西北地區(qū)砂巖石窟鹽害特征及影響因素分析

孫滿利，梁楚昕，沈云霞，尚雪健，曹張喆

西北大學(xué) 文化遺產(chǎn)學(xué)院，西安 710127

我國(guó)砂巖型石窟占石窟總數(shù)的80%以上，主要分布于甘肅、陜西、四川、重慶等地（潘別桐和黃克忠，1992），由于材質(zhì)疏松、強(qiáng)度較低，容易在自然營(yíng)力和人為破壞作用下發(fā)育各種形式的表面風(fēng)化病害，其中可溶鹽的富集破壞是造成風(fēng)化的主要因素之一?？扇茺}在材料孔隙中反復(fù)溶解-重結(jié)晶產(chǎn)生的壓力是巖石受到破壞的根本原因，這種鹽分結(jié)晶導(dǎo)致的巖體破碎現(xiàn)象被定義為“鹽風(fēng)化”（嚴(yán)紹軍等，2013；Oguchi and Yu，2021）。石窟的鹽風(fēng)化病害從成因上可分為內(nèi)因和外因兩大類。內(nèi)因包括巖石的組成及結(jié)構(gòu)特征，現(xiàn)有研究已表明鹽害表現(xiàn)特征與巖體孔隙等性能有著密切關(guān)系（嚴(yán)紹軍等，2015；Sousa et al，2018；張景科等，2021），且由于巖體中通常含有多種可溶鹽，不同種類的鹽分引起的結(jié)晶破壞模式有很大差異（Espinosa et al，2008；譚松娥，2013；靳治良等，2015；王逢睿等，2020）。外因主要包括環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)因素，其中水是鹽害發(fā)育的必要條件（楊善龍等，2018；張虎元等，2021），巖體中的鹽分溶于水后形成的鹽溶液在多孔材料中的遷移受外部環(huán)境影響較大（Angeli et al，2010；Brito and Diaz Gon?alves，2013；Sun et al，2019）。

西北地區(qū)砂巖石窟數(shù)量眾多，且多為泥質(zhì)膠結(jié)長(zhǎng)石、石英砂巖，巖石孔隙率較大，有利于水鹽的輸送運(yùn)移，導(dǎo)致鹽風(fēng)化成為該地區(qū)砂巖石窟最嚴(yán)重和典型的淺表層風(fēng)化病害之一。針對(duì)可溶鹽對(duì)于石窟的破壞機(jī)理目前已開展了較多研究，但對(duì)于西北地區(qū)砂巖石窟鹽害的區(qū)域性特征尚缺乏科學(xué)認(rèn)知。本文通過現(xiàn)場(chǎng)病害調(diào)查獲得西北地區(qū)砂巖石窟鹽害的宏觀特征，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步采樣測(cè)試得到可溶鹽的分布情況，結(jié)合石窟的地層巖性、賦存環(huán)境、水文地質(zhì)等多重因素綜合探討鹽害成因，為砂巖石窟的鹽風(fēng)化防治提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象的選擇

西北地區(qū)的砂巖石窟在甘肅和陜西兩省分布較廣，甘肅省現(xiàn)有省級(jí)文物保護(hù)單位以上的石窟33處，其中全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位20處，陜西省的砂巖石窟主要分布在陜西北部的榆林市和延安市，兩市現(xiàn)有省級(jí)以上砂巖石窟30處，其中全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位5處。本文以甘肅、陜西兩省的砂巖石窟為研究對(duì)象，選擇18個(gè)具有代表性的石窟（圖1）開展鹽害的調(diào)查與研究，查明研究區(qū)砂巖石窟鹽害的主要分布特征和成因，其中國(guó)保單位9處，省保單位9處。

圖1 砂巖石窟分布位置示意圖Fig. 1 Distribution and location of sandstone grottoes

根據(jù)地理位置和巖性條件不同，研究區(qū)砂巖石窟可自東向西劃分為四個(gè)區(qū)域：陜北地區(qū)、隴東地區(qū)、隴中地區(qū)、河西地區(qū)。陜北地區(qū)包括陜西省延安市、榆林市；隴東地區(qū)包括隴山以東、子午嶺以西的慶陽市和平?jīng)鍪?；隴中地區(qū)石窟指隴山以西、烏鞘嶺以東以蘭州為中心的白銀市區(qū)石窟及臨夏永靖炳靈寺石窟；河西地區(qū)主要指烏鞘嶺以西的河西走廊地區(qū)，包括馬蹄寺石窟和天梯山石窟。

