廣西寧明花山巖畫本體表層巖體開裂機(jī)制分析

陳嘉琦 ，王金華，嚴(yán)紹軍，方 云

(1.復(fù)旦大學(xué) 文物與博物館學(xué)系，上海 200433； 2.陜西省文物保護(hù)研究院，陜西 西安 710075； 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

花山巖畫位于廣西壯族自治區(qū)寧明縣左江支流明江西岸的花山崖壁上，巖畫分布規(guī)模為長172 m，高50 m，面積約8 600 m2.花山巖畫現(xiàn)存人物、動物、器具等各類圖像1 900多個，為戰(zhàn)國至漢代時(shí)期壯族先民駱越人所繪，是世界上迄今已發(fā)現(xiàn)的畫幅規(guī)模最大、內(nèi)容最豐富的巖畫[1-3]，具有獨(dú)特的歷史與美學(xué)價(jià)值[4-7].目前花山巖畫已列入《世界遺產(chǎn)名錄》.

由于地質(zhì)作用及環(huán)境因素的影響，花山巖畫正面臨著諸如崖壁巖體失穩(wěn)、巖畫本體巖石開裂剝落、顏料層風(fēng)化脫落、微生物侵蝕等多種有害因素的威脅[8-11]，其中巖畫本體巖石的開裂、剝落是最直接的破壞，對巖畫的破壞也是毀滅性的，因此對巖畫本體表層巖石開裂剝落成因的研究對深化巖畫保護(hù)工作具有重要意義.郭宏等[10-12]研究了大氣環(huán)境及變化、凝結(jié)水、生物病害等對花山巖畫片狀物理風(fēng)化的影響；徐利軍等[13]對花山巖畫的滲水類型、機(jī)理進(jìn)行了分析.本文從構(gòu)造地質(zhì)學(xué)角度分析了與崖壁小角度相交裂隙的形成原因，通過對光照度、開裂體與完整巖石的溫度、巖石內(nèi)部溫度梯度的監(jiān)測，分析了溫度場對巖石開裂的影響；同時(shí)通過裂隙間可溶鹽的取樣檢測，分析了凝結(jié)水以及水鹽作用對開裂體發(fā)展的影響，加深了對花山巖畫開裂機(jī)理的認(rèn)識.

1 花山巖畫區(qū)域環(huán)境與地質(zhì)條件

1.1 區(qū)域的氣候條件

花山地處北回歸線以南[14]，屬溫暖亞熱帶季風(fēng)氣候，高溫多雨，終年少見霜雪.年平均降雨量為1 242.2 mm，4—9月為雨季，降雨量占全年雨量的81.8%，10月至次年3月為旱季，降雨量占全年雨量的18.2%.雨季雨量集中，降雨強(qiáng)度較大，月降雨量最大值可達(dá)461.4 mm，日最大降雨量為196.7 mm(1953年6月13日).年均蒸發(fā)量為1 663.7 mm.空氣相對濕度較大，年均達(dá)79%.多年平均氣溫為19～22 ℃.冬季1月最冷，平均氣溫為13.3 ℃；夏季7月最熱，平均氣溫為28.4 ℃，年度平均溫差15.1 ℃.歷年極端最高氣溫達(dá)40.8 ℃(1958年5月)，歷年極端最低氣溫達(dá)-2.4 ℃(1967年1月)，極端氣溫變幅達(dá)43.2 ℃.

受地形影響，區(qū)域內(nèi)風(fēng)速較小，年平均風(fēng)速為1.3 m/s，4—9月多吹東至西南風(fēng)，10月至次年3月多吹東至東北風(fēng).全年以東風(fēng)頻率最大，東北風(fēng)、西南風(fēng)次之.區(qū)內(nèi)大風(fēng)多為東北風(fēng)，最大風(fēng)速達(dá)17～20 m/s.每年6—9月常受臺風(fēng)侵襲.花山崖壁走向?yàn)镹NW向，受西南風(fēng)影響較大.

