四川雅安高頤闕病害調(diào)查與成因分析★

肖林芝

(成都市成華區(qū)文物保護管理所，四川 成都 610056)

石質(zhì)文物在我國歷史文化遺產(chǎn)中占有極其重要的地位，具有歷史悠久、分布面廣、價值高的特點。由于石質(zhì)文物通常體量較大，多處于露天或半露天環(huán)境，往往不可移動，普遍存在水害、本體污染、表面風(fēng)化等問題。隨著文物與周邊環(huán)境不斷交互作用，文物劣化情況日益加劇，亟待解決，石質(zhì)文物保護成為重要的研究課題[1]。相較于北方干燥環(huán)境下的石質(zhì)文物，南方石質(zhì)文物主要為砂巖，且受潮濕、多雨氣候的影響，南方石質(zhì)文物病害往往更加復(fù)雜多樣。

高頤闕位于四川省雅安市姚橋鎮(zhèn)漢碑村，南方絲綢之路青衣江古道旁，建于東漢建安十四年(公元209年)，于1961年被國務(wù)院公布為首批全國重點文物保護單位，是南方地區(qū)石質(zhì)文物的典型代表[2]。高頤闕分東西兩闕，是一對扶壁式的雙闕，現(xiàn)東闕已殘，西闕保存較為完好，是目前國內(nèi)保存較為完整的漢代葬制實物。高頤闕闕頂枋頭由漢隸陰刻銘文若干，是我國研究書法藝術(shù)極為珍貴的實物資料之一。檐枋四周及下部雕刻神話故事及人物花草，栩栩如生，表現(xiàn)了我國漢代雕刻藝術(shù)家們超高的藝術(shù)水平[3]。同時從古建筑角度看，高頤闕格調(diào)渾厚精致、比例勻稱、協(xié)調(diào)美觀，展現(xiàn)了我國東漢建筑設(shè)計藝術(shù)的古雅樸實風(fēng)格，為我國建筑史提供了極其珍貴的實物資料。

作為特殊的石質(zhì)文物珍品，1800余年來，高頤闕長期處于室外露天環(huán)境，這樣的保存環(huán)境使得高頤闕出現(xiàn)了多種病害，近些年高頤闕周邊劇增的人類活動更是加劇高頤闕病害的發(fā)育。目前高頤闕已經(jīng)出現(xiàn)了嚴重的殘缺、粉化、剝落、微生物侵蝕、裂隙、墨跡污染等病害。近幾年在頻繁的地質(zhì)活動如“5·12”汶川大地震和“4·20”蘆山大地震的影響下，闕體震裂，部分構(gòu)件脫落掉塊。目前高頤闕處于岌岌可危的境地，其保護工作迫在眉睫。

長期以來，考古、藝術(shù)、建筑等學(xué)科專家學(xué)者對高頤闕的歷史、藝術(shù)、科學(xué)、社會和文化價值進行了深入地考證與闡釋，相關(guān)報道見諸各類學(xué)術(shù)期刊和著作。而對高頤闕本體所面臨的各類病害研究卻鮮有報道，特別在近些年每況愈下的保存環(huán)境下高頤闕的健康調(diào)查與研究未有報道。

本文從文物保護的角度出發(fā)，對雅安高頤闕進行現(xiàn)場科學(xué)調(diào)查，并對高頤闕的病害類型、病害程度進行統(tǒng)計分析；在此基礎(chǔ)上，經(jīng)有關(guān)部門批準，在高頤闕特殊部位取樣進行室內(nèi)實驗分析，采用科學(xué)的實驗方法獲得相關(guān)結(jié)論來分析病害的形成原因，以期在今后的保護工作中可以做到“對癥下藥”，使保護措施能夠科學(xué)、合理、有效地實施。

1 高頤闕所在地區(qū)環(huán)境調(diào)查

1.1 氣候特征

高頤闕位于雅安市雨城區(qū)，地處四川西部，青藏高原東側(cè)邊緣地帶，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。東部亞熱帶溫暖濕潤氣流與西部高原冷低壓氣流匯合于此，造成該地區(qū)常年多雨，素有“雨城”之稱。區(qū)域內(nèi)冬少嚴寒，夏無酷暑，近20年年平均氣溫在14.1 ℃～17.9 ℃之間，日最高氣溫37.7 ℃，最低-3.4 ℃。每年平均有218 d為雨天，平均降水量可達1 732 mm；最多可達2 367.3 mm(1966)。降雨存在暴雨多、綿雨多、夜雨多的特點，是全川暴雨中心之一，有“雅無三日晴”之說，“西蜀漏天”之稱。日照偏少，濕度較大，年日照率為23%。年平濕度為79%。風(fēng)力小，城區(qū)年平風(fēng)速1.7 m/s，無霜期長，降雪稀少。這種溫暖潮濕的氣候有利于動植物、微生物的生長繁殖，對高頤闕的保護具有不利影響。

