龍門石窟鮞粒灰?guī)r劣化試驗(yàn)

嚴(yán)紹軍 田世瑤 陳建平 竇彥 方云

內(nèi)容摘要：龍門石窟鮞?；?guī)r自然破壞相對嚴(yán)重，且自身存在相對特殊風(fēng)化現(xiàn)象。為研究該類巖石風(fēng)化機(jī)理，在室內(nèi)設(shè)計(jì)了酸劣化及凍融試驗(yàn)。通過試驗(yàn)表明，在相對恒定的酸性、水體流動(dòng)環(huán)境條件下，鮞粒灰?guī)r風(fēng)化明顯，出現(xiàn)類似現(xiàn)場的風(fēng)化現(xiàn)象。在風(fēng)化影響因素方面，pH值影響明顯，H+離子濃度越高，風(fēng)化速度越快。溶蝕后不溶物在一定程度上會(huì)降低鮞粒間鈣質(zhì)成分的溶蝕，形成局部相對封閉的環(huán)境，降低溶蝕速度。而凍融這種物理風(fēng)化對鮞?；?guī)r影響不是太明顯，這一現(xiàn)象應(yīng)該與鮞粒自身與基質(zhì)間熱力學(xué)性質(zhì)相對一致、鮞?；?guī)r吸水性低有關(guān)系。

關(guān)鍵詞：龍門石窟；鮞?；?guī)r；劣化試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：P589.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106（2018）03-0038-06

Abstract： The natural damage to cave structures sustained by the oolitic limestone at the Longmen Grottoes is relatively extensive and exhibits a unique pattern of erosion. Acid deterioration， freezing， and thawing deterioration experiments were designed to study the weathering mechanism of this limestone， the results of which show that in an environment of constantly flowing， acidic water， the oolitic limestone weathering process is remarkably similar to natural conditions. Among all the factors of erosion， the influence of the pH value is obvious，wherein the higher the H+ ion concentration is， the faster the weathering speed will be. During the erosion simulation it was shown that indissoluble reaction products can to some extent reduce the disolution speed of the calcite between oolites and form a relative isolation environment. The effect of physical weathering on the oolitic limestone is not particularly obvious because the thermodynamic properties of the oolite is relatively equal to that of the underlying substrate and has a low degree of water absorption.

Keywords： Longmen Grottoes； oolitic limestone； deterioration test.

1 前 言

鮞?；?guī)r是在龍門石窟廣泛分布的巖石類型，具有非常特殊的風(fēng)化現(xiàn)象。一般認(rèn)為，鮞粒是環(huán)境溫度高、海水蒸發(fā)量大的時(shí)候，在海水的攪動(dòng)下，CO2氣體溢出、過飽和的碳酸鈣包裹懸浮的碎屑物質(zhì)條件下，形成的一種特殊的灰?guī)r粒狀物質(zhì)。也有人認(rèn)為鮞?；?guī)r的形成是一個(gè)復(fù)雜的生物過程[1]。豫西地區(qū)鮞?；?guī)r的分布受當(dāng)時(shí)古地貌環(huán)境控制，具有一定時(shí)空規(guī)律性[2]。總的說來，目前對鮞?；?guī)r的研究一般集中于鮞?；?guī)r的現(xiàn)象、成因、地質(zhì)環(huán)境等，對龍門石窟這種特殊灰?guī)r本體的風(fēng)化破壞機(jī)理缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。前期將其視作普通灰?guī)r進(jìn)行過相關(guān)工作[3]，但針對性不強(qiáng)。因此，本次工作主要通過對龍門石窟鮞?；?guī)r特征進(jìn)行詳細(xì)研究，并開展相應(yīng)的風(fēng)化模擬試驗(yàn)，來探討這類巖石在石窟環(huán)境下風(fēng)化的控制因素。

鮞?；?guī)r在龍門石窟南段寒武紀(jì)地層中發(fā)育。野外觀察鮞粒普遍呈黑色顆粒狀，基質(zhì)顏色稍淺，鮞粒呈帶狀富集，總體含量在50%以上，鮞粒的形成與該地層總的沉積環(huán)境密切相關(guān)。造像風(fēng)化程度明顯較非鮞?；?guī)r段要強(qiáng)，風(fēng)化后顆粒感強(qiáng)，另外出現(xiàn)類似砂巖風(fēng)化的砂糖狀。

