云岡石窟風(fēng)化特征與風(fēng)化產(chǎn)物研究

鄧 云，王金華

（復(fù)旦大學(xué)文物與博物館學(xué)系，上海 200433）

云岡石窟位于山西大同市西約16 km的武州山南麓，原名武州（周）山石窟寺，明代改稱云岡石窟。為佛教向東傳播后，新疆以東最早出現(xiàn)的大型石窟群，云岡石窟佛教藝術(shù)按開鑿時(shí)間及風(fēng)格[1]分為早期、中期、晚期3個(gè)階段，是皇家開鑿石窟的典范，與其他早期石窟在風(fēng)格和規(guī)模上均有較大差異。云岡石窟目前暴露于窟外壁的雕像與題記更是全部消失[2]。在所消失的雕像中，被盜的雕像約1 000余尊，而風(fēng)化破壞才是造像消失的主要原因。關(guān)于云岡石窟風(fēng)化形態(tài)的研究自20世紀(jì)60年代已經(jīng)有較多研究成果，本文通過對(duì)風(fēng)化特征的分類及風(fēng)化產(chǎn)物的研究進(jìn)行梳理和總結(jié)，為防止風(fēng)化進(jìn)一步破壞提供參考。

1 云岡石窟開鑿與地質(zhì)條件的關(guān)系

云岡石窟洞窟開鑿規(guī)模、方式等均與地質(zhì)條件有著密切關(guān)聯(lián)，云岡石窟位于大同侏羅紀(jì)沉積盆地西緣，東側(cè)距離位于盆地東緣的青磁窯約8 km，窟區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況較為單一[3]。云岡石窟及其雕刻品均雕刻在長石石英砂巖層，向東西兩側(cè)變薄形成透鏡體，長石石英砂巖層不僅在厚度上變化較大，同時(shí)還有巖性上的變化，而石窟的風(fēng)化程度、類型等均在一定程度上受巖性的控制。嚴(yán)紹軍副教授將云岡石窟劃分為11層（表1）。

表1 云岡石窟地層劃分一覽表

由此可見，云岡石窟的開鑿大小和位置與地層分布有較大關(guān)聯(lián)，云岡石窟主要砂巖地層為第2、3、5、7層，上述地層是石窟主要開鑿和頂板部位，從巖石均勻性來看，3、5層是石窟造像開鑿較好地層，也是石窟的主要分布層位，如1、2窟在東部，此處厚為8～15 m，故洞窟高度均在8 m左右，較厚之處為第5～16窟，故該段的洞窟規(guī)模最大。而西部石窟厚度逐漸變?yōu)? m左右，因此西部的洞窟一般規(guī)模較小。當(dāng)透鏡體厚度較高時(shí)，各窟一般為大型洞窟；而當(dāng)透鏡體厚度較薄時(shí)，則一般開鑿為小型窟龕。由此可見，地質(zhì)構(gòu)造是窟型大小的最主要控制因素之一，也反映了古人因地制宜、因勢利導(dǎo)的聰明智慧。

2 云岡石窟風(fēng)化特征及成因

云岡石窟開鑿于鈉質(zhì)膠結(jié)的長石石英砂巖上，抵抗風(fēng)化能力較弱，并且膠結(jié)能力較差，這是窟內(nèi)普遍遭受風(fēng)化的內(nèi)在條件[5]，但具體的影響有下列幾個(gè)方面。

在巖性不均一，粗細(xì)粒砂巖相互成層的情況下，一般是粒度較小的巖石要比粒度粗的巖石風(fēng)化得更加強(qiáng)烈些，第二窟西壁鋸齒狀風(fēng)化巖石，第三窟后室南壁鋸齒狀風(fēng)化巖石均可見此種現(xiàn)象。若中粗粒砂巖中含暗色礦物的條帶時(shí)，因暗色礦物多為黑云母類，極易風(fēng)化，若暗色礦物的條帶較密集，也易于導(dǎo)致整體巖石風(fēng)化加劇，暗色礦物條帶所在處，因風(fēng)化較劇烈而向壁面內(nèi)深凹形成深坑，這一問題在東部和中部窟群中出現(xiàn)較多。在含長石石英砂巖礫石中大部分為粉砂巖，因粉砂巖易于風(fēng)化，常常迅速被破壞，僅殘余空洞，這在各窟均可發(fā)現(xiàn)。若巖性較均一，但交錯(cuò)層理較發(fā)育時(shí)，往往可以在巖石的原生構(gòu)造處風(fēng)化較劇烈，而形成溝槽。