1.2 巖畫的地質(zhì)構(gòu)造特征

寧明縣位于南嶺緯向構(gòu)造帶西段南緣，新華夏系第二沉降帶西南端.兩個構(gòu)造體系的聯(lián)合與復(fù)合導(dǎo)致該區(qū)域褶皺斷裂發(fā)育，巖漿活動頻繁.花山巖畫保護(hù)區(qū)在構(gòu)造上位于NNE向展布的花山—下河向斜的仰起端.該向斜軸向NE10～20°，向北由于受NE向褶皺作用干擾，使花山至隴麥一帶的上石炭系巖層出現(xiàn)了平緩的次級向斜構(gòu)造.向斜西翼受花山斷層(F1)切割而不完整.區(qū)內(nèi)未見褶皺，但斷裂相對比較發(fā)育.花山巖畫區(qū)立壁巖層總體為向SSE傾斜的單斜地層，產(chǎn)狀平緩.傾向?yàn)?65°～190°，傾角為16°～20°.主要構(gòu)造形跡有花山斷層F1及分支小斷層和構(gòu)造裂隙(圖1).

圖1 花山巖畫區(qū)域內(nèi)的斷層F1、F2、F3Fig.1 Fault F1, F2, F3 in Huashan Rock Painting

斷層F1是花山巖畫的控制性斷層.該斷層縱貫全區(qū)，長約20.5 km，走向呈弧形彎曲，轉(zhuǎn)折起伏不平.區(qū)域內(nèi)該斷層走向NNW，為一壓扭性斷層，斷層兩盤張開30～50 cm，中間有泥質(zhì)充填.花山巖畫區(qū)位于該斷層的北端，在斷層的切割及河流侵蝕作用下，形成了高約140 m，寬約300 m的斷壁，花山巖畫就分布在這一斷壁之上.斷層F2位于花山巖畫區(qū)山腰梯道北側(cè).斷層走向?yàn)镹E25°，斷層面產(chǎn)狀為115°∠85°.斷面呈弧形轉(zhuǎn)折，屬花山斷層的分支斷層.沿?cái)鄬佑袔r漿侵入，區(qū)域上巖漿巖主要分布在十萬大山向斜以北的憑祥—東門大斷裂兩側(cè)，保護(hù)區(qū)內(nèi)僅見沿F2斷層露出的巖漿巖脈，露出長度約28 m.斷層F3位于上山梯道南側(cè)山峰后.斷層走向?yàn)镹E20°，斷層面產(chǎn)狀為110°∠72°.

1.3 巖畫的風(fēng)化破壞特征

花山巖畫的主要病害類型分為巖體開裂、小型危巖體、剝落、巖溶堆積物覆蓋、顏料層脫落、生物病害等，其中表層巖體開裂剝落是對巖畫文物價(jià)值影響最為嚴(yán)重的一類病害(圖2).根據(jù)巖畫開裂的原因可以將巖體開裂病害分為兩大類： 構(gòu)造開裂以及風(fēng)化開裂.構(gòu)造開裂是由于壓扭性斷層地質(zhì)運(yùn)動作用，在崖壁表層巖體形成的裂隙開裂；由于溫度應(yīng)力場、水鹽作用等環(huán)境因素影響，誘發(fā)產(chǎn)生的開裂破壞稱為風(fēng)化開裂.經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析[15]，風(fēng)化開裂體面積占總開裂體面積的69%，厚度小于4 cm，厚度較薄、裂隙貫通性差，多發(fā)育于巖畫存在部位，易出現(xiàn)剝落和掉塊，破壞更大.

圖2 巖畫本體表層巖體的開裂Fig.2 Detachment of the surface layer on rock painting

1.4 巖畫的巖性特征

花山巖畫崖壁巖體的巖性為生物碎屑灰?guī)r，我們對巖石化學(xué)成分及熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測試.化學(xué)成分測試顯示巖石主要成分為鈣鎂質(zhì)碳酸鹽(表1)，約占物質(zhì)組成的98%，其中CaO與MgO之比介于8.6∶1與6.2∶1之間，屬白云質(zhì)灰?guī)r.剝落體的導(dǎo)熱系數(shù)為0.893 W/(m·K)，完整巖石的導(dǎo)熱系數(shù)為(0.605～0.780 W/(m·K))，兩者的熱力學(xué)系數(shù)存在差異.

