水巖作用對沈府君闕表層剝落影響機(jī)制分析

趙 凡,姚 雪,謝振斌

(1.四川省文物考古研究院,四川 成都 610041;2.西南民族大學(xué) 旅游與歷史文化學(xué)院,四川 成都 610041)

四川省渠縣素有“漢闕之鄉(xiāng)”美譽(yù),沈府君闕為渠縣漢闕唯一雙闕幸存者,屬石質(zhì)文物建筑,雙闕形制一致,為子母闕,子闕皆毀,母闕通高約4.8 m,由闕基、闕身、闕樓、闕頂4部分組成,為整塊或多塊砂巖構(gòu)件壘砌,闕頂四周和闕身雕刻局部缺失[1]。該漢闕造型古樸、雕刻精美,為我國地面現(xiàn)存時代最早、保存最完整的仿木結(jié)構(gòu)建筑遺存之一,闕樓浮雕圖案為研究漢代社會生產(chǎn)、民俗生活、精神信仰等提供了豐富的實物,闕身隸書銘刻字體瘦勁清朗、流暢飄逸，屬漢代書法藝術(shù)珍品,為第一批全國重點文物保護(hù)單位?，F(xiàn)有研究主要集中在建筑考古、秦漢歷史、書法藝術(shù)等方面,文物保護(hù)領(lǐng)域?qū)Υ宋从醒芯俊?/p>

近兩千年來受各種自然營力和人為破壞影響,闕體巖石表層劣化嚴(yán)重,主要表現(xiàn)為各種形式的剝落。根據(jù)李宏松對石質(zhì)文物表層剝落定義[2],該病害屬于表層完整性破壞,指石材表層全部或部分在較小的外力條件下發(fā)生基本平行于壁面逐漸脫離母體的現(xiàn)象。該病害造成漢闕價值核心表面銘刻文字、浮雕圖案等局部殘損不全或漫漶不清,進(jìn)一步發(fā)展將導(dǎo)致闕體巖石表層與內(nèi)部母體不斷剝落,對文物的完整性和真實性造成破壞。

對于露天保存的石質(zhì)文物建筑、石窟、崖墓等石質(zhì)不可移動文物而言,巖石表層劣化為一種普遍問題[3-5]。近年來國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對石質(zhì)文物表層劣化開展了較多研究,通過病害現(xiàn)狀調(diào)查及劣化模擬試驗研究,普遍認(rèn)為各種水的長期作用往往是導(dǎo)致表層劣化的主要原因,南方地區(qū)露天砂巖石質(zhì)文物表層劣化受水的影響尤為顯著,通常水作為對象或介質(zhì)通過物理和化學(xué)作用參與巖石表層劣化過程,生物作用的影響也不容忽視。秦中等通過對樂山大佛粉砂巖樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析、微侵蝕測量、硬度測試、微觀結(jié)構(gòu)觀察等[6],指出石刻風(fēng)化主要在于水、生物等環(huán)境因素對粉砂巖膠結(jié)物的破壞;李黎等在龍游石窟水環(huán)境調(diào)查基礎(chǔ)上采用砂巖巖樣進(jìn)行浸沉試驗[7],得出砂巖風(fēng)化主因為石窟滲水與砂巖黏土礦物之間的相互作用;邵明申等對承德避暑山莊砂巖文物進(jìn)行了病害調(diào)查和樣品測試[8],認(rèn)為鈣質(zhì)膠結(jié)物溶解、干濕交替和鹽分結(jié)晶是砂巖風(fēng)化的主因;李震等對大足石刻小佛灣造像砂巖巖樣采用干濕、凍融和酸雨循環(huán)進(jìn)行了模擬劣化試驗[9],結(jié)果表明水對砂巖的破壞由表及里進(jìn)行,酸雨循環(huán)破壞最嚴(yán)重、凍融循環(huán)次之、干濕循環(huán)最小;黃繼忠等對云岡石窟砂巖巖樣利用濕杯法開展了水汽擴(kuò)散試驗[10],分析了風(fēng)化程度和環(huán)境相對濕度梯度對砂巖擴(kuò)散特性的影響。目前此類研究主要通過病害現(xiàn)狀調(diào)查及成因分析得出水的作用為砂巖石質(zhì)文物表層劣化的主因,也有少數(shù)研究采用模擬試驗對砂巖巖樣劣化機(jī)理進(jìn)行探索,但均未從水巖作用角度對賦存水環(huán)境中各類水與砂巖石質(zhì)文物之間的作用方式、過程及結(jié)果進(jìn)行較為全面的分析。