由上可知，巖石的礦物粒徑大小、成分組成以及原生構(gòu)造對(duì)巖石的風(fēng)化程度均有較大影響。前述的受巖性控制的各種風(fēng)化形態(tài)大部分都是因?yàn)閹r性差異而引起的差異風(fēng)化的結(jié)果，另外，巖石本身的孔隙率和吸水性等也會(huì)對(duì)風(fēng)化產(chǎn)生影響。

黃克忠先生曾將石雕分為粉狀風(fēng)化、頁片狀（波殼狀風(fēng)化）、帶狀洞穴狀風(fēng)化、板狀風(fēng)化[6]。另外，《大同云岡石窟巖石風(fēng)化調(diào)查報(bào)告》[7]根據(jù)控制巖石風(fēng)化的內(nèi)在因素，將風(fēng)化類型分為：①發(fā)育在砂巖巖石中的風(fēng)化類型，包括刷落狀風(fēng)化、頁片狀風(fēng)化、鋸齒狀風(fēng)化、洞穴狀風(fēng)化、網(wǎng)格狀風(fēng)化；②發(fā)育在裂隙中的巖石風(fēng)化類型，包括板狀風(fēng)化、磚塊風(fēng)化、圓塊風(fēng)化；③發(fā)育在粉砂質(zhì)巖石中的風(fēng)化類型，包括碎塊狀風(fēng)化、劈柴狀風(fēng)化、波狀風(fēng)化等。之所以出現(xiàn)分類的差異，主要是因?yàn)榉诸惖臉?biāo)準(zhǔn)和角度不同，將形態(tài)、發(fā)育部位和形成原因等雜糅在一起。然而據(jù)筆者實(shí)地考察，認(rèn)為部分風(fēng)化類型雖命名不同，但其所指相同，本文結(jié)合已有的分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同分類標(biāo)準(zhǔn)中同一類型但不同稱謂的風(fēng)化進(jìn)行合并描述。將云岡石窟風(fēng)化類型歸納為以下幾種。

2.1 粉狀（刷落狀）風(fēng)化

主要發(fā)育于中粗粒砂巖表面間或在細(xì)砂巖及粉砂巖上的一層粉末狀或絮狀風(fēng)化產(chǎn)物，粉狀風(fēng)化部位的巖性一般比較均勻。主要表現(xiàn)為沿崖壁呈不規(guī)則的分布，風(fēng)化處的表面一般也較為平坦，與層理關(guān)系較小，在表層常有白色粉末，礦物顆粒間疏松不密實(shí)，部分已脫落，殘留的礦物一般凸于巖石表面上，白色粉末手觸之即落[8]。多見于石窟下部及東部窟群，且多風(fēng)化強(qiáng)烈。其中粉狀物是由不同類型的鹽組成，它的分布和成因均與水有密切關(guān)系。而石窟外部的凝結(jié)水、窟內(nèi)的滲水和底部的毛細(xì)水與空氣中的CO2、SO2、O2等，長期對(duì)石窟表面的長石、膠結(jié)物中的鈣質(zhì)以及黏土類礦物發(fā)生水合溶濾反應(yīng)，同時(shí)水又將鹽類帶到石雕石窟的表面而形成聚集的鹽。當(dāng)膠結(jié)物被淋濾之后，此時(shí)石窟表面則僅剩沒有膠結(jié)物的石英顆粒，即為粉狀物或絮狀物（圖1）。