1.2 地質(zhì)環(huán)境特征

雅安市屬于四川盆地西緣山地，是盆地到青藏高原的過渡地帶。區(qū)域內(nèi)山脈縱橫，地表崎嶇，地貌類型復(fù)雜多樣。高頤闕所處地為青衣江河流階地，地勢較平坦。區(qū)域構(gòu)造上，受龍門山構(gòu)造帶和川滇構(gòu)造帶的影響。歷史地震資料表明，區(qū)域內(nèi)斷裂不發(fā)育，沒有區(qū)域孕震斷裂，地震活動性較弱。但受鄰近的寶興地震帶和石棉地震帶發(fā)生的中強度地震影響明顯。近幾年來，受2008年“5·12”汶川大地震和2011年“4·20”蘆山大地震的影響，高頤闕多處出現(xiàn)松動，局部掉落。所幸相關(guān)部門于1983年對高頤闕基礎(chǔ)進行過加固維修處理，在經(jīng)歷兩次大地震后，高頤闕并沒有結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)的可能。

1.3 人類活動特征

高頤闕位于雅安市城市建設(shè)新區(qū)，北距國道108京昆線僅50 m。同時，高頤闕處在京昆高速和成渝環(huán)線高速樂雅段相夾的三角形中心，西距京昆高速1.5 km，東距成渝環(huán)線高速4 km。近年來，隨著雅安城市擴建，高頤闕周邊人類活動加劇，各類工程開工建設(shè)導(dǎo)致高頤闕所處環(huán)境更加惡劣。目前，圍繞高頤闕已經(jīng)修建了雅安漢闕博物館，同時占地28 866.67 hm2、總投資達6 000萬元的高頤闕公園一期已于2016年底完工對外開放，公園二期也于2018年底完工投入使用。綜上，高頤闕目前位于居民點密集區(qū)，處于旅游風(fēng)景區(qū)，靠近公路，機動車往來、人類日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生的粉塵、煙灰以及硫化物、氯化物、氮氧化物等有害氣體，對高頤闕所處的大氣環(huán)境造成較為嚴重的污染。

2 高頤闕病害類型

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，高頤闕病害情況較為嚴重，表現(xiàn)形式多樣，基本遍布于東西兩闕及兩石辟邪。根據(jù)《石質(zhì)文物病害分類與圖示(WWT 0002-2007)》，高頤闕病害有：植物病害、微生物病害、動物病害、殘缺、表面泛鹽、表面粉化剝落、表層片狀剝落、鱗片狀起翹與剝落、孔洞狀風(fēng)化、表面溶蝕、淺表性裂隙、表層空鼓、水銹結(jié)殼、人為污染、水泥修補、斷裂等病害。其中主要病害如下。

2.1 孔洞狀風(fēng)化

高頤闕孔洞狀風(fēng)化表現(xiàn)為闕體巖石表層礦物溶解風(fēng)化、軟質(zhì)夾雜物溶解脫落，導(dǎo)致在文物表面產(chǎn)生星點狀孔洞凹坑，該類病害主要發(fā)生于闕體中下部。巖石表面孔洞的形成使得闕體上字跡漫漶、雕刻圖案模糊不清。同時，孔洞的存在使得巖石表面污染物易于附著、微生物易于滋生、昆蟲類動物易于筑巢等導(dǎo)致進一步的病害發(fā)育(見圖1)。此外，酸性降雨會導(dǎo)致這一病害更加發(fā)育。

2.2 表面粉化剝落

表面粉化脫落(如圖2所示)表現(xiàn)為巖石表面粉化并在重力和外力作用下脫離母體，使得巖石表面粗糙不平，導(dǎo)致闕體表面雕刻文字和圖案模糊不清甚至近于消失，文物所承載的歷史、藝術(shù)、科學(xué)信息也隨之逐漸消失。該類病害主要發(fā)生于高頤闕中下部，受風(fēng)吹雨淋的下部尤為明顯。

2.3 表層片狀剝落

表面片狀剝落(如圖3所示)表現(xiàn)為高頤闕四周裸露處巖石表面形成一層厚度約1 mm～2 mm的薄片，薄片四周脫離巖石母體形成空隙，輕敲聲沉悶，稍微用力即可將薄片擊碎或使薄片整體脫落。表層薄片脫離后，內(nèi)部巖層繼續(xù)風(fēng)化形成空腔，周而復(fù)始，高頤闕部分區(qū)域已經(jīng)形成臺階狀凹坑，嚴重影響高頤闕的美觀。