表1 花山巖石的化學(xué)成分分析

2 研究內(nèi)容與方法

為了解花山巖畫本體表層巖體開裂病害的開裂機(jī)制，我們不僅對花山巖畫區(qū)域內(nèi)構(gòu)造裂隙與斷層關(guān)系進(jìn)行調(diào)查研究，也對巖畫本體表層開裂體特征進(jìn)行調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析，還對花山巖畫區(qū)域的太陽輻射特征及其與巖體溫度場、溫度應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行分析，并且研究了水鹽作用對開裂體的影響.具體的研究方法如下：

(1) 地質(zhì)構(gòu)造特征研究： 運(yùn)用地質(zhì)學(xué)勘察與分析法，開展工作范圍內(nèi)裂隙類型、產(chǎn)狀、隙寬、形態(tài)、厚度等的調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合區(qū)域環(huán)境地質(zhì)特征，研究裂隙與構(gòu)造運(yùn)動的關(guān)系.

(2) 開展工作范圍內(nèi)表層巖體開裂病害的類型、產(chǎn)狀、隙寬、形態(tài)、厚度、充填等特征、指標(biāo)的調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)特征，研究裂隙、開裂體與構(gòu)造運(yùn)動作用的關(guān)系.

(3) 太陽輻射環(huán)境特征監(jiān)測： 選擇一年中最冷月(12月至次年1月)和最熱月(7—10月)進(jìn)行光照度測試，采用深圳市華盛昌科技實(shí)業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的DT-8809a型照度計(jì)在現(xiàn)場進(jìn)行光照度的實(shí)時(shí)監(jiān)測.照度計(jì)的排放方向和巖畫崖壁一致，以便準(zhǔn)確反映巖石表面的光照變化.

(4) 開裂巖體區(qū)域的溫度特征監(jiān)測： 在完整巖體表面和開裂體外表面各安裝一個溫度探頭(圖3)，以了解光照環(huán)境下兩點(diǎn)的表面溫度的動態(tài)變化過程.溫度的測試采用中國臺灣群特CENTER-313型溫濕度計(jì).

圖3 開裂體與完整巖體的溫度監(jiān)測Fig.3 Temperature monitoring of the crust and the intact rock

(5) 完整巖體區(qū)域的溫度梯度監(jiān)測與研究： 選擇陽光直射且沒有巖畫分布的部位，用水平鉆機(jī)打一個水平鉆孔，按照設(shè)計(jì)深度，將5個溫度探頭依次布置于自行設(shè)計(jì)的位置固定器上，將其放置于孔內(nèi)(圖4).固定器芯可打氣加壓，使探頭緊密黏貼固定在鉆孔內(nèi)壁.溫度測試儀型號同上.

圖4 鉆孔巖體溫度監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 Design diagram of rock temperature monitoring points in borehole

3 結(jié)果及分析

3.1 構(gòu)造運(yùn)動對巖畫開裂的影響

經(jīng)調(diào)查，巖畫區(qū)域內(nèi)發(fā)育有35條裂隙，其中有2組構(gòu)造裂隙和1組層面裂隙，即構(gòu)造裂隙29條，層面裂隙6條(見圖5).構(gòu)造裂隙的產(chǎn)狀分別為： ① 傾向310°～360°，傾角近直立；② 傾向210°～250°，傾角近直立.區(qū)域巖層的層面傾向?yàn)?00°～125°，傾角為11°～20°.構(gòu)造裂隙以剪裂隙為主，裂隙面平直，延伸較長，一般延伸數(shù)米至數(shù)十米.層面裂隙是巖層沉積形成過程中產(chǎn)生的，是控制該區(qū)域滲水和崩塌的主要裂隙，數(shù)量較少，但延伸長度大.構(gòu)造裂隙與層面裂隙交錯切割，形成滲水帶.此外，還有一些裂隙面起伏的張拉卸荷裂隙發(fā)育.