龍門石窟鮞粒粒徑在250—500？滋m之間，主要類型為薄皮鮞，含有少量橢形鮞、放射鮞及橢形放射鮞（圖1）。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，可以看到破碎的鮞粒，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。鮞粒的核心多由磨圓的碎屑及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[4]。

從電子探針測試可以看出（圖2），鮞粒的主要礦物成分為白云石，膠結(jié)物主要為灰?guī)r，這種礦物成分組合關(guān)系在鮞粒灰?guī)r中是比較少見的，但在龍門石窟卻非常普遍。白云石成為鮞估計(jì)與當(dāng)時(shí)的特殊氣候環(huán)境或者后期交代有一定關(guān)系。

在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，雨水沖刷區(qū)和凍融區(qū)的巖石風(fēng)化非常嚴(yán)重，為研究這種鮞粒巖石的風(fēng)化過程，本次研究設(shè)計(jì)了酸溶蝕試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)。

2 酸溶蝕模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以該地區(qū)典型的鮞?；?guī)r為材料，開展模擬酸雨作用下的溶蝕破壞試驗(yàn)。受環(huán)境條件影響，龍門石窟酸雨在歷史上比較嚴(yán)重，近年來有所好轉(zhuǎn)。另外石窟區(qū)頂部目前植被茂盛，一般土壤中生物形成CO2濃度為大氣中100倍，加上植物有機(jī)酸溶解于雨水中。因此，降雨期間沖刷石窟表面的水體為具有良好溶蝕能力的酸性水體[5]。本試驗(yàn)配置了pH值為3、4、5酸性緩沖溶液，用于模擬降雨形成的表面流對巖石表面的沖刷溶蝕作用，研究動(dòng)水條件下，不同溫度、不同pH值環(huán)境中鮞?；?guī)r的質(zhì)量、尺寸、微觀形態(tài)的變化規(guī)律，以及反應(yīng)殘留物對溶蝕過程的影響[6]。整個(gè)系統(tǒng)為開放系統(tǒng)，不考慮CO2分壓，每次反應(yīng)時(shí)間為12h，試驗(yàn)溫度設(shè)置為35℃與15℃，每個(gè)溫度下，配制3組不同pH值的緩沖溶液，每組分別有3個(gè)樣品，樣品質(zhì)量為7—8g，片狀方形。編號(hào)及配制方法如附表所示。

2.2 結(jié)果分析

首先從形態(tài)上可以看出，在酸性環(huán)境下，鮞?；?guī)r基質(zhì)風(fēng)化明顯強(qiáng)烈，方解石晶體溶蝕后形成次生粉末狀物，而鮞粒的風(fēng)化程度相對要弱一些，白云石晶體間殘留的方解石出現(xiàn)局部的溶蝕現(xiàn)象（圖3）。隨溶蝕不斷發(fā)育，鮞粒與基質(zhì)之間的界限逐漸清晰，鮞粒形態(tài)更為明顯，在鮞粒外周形成一圈白色的溶蝕環(huán)。形成溶蝕環(huán)的現(xiàn)象應(yīng)該與鮞粒方解石表皮礦物成分相關(guān)。在低濃度的（pH=5）的樣品中，溶蝕環(huán)發(fā)育更為明顯（圖4），這種現(xiàn)象應(yīng)該與pH值高的溶液中，白云石與方解石的差異風(fēng)化比較明顯有關(guān)系。

本次試驗(yàn)采用相對恒定的pH值進(jìn)行溶蝕，模擬動(dòng)態(tài)水體沖刷作用，樣品的溶蝕速度主要受樣品表面尺寸、pH值及溫度等因素影響。

pH值對該類巖石的溶蝕速度的影響非常明顯（圖5），總的說來，pH值越低，溶蝕速度越快。在pH值為3的溶液中，巖石表面迅速溶蝕，并產(chǎn)生大量的次生產(chǎn)物，覆蓋在樣品表面，隨著不溶物的增加，反應(yīng)速度逐漸減緩。而pH值為5的樣品反應(yīng)比較緩慢，在動(dòng)蕩（類似自然流水）環(huán)境條件下，次生產(chǎn)物隨水流失，反應(yīng)速度基本保持不變。文物表面風(fēng)化產(chǎn)物的抗溶蝕能力一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石窟巖體本身，這種次生的“污染物”在一定程度上隔離了酸性水體對文物的侵蝕。因此，對于龍門石窟文物表面的污染物，也應(yīng)該辯證地看待，一些不合理的清理，可能會(huì)加劇文物本體的風(fēng)化。