水巖作用是巖土工程等相關(guān)領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容,國內(nèi)外學(xué)者在水和砂巖相互作用方面開展了大量研究,普遍認(rèn)為水通過物理、化學(xué)、力學(xué)等綜合作用導(dǎo)致砂巖劣化,表現(xiàn)出微細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷和宏觀力學(xué)性能下降[11-15]。雖然目前該方面研究成果可以為砂巖劣化機(jī)理提供較多理論依據(jù),但是對于砂巖石質(zhì)文物而言,兩者在研究的目的和需求、尺度和精度、內(nèi)容側(cè)重點等方面存在一定差異,還需要針對具體對象和問題,尤其是水巖作用對南方地區(qū)露天砂巖石質(zhì)文物表層劣化影響等進(jìn)行研究。

本文基于現(xiàn)有研究成果和方法,針對水巖作用對南方地區(qū)露天砂巖石質(zhì)文物表層劣化影響問題,以沈府君闕典型病害表層剝落為對象,通過病害特征和賦存水環(huán)境的調(diào)查,結(jié)合新鮮巖樣與表層剝落巖樣微觀結(jié)構(gòu)、礦物成分、易溶鹽等指標(biāo)的對比分析,探討了闕體水巖作用方式時空特征和表層剝落形成機(jī)制。以期為沈府君闕保護(hù)維修提供依據(jù),深化對砂巖石質(zhì)文物表層劣化的認(rèn)識。

1 病害特征

調(diào)查發(fā)現(xiàn),闕體表層剝落根據(jù)表現(xiàn)形式可分為殼狀剝落、片狀剝落和粉狀剝落,病害特征如圖1所示。

圖1 表層剝落病害特征(東闕南立面)Fig.1 Diseases characteristics of surface peeling

1)殼狀剝落(見圖1A):主要表現(xiàn)為巖石表層平行巖面的殼層,厚度差異較大,大多在3～8 mm,最厚可達(dá)10 mm以上,表面致密堅硬,內(nèi)部疏松粉化,局部與母巖分離形成空腔或空隙,稍用力撬動可將其剝離,剝落體呈薄板狀或厚殼狀,完整性較好。

2)片狀剝落(見圖1B):主要表現(xiàn)為巖石表層平行或交錯的片層,一般厚度2～4 mm,結(jié)構(gòu)疏松,層間結(jié)合較差,稍用力觸碰便會剝落,剝落體呈薄片狀或片層狀,完整性差。

3)粉狀剝落(見圖1C):主要表現(xiàn)為巖石表層疏松粉化或?；?局部表面呈鹽霜現(xiàn)象,一般厚度1～3 mm,結(jié)構(gòu)十分疏松,輕微觸摸即可脫落,剝落體呈粉末狀或顆粒狀,完整性極差。

病害在東西兩闕4個立面均有發(fā)生,主要集中在闕身下部和闕樓,殼狀剝落基本都分布在闕身下部,剝落體內(nèi)部新出露母巖表層往往表現(xiàn)為片狀或粉狀剝落;片狀和粉狀剝落主要分布在闕身下部、闕樓等處,大多相互伴生,闕樓粉狀剝落區(qū)局部呈鹽霜現(xiàn)象。各種剝落形式分布規(guī)律性較強(qiáng),空間上相互伴生現(xiàn)象明顯,時間上具有一定連續(xù)性。