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造背景，巖畫區(qū)域的斷層為壓扭性走滑斷層F1和分支斷層F2.這2條斷層為花山巖畫控制性地質(zhì)構(gòu)造，區(qū)內(nèi)發(fā)育的其他大量構(gòu)造裂隙與這2條斷層具有一定的相關(guān)性和繼承性.在斷層兩盤相對運(yùn)動的過程中，斷層一盤或者兩盤的巖石中常產(chǎn)生派生的張拉裂隙和剪切裂隙.這些派生的裂隙與主斷層斜交，其交角大小因派生裂隙的力學(xué)性質(zhì)不同而異.

羽狀張剪裂隙(或斷層)與主斷層常成45°相交，其交銳角方向指示裂隙所在盤的運(yùn)動方向.斷層F2屬該類斷層，其走向與主斷層F1近45°斜交，同時(shí)有巖漿(花崗斑巖)入侵.根據(jù)斷層F1和F2的組合關(guān)系及其和該類張剪裂隙的組合關(guān)系，可以判定斷層F1曾發(fā)生過一次壓扭性左行運(yùn)動.

斷層派生裂隙除羽狀張剪裂隙外，還產(chǎn)生了兩組次生的剪切裂隙(圖6中的S1和S2).一組與斷層面成小角度相交，其交角一般在15°以下，相當(dāng)于內(nèi)摩擦角的一半；另一組往往與斷層成大角度或近于直角相交.小角度相交的一組裂隙，其銳角指示本盤的運(yùn)動方向.花山巖畫崖壁巖體發(fā)育大量平直的陡傾裂隙應(yīng)與這兩組裂隙關(guān)聯(lián)密切.小角度相交的一組走向約為320°，大角度相交的一組走向約為50°.從斷層、裂隙組合關(guān)系來看，斷層F1還曾發(fā)生過一次右行活動.

圖6 斷層與裂隙理論位置示意圖Fig.6 The theoretical location of faults and cracks

從崖壁巖體剪切裂隙和張拉裂隙特征判斷，斷層F1發(fā)生過兩次運(yùn)動，而這兩次活動的方向相反；形成主斷層F1與分支斷層F2的主斷層活動為左行運(yùn)動；后期斷層F1還曾發(fā)生過一次右行運(yùn)動，并形成了巖壁上大量的陡傾剪切裂隙，同時(shí)導(dǎo)致前期侵入的巖體發(fā)生破碎和動力變質(zhì).各組裂隙之間的相互切割及裂隙與斷層的相互組合是構(gòu)成巖畫表面巖體開裂的內(nèi)在影響因素(圖7)，同時(shí)斷層構(gòu)造運(yùn)動應(yīng)力作用形成的隱性裂隙為后期外力作用誘發(fā)開裂變化奠定了基礎(chǔ).

圖7 斷層F1與裂隙走向關(guān)系圖Fig.7 The relationship between fault F1 and cracks’ strike

3.2 光照和環(huán)境溫度場對巖畫開裂的影響

3.2.1 光照度

結(jié)合傳熱學(xué)理論，巖體溫度變化的主要影響因素是太陽熱輻射，而大氣與巖體之間的熱傳導(dǎo)居次要地位[16].花山巖畫的光照度隨季節(jié)、天氣等因素變化，秋、冬季節(jié)及晴天、陰天的典型光照度曲線見圖8.由測試結(jié)果可知： 秋季晴天光照度明顯高于冬季，冬季光照度僅為秋季最大光照度的62.8%；秋冬陰雨天氣光照度大幅降低，約為晴朗天氣的1/5～1/10，冬季略低于秋季.經(jīng)測試，各個季節(jié)的平均日光照時(shí)間均在12 h左右，最大光照度出現(xiàn)的時(shí)間集中在15∶00左右，即太陽西曬崖壁的時(shí)刻；而陰雨天的光照度較為分散，集中于10∶00到15∶00之間.