2.2 頁片狀（波殼狀、鱗片狀）風(fēng)化

頁片狀風(fēng)化主要存在于石窟的表面，表現(xiàn)為薄片狀剝落，薄片的厚度與礦物顆粒粗細(xì)大小密切相關(guān)，粗砂巖形成的薄片厚度在3～4 mm，細(xì)砂巖形成的薄片厚度在0.5～1 mm。頁片的表面常常翹起或卷曲，且一般多層重疊。在片與巖體或片之間常有白色粉末狀或雪花糊狀物（當(dāng)?shù)竭_(dá)片內(nèi)一定深度時(shí)減少或消失），關(guān)于頁片狀風(fēng)化的成因，可能是水深入巖石以后，經(jīng)過長期的溶蝕及溫差作用而導(dǎo)致的巖石表層發(fā)生漲縮所致。其產(chǎn)物多為碳酸鹽和硫酸鹽的水化物，質(zhì)較堅(jiān)硬，均勻的附于頁片的背面。其成因系多種因素造成。由于地下水沿裂隙通道和層理滲透至表層，經(jīng)過水的蒸發(fā)后可溶性鹽析晶，并且由于鹽在表層的聚集，孔隙逐漸被堵塞，使水只能沿薄弱面滲出。另外，云岡石窟所處的大同地區(qū)溫差較大，礦物的膨脹系數(shù)不同（石英的體積膨脹系數(shù)約是長石的一倍），產(chǎn)生不同的漲縮應(yīng)力，便造成平行壁面的裂隙（圖2）。

2.3 帶狀（洞穴狀、蜂窩狀）風(fēng)化

指與層理平行，凹凸相間成洞穴狀或帶狀的風(fēng)化形態(tài)[9]。帶狀風(fēng)化常分布于含大量粉砂巖或砂質(zhì)頁巖的礫石和透鏡體的粗粒砂石中粒砂巖上，由于其抗風(fēng)化的能力較弱，導(dǎo)致差異風(fēng)化。一般表現(xiàn)為不規(guī)則的洞穴。

帶狀風(fēng)化是與鹽性有關(guān)的差異性風(fēng)化。因?yàn)樵茖呱皫r的層理交錯(cuò)發(fā)育，含有泥、粉砂巖夾層及大小礫石，礫石風(fēng)化后則形成不同大小的洞穴，其中薄夾層或透鏡狀的粉砂巖，由于含泥量較高，經(jīng)水的分解后，帶狀凹槽深度可達(dá)到10～30 cm。另外由于砂巖中膠結(jié)物泥質(zhì)與鈣質(zhì)的比值不同，在水的侵蝕作用下，其風(fēng)化形態(tài)也不相同。此類風(fēng)化對(duì)石窟的破壞較嚴(yán)重，水滲透出露位置的洞穴往往比較大[10]（圖3）。

2.4 板狀（磚塊狀、圓塊狀）風(fēng)化

板狀、圓塊狀、磚塊狀風(fēng)化在形態(tài)上不同，但由于其均主要是受應(yīng)力重分布作用而形成的，故將其劃為一類。這些風(fēng)化類型都發(fā)生在裂隙發(fā)育的砂質(zhì)巖石中，常形成與壁面平行的減荷裂隙，呈板狀剝落。板厚為2～4 cm，然而在有地下水流長期作用的位置，分布高度大多都在1.5 m以下，如圖4所示。

雖然板狀、圓塊狀、磚塊的形態(tài)不同，但上述風(fēng)化形態(tài)的形成原因都與裂隙有關(guān)，并且礦物間的微裂隙十分發(fā)育，水則沿裂隙通道活動(dòng)，導(dǎo)致石窟表面鹽類聚積。裂隙是造成水進(jìn)入窟內(nèi)侵蝕石雕的通道，危害較大的主要有3種：第一種為岸邊減荷裂隙，它平行崖壁排列，離崖壁30 m范圍是其發(fā)育帶，愈近崖壁密度越大，間距為1.5 m、5 m、8 m等。裂隙上寬下窄，平均裂隙寬度0.5～2 cm。第二種是構(gòu)造裂隙，裂隙面平整閉合延伸遠(yuǎn)，每組裂隙間距小。第三種是風(fēng)化裂隙，普遍存在于窟頂部5～10 m范圍內(nèi)，大多呈樹枝狀和毛發(fā)狀。