2 賦存環(huán)境

2.1 地質(zhì)條件

漢闕場地屬構(gòu)造剝蝕淺切丘陵坡積地貌單元,地勢由東北向西南緩傾。地層結(jié)構(gòu)簡單,上覆第四系松散層,下伏侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組泥質(zhì)砂巖,揭露地層由新至老依次為:第一層人工填土、第二層粉質(zhì)黏土、第三層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、第四層中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。第四系松散層最大揭露厚度2.50 m,強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層平均厚度1.69 m,兩者呈不整合接觸關(guān)系。根據(jù)地質(zhì)剖面和力學(xué)試驗統(tǒng)計結(jié)果,第四系地層厚度小,基巖面起伏較小,地基基礎(chǔ)持力層力學(xué)性質(zhì)較好,相鄰鉆孔的壓縮層范圍內(nèi)巖土層界面坡度<10°,應(yīng)視為均勻地基,未見不良地質(zhì)現(xiàn)象。地震烈度為6度,設(shè)計基本地震加速度值為0.05 g,地震作用對漢闕影響不明顯。

場地地表水主要為大氣降水形成的徑流,自然集雨面積較小,約0.03 km2,沿坡面向西南側(cè)排泄,自然坡度5°～8°,是補(bǔ)給地下水主要來源。地下水埋深0.8～2.3 m,枯豐水位變幅2 m左右,主要為上層滯水、基巖風(fēng)化裂隙水與構(gòu)造裂隙水,前者賦存于人工填土、粉質(zhì)黏土中,富水性差,滲透性中等,受大氣降水及地表水補(bǔ)給,水量較小;后者賦存于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙中,賦存條件受構(gòu)造裂隙分布情況和發(fā)育程度控制,富水性不穩(wěn)定,滲透性中等,主要受大氣降水補(bǔ)給及巖層傾向方向的補(bǔ)給,水量較小。

2.2 水環(huán)境特點

2.2.1 水的類型

1)大氣降水:根據(jù)國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心資料,渠縣年平均降雨量1 122.8 mm,5—9月月平均降雨量均在100 mm以上,占年平均降雨量72.1%,年日降水量≥50.0 mm日數(shù)可達(dá)3.3 d,具有雨量充沛、降雨集中、暴雨頻發(fā)的特點。

2)地表水:主要為雨季強(qiáng)降雨形成的地表徑流,大多隨地勢沿坡面分散排泄,少數(shù)匯聚在闕基旁低洼處形成積水。調(diào)查走訪發(fā)現(xiàn),早期闕體周圍為冬水田,闕基曾長期浸泡水中。

3)地下水:主要通過潛水面上部第四系松散層中毛細(xì)飽和帶作用于闕基底板,作為水分遷移通道長期為闕體下部提供地下水補(bǔ)給,豐水期作用明顯。

4)冷凝水:根據(jù)國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心資料,渠縣年平均相對濕度83.3%,10月到次年1月月平均相對濕度在85%以上,少數(shù)時段冬季夜間相對濕度可達(dá)99%(監(jiān)測數(shù)據(jù)最大值)。調(diào)查期間闕體表面有結(jié)露現(xiàn)象。

2.2.2 水質(zhì)分析 取漢闕區(qū)域大氣降水、地表水和地下水中代表性水樣進(jìn)行水質(zhì)簡分析(見表1)。

由表1分析可知,4組水樣均呈中性,化學(xué)類型為HCO3-Na,礦化度較小。地表水和地下水相比大氣降水礦化度略有增加,各離子含量也有不同程度增加,以SO42-含量增幅最大,可見大氣降水、地表水和地下水三者之間補(bǔ)給循環(huán)條件較好,存在直接水力聯(lián)系,較高的SO42-含量為闕體巖石中硫酸鹽的聚集提供了有利條件。此外水樣QS-S-2中NH4+含量相對偏高,初步分析可能與該處地表水受漢闕周圍農(nóng)田灌溉水沿坡面排泄影響有關(guān)。

表1 水樣水質(zhì)簡分析結(jié)果Tab.1 Results of fundamental water quality analysis

3 巖樣性質(zhì)

3.1 巖樣特征

分別取代表性新鮮巖樣和表層剝落巖樣,前者取自漢闕周圍散落闕體殘塊內(nèi)部風(fēng)化程度輕微部分,后者取自漢闕本體表層剝落病害特征位置。巖樣詳情見表2,表層剝落巖樣取樣位置見圖2。

