的年代值，導(dǎo)致計(jì)算的結(jié)果偏大?，F(xiàn)已開放的三座王陵中，以莊簡王陵的年代最為久遠(yuǎn)，按本文方法，該王陵中的石灰?guī)r雕像年代距今(2017年)為606年，而在1991年時(shí)其年代取值應(yīng)為580年，若將曹建華采集到的溶孔數(shù)據(jù)以580年代入，則計(jì)算得到桂林地區(qū)直接生物溶蝕最大速率為19.14 mm/ka，混合溶蝕速率約為95.7 mm/ka，與本文計(jì)算得到的桂林市石灰?guī)r生物溶蝕最大速率和混合溶蝕速率結(jié)果基本一致，說明本文中石灰?guī)r雕像年代的選取方法更為合理；第三是受近二十年來氣候變化的影響，根據(jù)桂林氣象臺(tái)近60年的實(shí)測數(shù)據(jù)和鄭夢琪等[11]、陳超等[12]的研究，發(fā)現(xiàn)在過去的50年里，桂林市區(qū)總的降雨量和氣溫均呈上升趨勢，其中1991—2000年的平均氣溫較之1961—1990年的平均氣溫上升了0.3℃，2001—2010年的平均氣溫較之1991—2000年的平均氣溫上升了0.5℃，而降雨量和氣溫都是影響生物活性的重要因素，在一定范圍內(nèi)，降雨量的上升和氣溫的提高都會(huì)促進(jìn)石灰?guī)r的生物溶蝕作用，使得本文2017年計(jì)算得到的結(jié)果略大于曹建華1991年的數(shù)值。

蔣忠誠[10]在研究巖溶動(dòng)力系統(tǒng)中的元素遷移時(shí)，測得廣西桂林石山環(huán)境的碳酸鹽巖混合溶蝕速率為91.21 mm/ka，該計(jì)算結(jié)果與本文較為接近。蔣忠誠采用的是野外試片溶蝕試驗(yàn)的方法，將試片分別置于土表層、土下0.2 m、土下0.5 m、土下1.0 m、土下1.5 m和土下2.2 m，結(jié)果顯示試片的混合溶蝕速率在土下0.5 m時(shí)最大，但是更深處試片的混合溶蝕速率急劇減小，約為土表層試片混合溶蝕速率的一半。最后計(jì)算得到的碳酸鹽巖混合溶蝕速率是所有位置試片混合溶蝕速率的平均值，該值小于土表層試片的混合溶蝕速率。本文以靖江王墓群的石灰?guī)r雕像作為研究對(duì)象，雕像上溶孔的位置都高于地面0.5～1.5 m，因此計(jì)算得到桂林市石灰?guī)r混合溶蝕速率的結(jié)果略大于蔣忠誠試驗(yàn)測得的試片溶蝕速率平均值是合理的。

3 石灰?guī)r文物的保護(hù)措施

風(fēng)化作用對(duì)石刻文物的影響明顯，使石刻巖塊產(chǎn)生石皮剝落或線條蝕平[13]。桂林是世界著名的旅游城市，歷史文化底蘊(yùn)深厚，石刻文物眾多，包括宋朝佛像、明朝的靖江王陵墓群石灰?guī)r雕像、明清石碑等。但桂林市高溫多雨潮濕的氣候環(huán)境非常有利于微生物的生長，造成該地區(qū)的石灰?guī)r雕像、石碑受到微生物的侵蝕十分嚴(yán)重，酸雨、微生物等因素使得這些石灰?guī)r文物表面粗糙度增加、重量損失、表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，一些碑文、圖案已模糊不清，急需采取有效措施對(duì)其進(jìn)行加固與保護(hù)。

對(duì)桂林市石灰?guī)r文物的保護(hù)，首先應(yīng)改善石灰?guī)r文物所處的條件，尤其對(duì)露天的石灰?guī)r文物需要注意控制環(huán)境的濕度、抑制微生物的生長；其次，可以利用激光清洗技術(shù)等先進(jìn)方法對(duì)石灰?guī)r文物的表面進(jìn)行定時(shí)清理[14-15]；還可以使用加固劑在石灰?guī)r文物的表面覆蓋一層保護(hù)膜，隔離巖石與空氣的接觸。以上幾種方法的綜合利用可對(duì)石灰?guī)r文物保護(hù)起到很好的作用。

4 結(jié) 論

本文以桂林市堯山靖江王墓群中莊簡王陵、恭惠王陵的石灰?guī)r雕像為研究對(duì)象，通過對(duì)石灰?guī)r雕像表面上的生物溶孔進(jìn)行測量統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出桂林市石灰?guī)r生物溶蝕最大速率為19.1 mm/ka，并計(jì)算出桂林市石灰?guī)r混合溶蝕速率為95.5 mm/ka，這一結(jié)果與前人的研究成果基本一致。針對(duì)桂林市石灰?guī)r文物的保護(hù)，應(yīng)該注意控制環(huán)境的濕度、抑制微生物的生長；人工定時(shí)地清理石灰?guī)r文物的表面；在文物的表面覆蓋一層加固劑保護(hù)膜，隔離巖石與空氣的接觸。

通訊作者：馬建林(1958—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程、橋梁超深超大深基礎(chǔ)工程、跨江越海海底地基穩(wěn)定及加固工程、邊坡穩(wěn)定與支擋結(jié)構(gòu)工程等方面的研究工作。E-mail:1306715317@qq.com