試驗(yàn)表明，龍門石窟鮞?；?guī)r溶蝕與溫度有一定關(guān)系。在pH值為3、4的樣品中，15℃環(huán)境下樣品溶蝕速度較35℃時(shí)明顯要快一些，而在pH值為5條件下，兩種溫度環(huán)境對樣品的溶蝕速度的影響就不是太明顯。形成這種現(xiàn)象的原因如下：鮞?；?guī)r溶蝕是以粒間灰?guī)r為主，高溫環(huán)境下，巖石與溶液接觸后，產(chǎn)生的次生不溶物速度過快，迅速擠滿顆粒間的溶隙，在裂隙局部形成了相對封閉的環(huán)境條件，減緩了后續(xù)反應(yīng)發(fā)生。在粒間裂隙被填充后，主要反應(yīng)發(fā)生在鮞粒本身，而鮞粒結(jié)構(gòu)密實(shí)，成分以白云石為主，這種情況下，鮞?？刂迫芪g速度。而在相對低溫環(huán)境下，反應(yīng)速度稍慢，鮞粒間的次生產(chǎn)物能夠較好流失，整個(gè)反應(yīng)以顆粒間方解石溶蝕為主，速度較快。PH值為5的溶液中，H+濃度低，初期反應(yīng)速度慢，導(dǎo)致鮞粒間阻溶現(xiàn)象并不明顯，溫度對溶蝕速度的影響并不顯著。

通過上述試驗(yàn)，可以得出，石窟區(qū)鮞?；?guī)r砂糖狀風(fēng)化，主要是因?yàn)轷b粒間方解石風(fēng)化速度遠(yuǎn)大于鮞粒本身形成，而要減緩該灰?guī)r風(fēng)化速度，其關(guān)鍵是控制粒間物質(zhì)的溶蝕。

圖6為樣品體積損失曲線。測試結(jié)果與質(zhì)量損失規(guī)律基本一致，但pH值為3、4時(shí)，在不同溫度下體積損失幅度差別不大，這是因?yàn)榇紊娜芪g產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松，在一定程度上抵消了質(zhì)量流失導(dǎo)致的體積變化。另外，這種鮞粒溶蝕還是以粒間損失為主，雖然質(zhì)量損失已經(jīng)比較明顯了，但是在鮞粒脫離樣品之前，體積仍然得以維持。

3 凍融模擬試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，龍門石窟崖壁表面溫度波動(dòng)幅度非常大，特別是冬季，存在一定凍融現(xiàn)象[7]。從前面的分析看，鮞?；?guī)r鮞粒與基質(zhì)間存在明顯的差異性，這種差異性為水體滲入提供了條件。另外在熱脹冷縮的過程中，不同成分及結(jié)構(gòu)的礦物形成差異性變形，形成擠壓作用而產(chǎn)生內(nèi)因力，導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)破壞，出現(xiàn)物理風(fēng)化。龍門石窟所在地區(qū)夏季炎熱，最高溫度可達(dá)40℃，尤其西山石窟日間受太陽直射，巖石表面溫度更高；冬季最低溫多低于-5℃，最低可達(dá)-10℃，以極值溫度來確定凍融循環(huán)溫度，設(shè)置為-15℃～35℃，以24h為一個(gè)循環(huán)周期。試驗(yàn)步驟如下：（1）清洗試樣表面，在105℃下烘干24h，測量試樣質(zhì)量、直徑、高度，為每個(gè)試樣拍照；（2）將試樣浸泡于蒸餾水中48h，使其自然飽水，然后放入真空飽和缸中，抽氣2h，注水后，繼續(xù)抽氣6h，真空飽水，測量飽水后的質(zhì)量、波速；（3）將試樣取出放于托盤上，放入低溫冷凍箱中8h，溫度設(shè)置為-15℃；（4）將試樣浸泡于35℃的蒸餾水中16h，溫度由恒溫箱控制，取出后擦干試樣，測量試樣的質(zhì)量、波速，一個(gè)循環(huán)為24h；重復(fù)步驟（3）、（4），試樣循環(huán)到次數(shù)30、60、80、90、100；（5）將試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試，研究試樣強(qiáng)度變化規(guī)律。