表2 巖樣詳情Tab.2 Details of rock samples

圖2 表層剝落巖樣取樣位置Fig.2 Location of surface peeling samples

3.2 薄片鑒定

取新鮮巖樣進(jìn)行薄片鑒定,薄片正交偏光照片見圖3。

注:Qtz，石英;Pl，長石;Mdst，泥巖巖屑;Cal，方解石膠結(jié)物圖3 新鮮巖樣薄片正交偏光照片F(xiàn)ig.3 Petrography image of unweathered rock samples

根據(jù)薄片鑒定結(jié)果,新鮮巖樣為鈣質(zhì)細(xì)粒巖屑砂巖,具有砂狀結(jié)構(gòu),其中碎屑約占70%,填隙物約占30%。碎屑以次棱角狀、 次圓狀為主, 磨圓中等,主要為細(xì)粒砂屑,分選性好,成分主要為石英,其次為長石和泥巖巖屑,還有少量白云母、水黑云母、綠泥石等。填隙物分布于碎屑間隙,起膠結(jié)作用,為方解石膠結(jié)物,呈不規(guī)則填隙狀廣泛分布在碎屑間隙。 顆粒支撐,孔隙式膠結(jié)。

3.3 掃描電鏡觀察

取新鮮巖樣和各類表層剝落巖樣,采用日本日立公司S-480型場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行測試,選取各樣品結(jié)構(gòu)特征典型區(qū)域進(jìn)行多微區(qū)掃描觀察,選擇其中代表性SEM照片如圖4所示。

由圖4分析可知,新鮮巖樣(見圖4A)結(jié)構(gòu)致密,顆粒粒間膠結(jié)物緊密填充,偶見少量縫隙發(fā)育,與薄片鑒定結(jié)果方解石膠結(jié)物呈不規(guī)則填隙狀廣泛分布在碎屑間隙一致;殼狀剝落巖樣(見圖4B)結(jié)構(gòu)較致密, 顆粒粒間膠結(jié)物部分流失形成較多空隙,有條狀、片狀等次生礦物包裹表面及填充空隙;片狀剝落巖樣(見圖4C)結(jié)構(gòu)較松散,顆粒粒間膠結(jié)物大部分流失形成大量空隙及空洞,有絮狀次生礦物附著表面,顆粒風(fēng)化蝕變較嚴(yán)重,邊緣主要呈次棱角狀;粉狀剝落巖樣(見圖4D)結(jié)構(gòu)松散, 顆粒粒間膠結(jié)物基本全部流失形成

圖4 巖樣SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM image of rock samples

大量相互連通的縫隙和空洞,顆粒之間甚至相互分離,顆粒風(fēng)化蝕變嚴(yán)重,邊緣主要呈次圓狀。整體上各類表層剝落巖樣相比新鮮巖樣微觀結(jié)構(gòu)均有不同程度改變,主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)密實程度、粒間孔隙大小、顆粒邊緣形態(tài)等方面。其中殼狀、片狀、粉狀剝落3類巖樣結(jié)構(gòu)密實程度不斷減小,粒間膠結(jié)物流失和顆粒邊緣風(fēng)化蝕變程度不斷增大,可見砂巖原結(jié)構(gòu)破壞程度依次增大,尤其粉狀剝落巖樣原結(jié)構(gòu)基本完全破壞,粒間失去聯(lián)結(jié),這與各類表層剝落宏觀上病害特征及巖樣性狀基本一致。