圖8 秋冬季節(jié)晴天、陰天的典型光照度曲線Fig.8 Typical intensity of illumination curve of sunny and cloudy days in autumn and winter

3.2.2 開裂體與巖體表面溫度

花山巖畫本體發(fā)育大量與崖壁平行的開裂體，常表現(xiàn)出與后壁完整巖體較高的溫度差異，導(dǎo)致在裂縫末端形成一定的附加溫度應(yīng)力場，加速開裂體的進(jìn)一步發(fā)展.為研究開裂體與完整巖石溫度的變化規(guī)律，對秋、冬季節(jié)開裂體與完整巖石的溫度進(jìn)行了監(jiān)測.由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：大氣溫度、開裂體溫度和完整巖體溫度呈周期性變化，變化趨勢大致相同，但峰值存在一定差別.開裂體的溫度與完整巖體的溫差有0～7 ℃.這是因?yàn)殚_裂體脫離山體之后，裂隙成了開裂體與山體之間的相對隔熱層，當(dāng)開裂體受太陽輻射升溫時(shí)，由于裂縫的阻隔作用，難以將熱量傳遞到山體內(nèi)部.而完整巖體則直接受山體溫度控制，當(dāng)表面溫度升高時(shí)，熱量將向山體內(nèi)部傳導(dǎo)，而當(dāng)外界環(huán)境溫度降低時(shí)，山體內(nèi)部熱量又向巖體表面?zhèn)鬟f.深部巖體對表層巖體的溫度有明顯的緩沖作用，因此后壁完整巖體表面溫度變化小于開裂體表面.

對秋冬季節(jié)開裂體與后壁完整巖石之間每一天當(dāng)中出現(xiàn)的溫差(ΔT=T開裂體-T完整巖石)最大、最小值，以及每天溫差變化幅度(以ΔTmax-ΔTmin計(jì))出現(xiàn)的概率分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖9.ΔT的正負(fù)間接表示了開裂體的受力狀態(tài)，當(dāng)ΔT為正值時(shí)，開裂體溫度比完整巖體高，開裂體處于膨脹狀態(tài)，在裂隙末端受到完整巖石的擠壓；當(dāng)ΔT為負(fù)值時(shí)，開裂體溫度比完整巖體低，開裂體處于收縮狀態(tài)，在裂隙末端受到張拉作用.溫差變化幅度能間接反映一天之內(nèi)開裂體末端受巖石從拉到壓狀態(tài)下的應(yīng)力變化幅度的大小.

教師應(yīng)該根據(jù)初中生物理學(xué)習(xí)的具體要求，構(gòu)建信息化物理學(xué)習(xí)平臺，全面優(yōu)化初中生物理學(xué)習(xí)空間，為學(xué)生提供良好的物理學(xué)習(xí)渠道。首先，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生自主利用信息技術(shù)，搜集與課程內(nèi)容相關(guān)的素材，豐富自身物理學(xué)知識儲備。其次，教師利用信息技術(shù)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)交流群[3]，定期在群中分享物理學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)物理學(xué)習(xí)信息共享，讓學(xué)生掌握更加豐富的物理學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)與技巧，全面提高初中生物理學(xué)習(xí)水平。

圖9 秋冬季節(jié)開裂體與完整巖石溫差及溫差變化幅度Fig.9 Temperature difference and its maximum changes between crust and intact rock in autumn and winter

從開裂體與完整巖體的溫差能夠看出(圖9(a))，秋季兩者的溫差在±4 ℃之間，而冬季的溫差在-7～6 ℃之間.盡管冬季太陽輻射強(qiáng)度減弱，環(huán)境溫度降低，但冬季開裂體與完整巖石表面溫度變化的幅度卻比秋季大的多，開裂體與完整巖石的溫差是秋季的兩倍，即開裂體末端在冬季受到的拉應(yīng)力比在秋季的大.從溫差變化幅度來看(圖9(b))，冬季超過30%的天數(shù)的溫度變化幅度高于秋季，這表明在冬季花山巖畫開裂體末端受到溫度應(yīng)力的破壞作用更大.

圖10(a)為秋、冬季節(jié)開裂體與完整巖石在某一天之內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù).從兩者的升溫順序上看，兩個季節(jié)有一定差異.冬季環(huán)境溫度較低，開裂體升溫受太陽輻射影響更大，升溫速度較完整巖體快，太陽落山之后，降溫速度也快，這是在冬季兩者溫差變化比在秋季大的原因.對比圖10(a)與(b)，在秋、冬季節(jié)ΔTmin(A、E點(diǎn))與ΔTmax(B、D點(diǎn))所對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)并不是開裂體與完整巖石出現(xiàn)最高溫的時(shí)刻，而是在開裂體與完整巖石升降溫的過程中，說明兩者之間的溫差主要是由于不同步升降溫引起的.特別是在冬季，當(dāng)太陽被云遮擋時(shí)，巖石在一天中會出現(xiàn)多次迅速的升降溫現(xiàn)象，這種強(qiáng)烈的變化會促使高溫度差的產(chǎn)生(點(diǎn)D)，對開裂體造成更為嚴(yán)重的破壞.