2.4 表面生物病害

高頤闕表面生物病害(如圖4所示)表現(xiàn)為兩類：一類為動物病害，蛞蝓、飛蛾等長期在闕體表面攀爬并筑巢，尤其在孔洞狀風(fēng)化集中區(qū)；一類為苔蘚和藻類生物附著于文物表面，高頤闕闕體下部均有分布，兩個辟邪全身均有分布。表面生物的附著直接影響高頤闕的觀賞，覆蓋、遮蔽文物信息，同時表面生物排泄物分解或分泌有機酸類物質(zhì)直接加速文物的風(fēng)化。

2.5 機械裂隙、缺失

高頤闕在1800多年漫長的歷史過程中，經(jīng)歷過多次地震，加之?dāng)?shù)十噸重量和基座不穩(wěn)固導(dǎo)致的地基不均勻沉降，產(chǎn)生了部分機械裂隙。至1983年時，基座最大下沉達15 cm，上部錯位裂隙達22 cm。相關(guān)部門于1983年對地基進行了加固并對高頤闕進行了加固[4]。

但近幾年在頻繁的地質(zhì)活動如“5·12”汶川大地震和“4·20”蘆山大地震的影響下，高頤闕闕體出現(xiàn)震裂裂縫，部分構(gòu)件脫落掉塊缺失(見圖5)。

2.6 人為污染

高頤闕上漢隸陰刻銘文若干，為我國研究書法藝術(shù)極為珍貴的實物資料，同時闕上檐枋四周及下部雕刻神話故事及人物花草栩栩如生，表現(xiàn)了我國漢代雕刻藝術(shù)家們超高的藝術(shù)水平。因而歷朝均有眾多愛好者對高頤闕進行拓片，為高頤闕的深入研究起到了積極作用。但是無節(jié)制的拓片使得高頤闕墨跡斑斑(見圖6)，對高頤闕的外觀造成了極大的影響。

3 物相及微觀特性研究

經(jīng)有關(guān)部門同意，在不破壞文物的基礎(chǔ)上，在高頤闕不同部位采集了巖樣及污染物樣品進行實驗室分析。通過巖礦鑒定、物理力學(xué)性質(zhì)測試、X-射線衍射分析、離子色譜分析、掃描電鏡顯微觀察等分析手段，查明各樣品的礦物組成結(jié)構(gòu)、基本物理性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)、礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)等方面特點，并通過對比分析不同風(fēng)化程度樣品間的相互關(guān)系，為分析高頤闕病害的成因提供依據(jù)。

3.1 巖礦分析

對現(xiàn)場采集于西闕不同層位的三組剝落巖樣，委托西南石油大學(xué)分析檢測中心進行了巖樣礦物成分鑒定。實驗中，將巖樣制成薄片并染色后采用Olympus BX51型偏光顯微鏡進行巖相顯微觀察。

結(jié)果表明：三組巖石樣品巖礦鑒定結(jié)果相似，均為含鈣質(zhì)極細粒巖屑長石砂巖，中等風(fēng)化程度。主要成分為陸源碎屑和填隙物，其中陸源碎屑占總量約78%～84%，主要為石英、鉀長石、斜長石，石英含量達碎屑的50%以上，其他為少量；填隙物占總量約16%～22%，主要為方解石(12%～18%)和泥質(zhì)(3%～4%)，含少量石英和伊利石。砂巖為顆粒支撐類型，嵌晶式膠結(jié)。碎屑疏密均勻，碎屑以次棱角狀為主，協(xié)同次圓狀。粒度為0.07 mm～0.13 mm，以極細粒砂為主，極細砂占95%，細砂僅占5%，分選性良好。巖屑為粉砂巖屑、石英巖屑、灰?guī)r屑、白云巖屑等。粒間方解石膠結(jié)、鐵質(zhì)膠結(jié)。見粒間孔0.25 mm，零星孤立的長石粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔，呈它形蜂巢狀。

3.2 掃描電子顯微鏡(SEM)分析

采用掃描電子顯微鏡對風(fēng)化巖樣表面微觀結(jié)構(gòu)進行分析。實驗中將樣品噴金處理后，采用日系Hitach fields S-4800型掃描電鏡，在5 kV壓下進行觀察分析，掃描電鏡照片見圖7。