3.4 X射線衍射分析

取全部巖樣,采用日本理學(xué)公司D/max-2500型X射線衍射儀進(jìn)行測試,分析巖樣礦物成分種類及相對含量,結(jié)果見表3。

表3 巖樣XRD分析結(jié)果Tab.3 XRD results of rock samples

相比新鮮巖樣各類表層剝落巖樣礦物成分中大多新增石膏、少數(shù)新增蒙脫石和赤鐵礦,礦物成分相對含量均有不同程度變化,以方解石、黏土礦物、石膏等差異較為顯著。其中方解石含量在片狀剝落和粉狀剝落巖樣中大幅減少,尤其粉狀剝落巖樣中基本消失,殼狀剝落巖樣外側(cè)略有增加,結(jié)合巖樣微觀結(jié)構(gòu)初步分析,片狀、粉狀剝落巖樣主要由粒間鈣質(zhì)膠結(jié)物大量流失所致,殼狀剝落巖樣與表面覆蓋的帶狀、絮狀次生礦物主要為鈣質(zhì)膠結(jié)物有關(guān)[16]。黏土礦物含量在各類表層剝落巖樣中均有增加,片狀剝落巖樣增幅最大,其中巖樣QS-B-4內(nèi)外兩側(cè)均有少量蒙脫石生成,初步分析這主要與長石等易風(fēng)化礦物蝕變有關(guān)[17-18]。石膏主要出現(xiàn)在片狀與粉狀剝落巖樣中,殼狀剝落巖樣內(nèi)側(cè)也有少量,以粉狀剝落巖樣含量最高,推測石膏的生成與漢闕賦存水環(huán)境中較高的SO42-含量有關(guān)[19]。赤鐵礦僅出現(xiàn)在殼狀剝落巖樣外側(cè),根據(jù)蔡元興等研究[20]，這主要為巖石內(nèi)部鐵元素遷移富集至表面在潮濕環(huán)境下氧化形成紅褐色Fe2O3所致,也解釋了巖樣外表面呈淺褐色。此外殼狀剝落巖樣內(nèi)外兩側(cè)礦物成分種類及相對含量差異較明顯,內(nèi)側(cè)新增石膏,外側(cè)新增赤鐵礦,外側(cè)相比內(nèi)側(cè)方解石含量有所增加。

3.5 離子色譜分析

取全部巖樣,研磨后篩分取小于0.075 mm 細(xì)顆粒,采用美國戴安公司ICS-90睿智型離子色譜儀進(jìn)行測試,分析巖樣易溶鹽離子種類及含量,結(jié)果見圖5。

圖5 巖樣易溶鹽離子種類及含量Fig.5 Types and contents of soluble salt ions in rock samples

相比新鮮巖樣各類表層剝落巖樣易溶鹽離子種類一致,各離子含量和總量均有不同程度增加。陰離子增幅SO42-最大、Cl-次之,陽離子增幅Na+最大、Ca2+和Mg2+次之,說明表層剝落巖樣易溶鹽以硫酸鹽及氯鹽為主,尤其粉狀剝落巖樣SO42-和Na+含量可占總量一半以上,可見其中有大量芒硝生成。離子總量殼狀剝落巖樣略有增加,粉狀和片狀剝落巖樣大幅增加,尤其闕樓上部粉狀剝落巖樣QS-B-5和QS-B-6均高達(dá)8 mg/g以上,這與此病害宏觀上表現(xiàn)形式呈鹽霜現(xiàn)象一致。此外殼狀剝落巖樣內(nèi)外兩側(cè)各離子含量和總量也有所差異,內(nèi)側(cè)相比外側(cè)SO42-和Na+含量明顯增加,離子總量也略有增加。

4 討論

4.1 闕體水巖作用方式時空特征

根據(jù)漢闕形制結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)、保存狀況等以及賦存水環(huán)境特點，由各類水與闕體巖石之間相互作用關(guān)系分析,闕體水巖作用可分為直接方式和間接方式,前者為大氣降水、地表水、地下水、冷凝水通過水或水汽的運移直接作用于巖石,包括面流沖蝕、雨水滲流、毛細(xì)水遷移和冷凝水潤濕;后者為受各類水的影響通過含水率變化間接作用于巖石,包括干濕循環(huán)和凍融破壞。闕體水巖作用方式發(fā)生位置大致如圖6所示,發(fā)生時間特點見表4。

圖6 闕體水巖作用方式位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of direct water-rock interaction