圖10 秋冬季節(jié)開裂體與完整巖石的溫度與溫差Fig.10 Temperature and temperature difference between crust and intact rock in autumn and winter

3.2.3 溫度梯度

由熱量引起巖體風(fēng)化的原因不在于巖體溫度的高低，而是在于巖體內(nèi)部的溫度梯度變化.溫度梯度變化越大，巖石內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力就越大，巖石開裂的速度也越快.所以有必要重點(diǎn)探討巖體一定深度內(nèi)的溫度梯度變化情況.溫度梯度的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ti，ti-1為i，i-1點(diǎn)的溫度值；di，di-1為i，i-1點(diǎn)與巖體表面的垂直距離.結(jié)合監(jiān)測點(diǎn)的布置情況，取0～5，5～15，15～30，30～50 cm 4個區(qū)間的溫度梯度為研究對象.

從各層位的溫度變化趨勢能夠看出(圖11(a))，巖體內(nèi)部溫度具有與巖體表面類似的溫度周期性波動.傍晚環(huán)境溫度小于巖體表面溫度的情況下，山體將朝外散熱，巖體表面溫度低于內(nèi)部溫度；下午陽光直射崖壁，會使崖壁溫度迅速上升，表面溫度將迅速高于巖體內(nèi)部的溫度，熱量由巖石表層向山體內(nèi)部傳遞.由于崖壁西曬，巖體表面溫度往往在16：00左右出現(xiàn)最高峰.

從各層位之間的溫度梯度能夠看出(圖11(b))，0～5 cm深度內(nèi)的巖石溫度梯度最大，隨著進(jìn)入巖體內(nèi)部的深度加深溫度梯度逐漸降低.當(dāng)溫度升高時(shí)，內(nèi)部巖體與外部巖體發(fā)生不同程度的膨脹，外部的膨脹更為明顯，此時(shí)表層巖體與內(nèi)部巖體之間產(chǎn)生與崖壁表面垂直的拉應(yīng)力.當(dāng)溫度下降，巖體表面處于低溫收縮狀態(tài)而巖體內(nèi)部仍然因較高的溫度保持膨脹狀態(tài)時(shí)，在巖體表面會形成平行于崖壁的張拉應(yīng)力.由于巖石的抗拉強(qiáng)度較低，這種降溫階段所產(chǎn)生的表面拉應(yīng)力對巖體表層有較大的損傷作用，是導(dǎo)致花山巖畫表面開裂的主要因素.隨著溫度應(yīng)力拉壓循環(huán)次數(shù)的無限增多，損傷的累積就產(chǎn)生明顯的“風(fēng)化”作用，這也是所謂的“熱應(yīng)力疲勞”效應(yīng).

圖11 秋冬季節(jié)巖體的溫度與溫度梯度Fig.11 Rock temperature and temperature gradient in autumn and winter

3.2 水鹽作用對巖畫開裂的影響

調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)： 水鹽的相互作用是加速巖體開裂與破壞的另外一個重要因素.在崖壁表面、裂隙處經(jīng)?？吹接邪咨龀鑫铮?jīng)檢測該白色析出物為水菱鎂礦和少量石膏(圖13).

花山巖畫區(qū)域的水主要來自于大氣降水、裂隙滲水以及凝結(jié)水.大氣降水和裂隙水多引起崖壁表面的中溶鹽覆蓋，而凝結(jié)水則多出現(xiàn)于開裂體裂隙中.凝結(jié)水的形成不但與溫度和濕度有關(guān)，還與空氣流通有密切的關(guān)系.相比崖壁，開裂體內(nèi)部空氣的流通性更差，更有利于凝結(jié)水的形成.一般凝結(jié)水的形成有兩種情況：

① 開裂體表面的溫度低于內(nèi)部完整巖體的溫度.這種情況一般發(fā)生在晚上，由于外界環(huán)境溫度較低，山體內(nèi)的熱能向崖壁傳播.山體內(nèi)部的高溫高濕度氣體在流經(jīng)表面開裂的巖體裂隙通道時(shí)，當(dāng)裂隙面溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，在這些部位就會形成凝結(jié)水.