3.2 結(jié)果分析

衡量凍融對巖石的破壞主要通過質(zhì)量損失、強(qiáng)度衰減及微觀結(jié)構(gòu)等來判斷。

圖7為樣品的質(zhì)量衰減曲線。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，得到的測試結(jié)果在圖中表現(xiàn)出較強(qiáng)的離散性，但整體呈減小的趨勢。在凍融100次以后，試樣質(zhì)量變化都在1g以內(nèi)，且多數(shù)小于0.5g，相較于試樣本身質(zhì)量，小于0.1%，其變化為一個(gè)很小的值。從樣品破損形態(tài)看，破損部位具有一定離散性，一般出現(xiàn)在局部凸出、裂隙發(fā)育等部位，樣品鮞粒與基質(zhì)之間并未出現(xiàn)明顯的破裂。圖8為凍融100次前后樣品的照片。除了10號(hào)樣中微觀裂隙（圖中黃色部位）有輕微擴(kuò)展、延伸更為清晰外，鮞粒本身及基質(zhì)并無明顯的破損。

為分析凍融過程中，樣品強(qiáng)度變化，采用超聲波測試樣品凍融過程中的波時(shí)，結(jié)果如圖9。從測試結(jié)果看，巖石在初期基本上無明顯的衰減，各樣品在凍融40次以后，略微有波時(shí)增加，波速降低現(xiàn)象。

對不同循環(huán)次數(shù)巖石進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，巖石強(qiáng)度無明顯的衰減，強(qiáng)度變化與凍融次數(shù)基本無相關(guān)。這種強(qiáng)度差異主要是巖石樣品的不均勻性而形成。

也就是說，在凍融100次測試結(jié)果內(nèi)，巖石的強(qiáng)度基本無損失（圖9），質(zhì)量損失率在1%以下，這種變化基本可以忽略。本次試驗(yàn)結(jié)果與已有成果結(jié)論有所出入，初步分析本次凍融試驗(yàn)設(shè)置以巖石所處真實(shí)環(huán)境為前提，凍融劣化效應(yīng)雖然比較符合實(shí)際，但劣化程度要弱而致。

龍門石窟鮞?；?guī)r整體強(qiáng)度極高，一般大于90MPa，屬于堅(jiān)硬巖。在這種環(huán)境條件下，鮞粒本身與基質(zhì)之間的熱力學(xué)性質(zhì)差異并不容易形成巖石的結(jié)構(gòu)性破壞，加上吸水率又很低，一般小于1%。因此一般的物理風(fēng)化對本鮞?；?guī)r影響不是很明顯。凍融效應(yīng)應(yīng)該與酸劣化疊加時(shí)，才更為顯著。

4 結(jié) 論

張夏組鮞?；?guī)r差異風(fēng)化嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為片狀風(fēng)化、鮞粒剝落，特別是以砂糖狀風(fēng)化最為明顯。在龍門石窟造像中，鮞?；?guī)r石窟相對于其他地層石窟風(fēng)化更為顯著。

鮞粒的主要成分以鎂質(zhì)的薄皮鮞為主，表皮及基質(zhì)以鈣質(zhì)為主。鮞粒本身結(jié)構(gòu)比較致密，而基質(zhì)結(jié)晶較好，屬于亮晶灰?guī)r。

鮞粒灰?guī)r抗溶蝕能力很差，基質(zhì)與鮞?？谷芪g能力具有顯著差異性。這種溶蝕作用主要順鮞粒間基質(zhì)首先發(fā)育，而過快形成次生礦物可能降低鮞?；?guī)r的溶蝕速度。鮞粒本身以白云巖為主，其抗溶蝕能力明顯好于基質(zhì)。

龍門石窟鮞?；?guī)r強(qiáng)度高，吸水性低，具有良好的抗凍融能力，因此單獨(dú)的凍融作用對巖石的破壞基本可以忽略。

從本次研究可以看出，對于鮞?；?guī)r的次生溶蝕污染物，在沒有良好的保護(hù)技術(shù)的情況下，不宜無差別地清洗。鮞?；?guī)r防風(fēng)化措施，建議以防具有溶蝕能力的表面流為主。

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