結(jié)合表層剝落病害分布特征分析,各種剝落形式與水巖作用方式在空間上相關(guān)性明顯,闕身下部3種剝落形式均有發(fā)生,水巖作用方式為毛細(xì)水遷移、冷凝水潤濕、干濕循環(huán)、凍融破壞;闕樓主要有片狀和粉狀剝落發(fā)生,水巖作用方式為面流沖刷、雨水入滲、冷凝水潤濕、干濕循環(huán)。由闕體水巖作用方式位置和時間特點可知,雨水滲流、降雨沖刷、毛細(xì)水遷移和干濕循環(huán)對表層剝落影響相對明顯;冷凝水潤濕僅作用于闕體巖石淺表層且發(fā)生頻次較低,對表層剝落影響輕微;凍融破壞一般在南方地區(qū)巖土文物劣化研究中較少涉及,但是根據(jù)國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心資料,渠縣年日最低氣溫≤0℃日數(shù)為3.1 d,考慮到早期闕基在冬季曾長期浸泡在水中,闕身底部巖石處于飽和狀態(tài),其對表層剝落的影響不容忽視。

表4 闕體水巖作用方式時間特點Tab.4 Occurrence time of water-rock interaction

4.2 表層剝落形成機(jī)制

根據(jù)表層剝落病害特征和巖樣性質(zhì),結(jié)合闕體水巖作用方式時空特征及對表層剝落的影響,從水巖作用角度對3種表層剝落形成機(jī)制進(jìn)行了分析。

4.2.1 殼狀剝落 殼狀剝落基本都發(fā)生在闕身下部,表現(xiàn)為巖石表層平行巖面的殼層,表面致密堅硬,內(nèi)部疏松粉化,即巖石表層內(nèi)外兩側(cè)結(jié)構(gòu)差異性破壞。該區(qū)域水巖作用方式主要為毛細(xì)水遷移和干濕循環(huán),凍融破壞的影響也不容忽視。

分析毛細(xì)水在闕身下部自下而上由巖石內(nèi)部向表面遷移過程中,通過溶濾作用溶蝕方解石膠結(jié)物、易水解礦物等和水鹽運移攜帶可溶鹽向表面聚集。此過程中，一方面巖石內(nèi)部不斷發(fā)生膠結(jié)物流失、礦物水解等,導(dǎo)致粒間空隙逐漸增大;另一方面巖石表層主要發(fā)生膠結(jié)物、風(fēng)化產(chǎn)物等的表面聚集,由表及里逐漸填塞或堆積在粒間空隙,微觀結(jié)構(gòu)如殼狀剝落巖樣(QS-B-1)所示次生礦物包裹表面及填充空隙形成較致密結(jié)構(gòu)(見圖4B),致使毛細(xì)水遷移原有通道受阻,膠結(jié)物、風(fēng)化產(chǎn)物等大量向表層內(nèi)側(cè)聚集[21]。同時伴隨干濕循環(huán)作用,闕身下部表層內(nèi)側(cè)聚集的大量可溶鹽、膨脹性黏土礦物等不斷反復(fù)結(jié)晶或膨脹體積增大造成此處結(jié)構(gòu)逐漸破壞,巖石表層內(nèi)外兩側(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異[22]。此外闕身底部在歷史時期還受凍融破壞的影響,巖石表層在飽和狀態(tài)下孔隙水結(jié)冰相變體積增大加劇了此處結(jié)構(gòu)破壞。同時觀察發(fā)現(xiàn)，闕身選用砂巖石材層理構(gòu)造較為顯著,大致按南北兩側(cè)立面平行層理面加工,層理構(gòu)造特征是砂巖表層劣化的重要因素,砂巖平行層理面顆粒之間聯(lián)結(jié)作用相對較弱,往往也是劣化發(fā)生的薄弱面。由此長期作用巖石表層內(nèi)外兩側(cè)結(jié)構(gòu)差異不斷增大,尤其內(nèi)側(cè)砂巖粒間聯(lián)結(jié)減弱,外側(cè)結(jié)構(gòu)相對致密逐漸發(fā)育形成殼層,平行層理面的南北兩側(cè)立面更為明顯,最終殼層在溫差應(yīng)力、環(huán)境震動、外力擾動等因素影響下沿某一界面分離發(fā)生剝落。