② 開裂體表面溫度高于內(nèi)部完整巖體的溫度.這時(shí)，在高溫高濕的大氣環(huán)境中低溫的裂隙面比開裂體表面更容易低于露點(diǎn)溫度，形成凝結(jié)水.

在高溫下形成的無水Na2SO4在巖壁溫度降低后會吸水形成芒硝Na2SO4·10H2O，無水瀉利鹽MgSO4會吸水形成七水瀉利鹽MgSO4·7H2O，無水石膏CaSO4會吸水形成二水石膏CaSO4·2H2O，導(dǎo)致鹽類的體積迅速膨脹.賦存在崖壁表面微裂隙中的無水鹽類在吸水膨脹的過程中，會在巖石表面微裂隙中產(chǎn)生導(dǎo)致裂隙擴(kuò)張的膨脹壓力，而這種可溶鹽的反復(fù)結(jié)晶作用是隨著巖體表面及裂隙內(nèi)部溫度、濕度晝夜循環(huán)不斷發(fā)生的，最終導(dǎo)致巖體表面開裂.

4 結(jié) 語

通過對地質(zhì)構(gòu)造、開裂體特征、巖體溫度場及水鹽作用等對花山巖畫本體表層巖體開裂體產(chǎn)生的因素進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1) 壓扭性構(gòu)造運(yùn)動作用力形成的與崖壁15°及90°相交的裂隙是導(dǎo)致花山巖畫巖體開裂、脫落的內(nèi)因.在構(gòu)造裂隙相互交叉切割的部位，往往是構(gòu)造應(yīng)力集中、巖石劣化強(qiáng)烈的部位.在地質(zhì)構(gòu)造的作用下產(chǎn)生的隱形裂隙是后期裂隙發(fā)展破壞的基礎(chǔ).

(2) 太陽輻射作用誘發(fā)的花山巖畫表層巖體溫度應(yīng)力變化是巖體開裂的主要外部因素之一，崖壁的溫度變化受太陽輻射西曬作用的影響，太陽輻射最高強(qiáng)度一般在15：00時(shí)左右.

(3) 表層巖體一旦產(chǎn)生裂隙，與崖壁脫離，開裂體將對環(huán)境更為敏感，與完整巖石的溫差會導(dǎo)致在裂縫末端形成高附加溫度應(yīng)力場，加速巖體的開裂.在氣候環(huán)境和山體溫度差異越大的季節(jié)，完整巖石和開裂體表面的溫度差異明顯，在冬季兩者的溫差可達(dá)到±7 ℃，其破壞作用更為顯著.

(4) 巖石溫度梯度在巖體深度為0～5 cm范圍內(nèi)常年變化顯著，尤其在冬季，太陽輻射造成表層巖體溫度的變化更為劇烈，巖體的溫度梯度比秋季更高，接近150 ℃/m.這種巖石表層的溫度應(yīng)力是加速表層巖體微裂隙發(fā)展，引起巖體開裂的關(guān)鍵因素.太陽輻射對巖體表層影響的主要范圍及其誘發(fā)的應(yīng)力顯著區(qū)域?yàn)檠卤诤穸葹?～5 cm區(qū)域內(nèi)的巖體.

(5) 水也是重要的環(huán)境影響因素.水以及水狀態(tài)的變化在崖壁裂隙中形成一系列以芒硝、瀉利鹽、石膏為主的易溶鹽和中溶鹽.在崖壁西曬的高溫情況下，這些鹽以無水相態(tài)為主，溫度降低后，無水鹽將吸水膨脹，加劇開裂巖體的破壞.

(6) 基于花山巖畫表層開裂體的開裂機(jī)制，表層開裂巖石黏接材料應(yīng)具有與巖石相似的導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)以及透水性等匹配性.