如前所述，各種風(fēng)化類型都是在不同因素的影響下風(fēng)化過程不同的表現(xiàn)。但不同風(fēng)化類型之間也存在一定的聯(lián)系。在各種風(fēng)化類型中，以粉狀（刷落狀）風(fēng)化類型為主，其他風(fēng)化類型大部分是在刷落狀風(fēng)化的基礎(chǔ)上派生的，因此，可將以上風(fēng)化類型歸結(jié)為由于刷落狀風(fēng)化受到某些特殊因素影響而表現(xiàn)為其他形態(tài)。

關(guān)于刷落狀與頁片狀風(fēng)化的關(guān)系，在巖壁比較平坦的情況下，往往可以發(fā)現(xiàn)：在刷落風(fēng)化巖石的某一部分尚疊加有頁片，同時(shí)在頁片與壁面之間，通常充填有白色粉末。由此現(xiàn)象可以初步推斷部分刷落風(fēng)化巖石的表面原應(yīng)有頁片的覆蓋，當(dāng)頁片下墜以后，就使壁面呈現(xiàn)刷落狀風(fēng)化的形態(tài)。

探索各種風(fēng)化類型的關(guān)系，實(shí)際上也是了解各種因素的影響下巖石風(fēng)化過程的重要方面，這不僅對(duì)保護(hù)維修工程有意義，同時(shí)對(duì)掌握巖石風(fēng)化過程的規(guī)律也是有意義的。

3 云岡石窟風(fēng)化產(chǎn)物

巖石風(fēng)化產(chǎn)物最典型的就是絮狀物質(zhì)，一般分布在被風(fēng)化的長石周圍，初步推斷絮狀物質(zhì)可能為長石以及砂巖的膠結(jié)物風(fēng)化而成。其白色、疏松、少數(shù)干燥后成淡黃色，多填充于壁面上巖石孔隙附近，如巖石表面有窪坑時(shí)可大量集中成團(tuán)狀。絮狀粉末物質(zhì)分布在呈刷落狀風(fēng)化的巖壁表面，另外也可分布在頁片狀風(fēng)化巖石的小頁片間，往往在揭開頁片后，均可發(fā)現(xiàn)有絮狀物質(zhì)的充填。

絮狀物質(zhì)加鹽酸后，一般起泡微弱，甚至不起泡。其成分多為水化物，SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O等含量均比新鮮巖石要大大減少，F(xiàn)e2O3則稍有增加，其余，Na2O、CaO等則變化不大（表2）。上述化學(xué)成分可以說明，絮狀物質(zhì)為巖石風(fēng)化的產(chǎn)物。

表2 風(fēng)化產(chǎn)物與新鮮巖樣的化學(xué)成分對(duì)比

砂巖顆粒成分主要為石英和長石，風(fēng)化巖樣中含有大量的黏土礦物及少量的石膏，通過對(duì)不同風(fēng)化程度的樣品進(jìn)行分析，由于碳酸鹽膠結(jié)物對(duì)酸作用非常敏感，而石英對(duì)酸作用不敏感，可以通過建立碳酸鹽膠結(jié)物與石英的比值評(píng)估風(fēng)化程度。因此云岡石窟巖石風(fēng)化不但與膠結(jié)物的破壞有關(guān)外，砂巖顆粒中的長石黏土化也是一個(gè)重要的原因。反應(yīng)如下：

除此之外，水巖反應(yīng)是另一導(dǎo)致風(fēng)化的重要原因，其中碳酸鹽膠結(jié)物溶解較早發(fā)生且對(duì)巖體強(qiáng)度軟化影響最大，而長石等礦物的水解則導(dǎo)致巖石力學(xué)強(qiáng)度降低，可溶鹽類礦物結(jié)晶削弱了已風(fēng)化巖石表面顆粒間的作用力；而含鐵膠結(jié)物由于受浸水的影響，在赤鐵礦發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程中，其力學(xué)強(qiáng)度也受到了極大破壞。