4.2.2 片狀剝落 片狀剝落主要發(fā)生在闕身下部和闕樓,表現(xiàn)為巖石表層平行或交錯的片層,即巖石表層結(jié)構(gòu)片層狀破壞。闕身下部水巖作用方式與殼狀剝落相似,屬殼狀剝落發(fā)生以后內(nèi)部出露母巖新的破壞形式;闕樓水巖作用方式主要為雨水滲流、面流沖蝕和干濕循環(huán)。

分析闕身下部前期在各種水巖作用方式及其他因素影響下巖石表層外側(cè)殼層已經(jīng)剝落,內(nèi)側(cè)出露母巖，表層結(jié)構(gòu)已經(jīng)一定程度破壞,且聚集大量風(fēng)化產(chǎn)物。一方面闕樓在雨水自上而下由巖石內(nèi)部向表面滲流過程中,通過溶濾作用溶蝕方解石膠結(jié)物、易水解礦物等和水鹽運移攜帶可溶鹽向表面聚集;另一方面在雨水形成面流沿闕頂表面向下沖蝕過程中,通過機(jī)械沖刷，使得表面風(fēng)化產(chǎn)物向闕樓局部集中和化學(xué)溶蝕作用造成方解石膠結(jié)物流失。雖然上述過程中闕身下部和闕樓水巖作用方式不同,但兩者作用結(jié)果基本一致,即巖石表層聚集大量風(fēng)化產(chǎn)物,結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,如片狀剝落巖樣(QS-B-3和QS-B-4)相比新鮮巖樣礦物成分中黏土礦物含量顯著增加,石膏和易溶鹽含量也明顯增大。同時伴隨干濕循環(huán)作用,巖石表層聚集的大量黏土礦物、可溶鹽等不斷膨脹或結(jié)晶體積增大，造成此處結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞,微觀結(jié)構(gòu)如片狀剝落巖樣(QS-B-3)所示顆粒粒間形成大量空隙及空洞(見圖4C)。尤其闕樓片狀剝落巖樣(QS-B-4內(nèi)外兩側(cè))黏土礦物含量顯著增加且有蒙脫石生成,蒙脫石吸水膨脹性大更加劇了破壞程度[23]。由此長期作用巖石表層結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞,最終在其他外界因素影響下沿砂巖層理等薄弱面分離發(fā)生剝落。

4.2.3 粉狀剝落 粉狀剝落與片狀剝落伴生,也主要發(fā)生在闕身下部和闕樓,表現(xiàn)為巖石表層疏松粉化或粒化,闕樓局部呈鹽霜現(xiàn)象,即巖石表層結(jié)構(gòu)粉粒狀破壞。水巖作用方式與片狀剝落相似,闕身下部也屬殼狀剝落發(fā)生以后內(nèi)部出露母巖新的破壞形式。

分析粉狀剝落受水巖作用的影響與片狀剝落一致,區(qū)別在于巖石表層結(jié)構(gòu)破壞程度更為嚴(yán)重,主要體現(xiàn)在鹽風(fēng)化方面。根據(jù)粉狀剝落病害特征,闕樓局部呈鹽霜現(xiàn)象,結(jié)合闕體水巖作用方式分析,主要為雨水形成面流不斷溶解沖刷巖石表面聚集的可溶鹽,并隨水流在闕樓局部的前端潤濕鋒處沉積后失水結(jié)晶析出。同時由巖樣易溶鹽分析結(jié)果可知,粉狀剝落巖樣相比新鮮巖樣易溶鹽離子總量顯著增加,尤其闕樓處粉狀剝落巖樣(QS-B-5和QS-B-6)高達(dá)8 mg/g以上,有大量芒硝生成,同時新增較多中溶鹽石膏。根據(jù)相關(guān)研究，無水芒硝結(jié)晶形成芒硝時體積最大可增至4.18倍[24],硬石膏相變形成石膏摩爾體積增大為62.6%[25],芒硝、石膏等可溶鹽在干濕循環(huán)作用下體積增大顯著,導(dǎo)致粉狀剝落相比片狀剝落對砂巖結(jié)構(gòu)破壞更為嚴(yán)重,微觀結(jié)構(gòu)如粉狀剝落巖樣(QS-B-6)所示顆粒粒間形成大量相互連通的縫隙和空洞,甚至相互分離(圖4D)。由此長期作用巖石表層結(jié)構(gòu)完全破壞,并局部呈鹽霜現(xiàn)象,最終在其他外界因素影響下沿砂巖粒間薄弱處脫落。