巖樣中可以清晰的看到微生物大腸桿菌菌體及蟲卵(見圖7(a))。部分樣品的裂縫處發(fā)現(xiàn)有植物根須(見圖7(b))，同時巖樣表面還發(fā)現(xiàn)有聚合物等污染物附著(見圖7(c))。此外，部分巖樣中礦物已經(jīng)大面積黏土化，并伴有次生片狀伊利石等膨脹性黏土礦物，可看到長石溶蝕形成溶溝(見圖7(d))。有些巖樣中還可見大量棉絮狀、蜂窩狀的蒙脫石依附于顆粒表面(見圖7(e))，并存在大量針狀次生石膏(見圖7(f))。

3.3 X射線熒光光譜(XRF)分析

采用X射線熒光光譜儀可對風(fēng)化巖樣所含元素進行定性定量分析。實驗中采用的是XRF-1800型X射線熒光光譜儀。實驗中選取了兩組風(fēng)化巖石樣品進行測試，所得結(jié)果如表1所示。

表1 樣品中各元素含量表

由表1可知，風(fēng)化巖樣中含有O，Ca，C，Si，S，Al，F(xiàn)e，K，Mg等主要元素。其中O，Ca，C和Si元素含量最大，可推知樣品中主要的成分為SiO2和CaCO3。砂巖主要系硅酸鹽類，因此主要成分為SiO2。但紅砂巖中紅層鈣質(zhì)膠結(jié)物較多，容易受到溶蝕，形成碳酸氫鈣而流失。而少量S元素的存在可能為空氣污染物所致，并有可能形成硫酸鈣。

3.4 XRD礦物成分檢測

采用X射線衍射儀可對風(fēng)化巖樣分子或原子形態(tài)、成分等進行分析。實驗中，將待測巖樣研磨后使用DX-1000型X射線衍射儀進行觀察分析。所出圖譜見圖8。

由圖譜解讀可知，2θ為21°，26.5°，50°，60°，68°,附近是石英的特征峰；30°，36°和40°的峰值是方解石的特征峰；在23.5°，27.5°，51°附近歸屬于微斜長石和鈉長石的特征峰；在9°，46°附近是白云母的特征衍射峰；25°，37.5°附近是高嶺石的特征峰；41.5°左右是赤鐵礦的衍射峰。由此可知高頤闕風(fēng)化砂巖樣品的主要礦物成分是石英、高嶺石、微斜長石、白云母、赤鐵礦等。對三組測試樣品成分及含量統(tǒng)計如表2所示。

表2 X衍射分析結(jié)果

4 高頤闕病害機理分析

通過以上的各類分析檢測、現(xiàn)場調(diào)研及氣候環(huán)境調(diào)查，可以確定雅安高頤闕病害的主要原因總體來說可以分為文物自身因素和外界環(huán)境因素。文物自身因素主要體現(xiàn)在構(gòu)成文物巖石的礦物組成及其結(jié)構(gòu)，外界環(huán)境因素主要是外界環(huán)境導(dǎo)致對文物的物理、化學(xué)和生物風(fēng)化。其中文物自身材質(zhì)因素是造成病害的基礎(chǔ)，外界多種環(huán)境因素導(dǎo)致風(fēng)化加速病害日趨嚴重。

4.1 巖石礦物組成

我國南方地區(qū)石質(zhì)文物主要為砂巖類，砂巖特殊的礦物組成是該類文物風(fēng)化的物質(zhì)基礎(chǔ)和先決條件。對高頤闕巖礦鑒定分析可知，文物的主要礦物為石英、鉀長石、方解石。石英為穩(wěn)定礦物，在自然狀態(tài)下不易發(fā)生風(fēng)化；鉀長石在酸性條件下易于風(fēng)化形成黏土，掃描電鏡可見部分巖樣已經(jīng)大面積黏土化，伴有次生片狀伊利石等膨脹性黏土礦物，并可看到長石溶蝕[5](見圖7(d)，圖7(e))。方解石在酸性條件下易分解形成可溶物而流失。對風(fēng)化產(chǎn)物取樣XRD分析可知(見表2)，石英、高嶺石、白云母等為主要風(fēng)化產(chǎn)物。

巖相顯微觀察到陸源碎屑間的填隙物主要為方解石和泥質(zhì)，隨著方解石的不斷溶蝕，泥質(zhì)的水化膨脹流失，部分碎屑顆粒也將脫離母體，砂巖顆粒間形成貫通的溶蝕裂縫(見圖9(a)，圖9(b))，這在文物表面宏觀表現(xiàn)為粉化剝落病害，當(dāng)大面積的砂巖顆粒脫離母體，造成整片脫落，在宏觀上就表現(xiàn)為孔洞狀風(fēng)化病害。