可溶鹽發(fā)育可以看作是導(dǎo)致風(fēng)化破壞的另一重要不利因素，也是伴隨風(fēng)化破壞的衍生產(chǎn)物，其破壞作用主要體現(xiàn)在文物表層富集，導(dǎo)致文物表層粉化，導(dǎo)致造像模糊、壁畫脫落等；同時(shí)，可溶鹽在反復(fù)結(jié)晶與溶解的過程中，產(chǎn)生非常巨大的結(jié)晶擠壓力，導(dǎo)致巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低。另外，當(dāng)可溶鹽在巖石結(jié)構(gòu)面富集時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致擠壓作用，加上尖端應(yīng)力集中，加速局部危巖體的發(fā)育。

云岡石窟可溶鹽集中在較高含水量的巖體中。在長期滲水部位雖然也有短期可溶鹽的富集，但水體沖刷將可溶鹽溶解帶走。目前可溶鹽發(fā)育比較集中的主要在兩個(gè)部位：一個(gè)是上部，頂部平臺(tái)雨水入滲導(dǎo)致巖體表面泛鹽；另一個(gè)是底部，地下毛細(xì)水上升導(dǎo)致石窟底部約1.5 m高范圍大量析出可溶鹽。

云岡石窟可溶鹽主要為石膏、六水瀉鹽、七水瀉鹽等硫酸鹽。其主要反應(yīng)過程如下：

長石高嶺土化過程中，形成的K+、Na+離子可以與SO42-離子進(jìn)一步形成K2SO4和Na2SO4.10H2O芒硝。上述鹽類均具有水合能力，在干濕交替的環(huán)境下，特別容易在巖石的微孔隙內(nèi)產(chǎn)生結(jié)晶壓力而導(dǎo)致巖石損壞[4]。

云岡石窟處于干燥氣候條件，無論是瀉利鹽、石膏或者芒硝，在干燥氣候條件下，容易失水。而一旦空氣潮濕，就又向高水鹽轉(zhuǎn)化。在晶體形成與轉(zhuǎn)換過程中，不斷向巖石微小孔隙滲入、結(jié)晶，結(jié)晶過程產(chǎn)生巨大的擠壓力導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低。

由此可見，云岡石窟風(fēng)化產(chǎn)物主要為礦物的高嶺石化和膠結(jié)物的流失，以及其產(chǎn)物與SO42-離子的反應(yīng)產(chǎn)生可溶鹽。

4 總結(jié)及展望

研究石窟巖石風(fēng)化問題，不僅是對(duì)文物保護(hù)有重要的意義，而且其成果對(duì)其他類似的建筑工程也有著一定的參考價(jià)值，甚至還可以對(duì)巖石風(fēng)化理論提供一定的資料。

在今后的工作中，應(yīng)將風(fēng)化特征分類詳細(xì)化和規(guī)范化，除概略性分類外，還需對(duì)各部石窟內(nèi)不同部位、不同巖性上巖石風(fēng)化特征及形成原因進(jìn)行深入探討，并關(guān)注風(fēng)化程度在一定時(shí)間內(nèi)的變化。需要對(duì)不同窟型、同一洞窟不同位置進(jìn)行全面的監(jiān)測，包括溫濕度、滲漏水情況、窟底潛水面變化情況、窟區(qū)外圍地下水動(dòng)態(tài)、氣體類型及含量等，探討風(fēng)化的影響因素。另外對(duì)窟內(nèi)不同部位、不同巖性、不同風(fēng)化類型巖石進(jìn)行系統(tǒng)的礦物組成以及巖石的孔隙度、滲透率、含水性等性質(zhì)的研究也至關(guān)重要。總之，風(fēng)化問題的研究是一個(gè)較復(fù)雜也較為重要的課題，還需要長期的研究和探討。