4.3 闕體表層劣化進(jìn)程

根據(jù)上述表層剝落形成機(jī)制進(jìn)一步推斷,各種剝落形式現(xiàn)階段空間分布上的差異性,本質(zhì)上應(yīng)為闕體巖石表層劣化進(jìn)程不同的體現(xiàn),可將闕身下部和闕樓表層剝落分別概化為“階段性”和“漸進(jìn)性”2種模式。

闕身下部巖石內(nèi)部在由內(nèi)向外的水分遷移主導(dǎo)下，不斷發(fā)生溶濾和水鹽運移作用(見圖7A),前者導(dǎo)致膠結(jié)物等表面聚集填塞或堆積在巖石表層粒間空隙形成殼層,后者由于前者造成水分遷移通道受阻，致使可溶鹽等大量在殼層內(nèi)側(cè)富集,后期隨著可溶鹽活動、干濕循環(huán)、凍融破壞及層理構(gòu)造影響,殼層內(nèi)側(cè)砂巖結(jié)構(gòu)逐漸破壞,粒間空隙增大產(chǎn)生裂隙,不斷發(fā)育形成斷裂面(見圖7B),最終第一階段殼層沿斷裂面剝落,第二階段新出露母巖表層砂巖結(jié)構(gòu)在前期破壞基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展呈片狀或粉狀剝落(見圖7C)。

闕樓一方面巖石內(nèi)部在由內(nèi)向外的水分遷移下不斷發(fā)生溶濾和水鹽運移作用,另一方面巖石表面在由上而下的水流沖蝕下不斷發(fā)生機(jī)械沖刷和化學(xué)溶蝕作用(見圖8A),兩者共同作用導(dǎo)致巖石表層(面)聚集的膠結(jié)物和析出的可溶鹽很快被溶蝕或溶解并搬運至局部沉積,后期隨著可溶鹽活動、干濕循環(huán)等影響，巖石表層砂巖結(jié)構(gòu)逐漸破壞,粒間空隙增大產(chǎn)生裂紋,不斷發(fā)育形成裂紋網(wǎng)(見圖8B),最終，巖石表層砂巖結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)一步發(fā)展呈片狀或粉狀剝落,破壞程度漸進(jìn)性加深(見圖8C)。

圖7 表層剝落“階段性”模式(闕身下部)Fig.7 "periodic mode" of scaling off (lower part)

圖8 表層剝落“漸進(jìn)性”模式(闕樓)Fig.8 "gradual mode" of scaling off (middle-upper part)

5 結(jié)論

1)沈府君闕巖石表層剝落表現(xiàn)為殼狀、片狀和粉狀3種形式,以闕身下部和闕樓較為集中,空間上相互伴生現(xiàn)象明顯,時間上具有一定連續(xù)性。

2)闕體水巖作用可分為直接方式和間接方式,前者為通過水或水汽的運移直接作用于巖石的面流沖蝕、雨水滲流、毛細(xì)水遷移、冷凝水潤濕,后者為受水的影響通過含水率變化間接作用于巖石的干濕循環(huán)和凍融破壞。

3)不同表層剝落形式在闕體同一位置受水巖作用的影響基本一致,即巖石表層在直接作用的驅(qū)動下發(fā)生成分改變,同時在間接作用的參與下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。區(qū)別在于巖石表層破壞方式不同,殼狀剝落為表層內(nèi)外兩側(cè)結(jié)構(gòu)差異性破壞,片狀和粉狀剝落為表層結(jié)構(gòu)密實度破壞,粉狀剝落破壞程度更嚴(yán)重,主要體現(xiàn)在鹽風(fēng)化方面。

4)各種剝落形式現(xiàn)階段空間分布上的差異性,本質(zhì)上應(yīng)為闕體巖石表層劣化進(jìn)程不同的體現(xiàn),可將闕身下部和闕樓表層剝落分別概化為“階段性”和“漸進(jìn)性”2種模式。