在顯微鏡下觀察到的長石溶蝕孔隙表明該巖樣已經(jīng)產(chǎn)生風(fēng)化[6]。高頤闕石材膠結(jié)物主要為泥質(zhì)、鈣質(zhì)、鐵質(zhì)等，其中泥質(zhì)和鈣質(zhì)容易受到溶蝕而流失，膠結(jié)物的溶蝕流失使得顆粒間的連接能力減弱，加速風(fēng)化發(fā)展[7]。此外，在風(fēng)化產(chǎn)物云母片富集的地方，容易出現(xiàn)較大裂縫(見圖9(c)，圖9(d))，使得風(fēng)化速度加快。

4.2 巖石結(jié)構(gòu)因素

從掃描電鏡照片和巖相顯微觀察看到，砂巖為粒狀碎屑結(jié)構(gòu)，呈嵌晶式膠結(jié)，顆粒間排布較為疏松，孔隙率較大，孔隙的聯(lián)通使得砂巖文物具有“呼吸性”。粒間方解石、泥質(zhì)呈片狀、帶狀膠結(jié)。由于顆粒間的孔隙具有較好的連通性，水分、空氣中顆粒物等容易進出，導(dǎo)致巖石內(nèi)部泥質(zhì)水化膨脹流出，鈣質(zhì)溶解析出，孔隙率進一步上升，導(dǎo)致巖石的結(jié)構(gòu)體發(fā)生重大變化，易于形成開裂，表現(xiàn)為片狀剝落。同時，由于砂巖為沉積巖，在沉積過程中不同時期沉積物間具有可見或不可見的層理界面，在構(gòu)件受力過程中易于形成層理裂隙，構(gòu)件受壓形成橫向的壓張性裂隙或縱向的劈理。

4.3 外部環(huán)境因素

高頤闕位于雅安市雨城區(qū)，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。東部亞熱帶溫暖濕潤氣流與西部高原冷低壓氣流匯合于此，造成該地區(qū)常年多雨，素有“雨城”之稱。日照偏少，濕度較大。這種溫暖潮濕的氣候有利于植物、微生物的生長繁殖。導(dǎo)致文物表面的生物病害。巖樣掃描電鏡照片可以清晰地看到大腸桿菌及蟲卵(見圖7(a))，表明有昆蟲、微生物的存在。微生物生長過程中排泄的有機酸對巖石有極強的腐蝕作用[8]。并且從肉眼也可見巖體上有大量微生物及其糞便。此外，某些巖樣的裂縫處有植物根系(見圖7(b))。植物根系生長需要吸收和排泄有機酸，同時從巖石中吸取營養(yǎng)成分，造成巖石土壤化和腐蝕。再者，植物根系深入巖石內(nèi)部，形成空隙，使得巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)松動，進一步對其穩(wěn)定性造成威脅[9]。

受雅安山間河谷盆地特殊地形和不利氣象條件的影響，同時上風(fēng)方向的大氣污染嚴重，SO2,NOx等污染物質(zhì)隨氣流移動向西擴散到雅安市區(qū)上空,近年來雅安市的酸雨不斷加重[10]。酸雨的出現(xiàn)加速文物巖石內(nèi)部鈣質(zhì)膠結(jié)物的溶蝕流出，文物病害加劇。XRF結(jié)果即檢測出S元素的存在證明了酸雨對文物的危害。同時，掃描電鏡照片還發(fā)現(xiàn)空氣中有害顆粒物尤其是有機聚合物顆粒的降落附著(見圖7(c))，這些有機聚合物等污染性物同樣會對巖體產(chǎn)生較強的腐蝕作用[11]。

5 結(jié)論

1)根據(jù)對雅安高頤闕的實地調(diào)查，可知高頤闕主要有孔洞狀風(fēng)化、表面粉化剝落、表面片狀剝落、生物病害、機械裂隙、表面人為污染等病害。2)高頤闕為含鈣質(zhì)極細粒巖屑長石砂巖，主要成分為石英、鉀長石、方解石。砂巖為顆粒粒間方解石膠結(jié)、鐵質(zhì)膠結(jié)，部分含泥質(zhì)。3)高頤闕 自身材質(zhì)因素是造成病害的基礎(chǔ)，巖石礦物組成和巖石結(jié)構(gòu)特征使得文物易于受到外部因素而產(chǎn)生風(fēng)化。4)潮濕多雨的氣候、酸雨等環(huán)境是導(dǎo)致高頤闕病害加劇的不利外部環(huán)境因素。