1.2 取樣及測(cè)試方法

現(xiàn)場(chǎng)病害調(diào)查結(jié)果表明西北地區(qū)砂巖石窟的鹽害特征存在區(qū)域性差異，為探明差異的成因，在各石窟不同形式的鹽害出露處進(jìn)行采樣以及可溶鹽測(cè)試。采樣方法：將石窟表面風(fēng)化層樣品用毛刷輕輕刮下，收集到的樣品主要成分為巖體礦物與鹽分結(jié)晶物的混合物。可溶鹽的測(cè)試方法參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《WW/T 0079 — 2017，古代壁畫可溶鹽測(cè)定 —— 離子色譜法》，由于壁畫樣品和石窟樣品成分差異較大，為使結(jié)果能更精準(zhǔn)反映石窟風(fēng)化層中的樣品含鹽量高低，在該標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上調(diào)整樣品稱取量和水土比，具體操作為：對(duì)粉末樣品進(jìn)行烘干、研磨處理后，稱取0.5 — 1.0 g樣品，以50∶1的水土比加入去離子水制成懸濁液，依次進(jìn)行超聲波震蕩、離心，取上清液用0.22 μm濾膜過濾后進(jìn)行離子色譜測(cè)試。所用儀器型號(hào)為美國(guó)戴安ICS-2000離子色譜儀。

2 砂巖石窟的環(huán)境特征

2.1 地層巖性

由于各石窟所開鑿的地層巖性條件不同，巖體中本身含有的可溶鹽種類存在一定的差異，導(dǎo)致石窟鹽害特征也有顯著差異。研究區(qū)域的砂巖石窟主要開鑿于中生代白堊紀(jì)、侏羅紀(jì)、三疊紀(jì)以及新生代古近紀(jì)、新近紀(jì)地層（表1），可劃分為四個(gè)區(qū)域。

表1 砂巖石窟地層與巖性Tab. 1 Strata and lithology of sandstone grottoes

陜北和隴東地區(qū)皆屬于鄂爾多斯地臺(tái)，兩地以子午嶺為界。子午嶺以東屬陜北地區(qū)，陜北地區(qū)從東北向西南、從北向南依次出露三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)地層。子午嶺以西為隴東地區(qū)，地層分布依次為志丹群環(huán)河組和羅漢洞組砂巖，在區(qū)域內(nèi)西南部六盤山、隴山山區(qū)分布有六盤山群李洼峽組地層。隴中地區(qū)石窟地層分布情況受地形影響較大，在黃河干流區(qū)域主要出露白堊紀(jì)地層，在黃河支流高階地上出露古近紀(jì)野狐城組和新近紀(jì)甘肅群地層。河西地區(qū)的砂巖石窟主要開鑿于古近紀(jì)白楊河組砂巖。

2.2 水文及水文地質(zhì)特征

研究區(qū)砂巖石窟主要分布于黃河水系及內(nèi)陸河水系。陜北、隴東和隴中地區(qū)石窟沿黃河及其支流分布，石窟通常距離河流中心較遠(yuǎn)，位置相對(duì)較高，河水對(duì)其影響不大，但部分石窟如甘肅炳靈寺石窟、寺兒灣石窟以及陜西城臺(tái)石窟容易受到洪水影響；河西地區(qū)石窟位于內(nèi)陸河流域，多為季節(jié)性河流，天梯山石窟位于黃羊河水庫北岸，河水對(duì)石窟地下水位影響較大。

陜北-隴東-蘭州及天水北部屬于黃土高原地貌區(qū)，區(qū)內(nèi)主要為黃土梁塬峁地貌，開鑿崖體上部一般有黃土覆蓋層，下部為基巖，地層具有明顯的二元結(jié)構(gòu)，降水可沿黃土孔隙或裂隙滲透到下部砂巖，部分石窟受地形影響，頂部覆蓋層較薄或缺失，降水可直接沿基巖裂隙入滲；白堊系砂巖、侏羅系上段砂巖滲透性相對(duì)較好，地下水可通過砂巖孔隙運(yùn)移；部分石窟地層內(nèi)有透水性較差的薄夾層，導(dǎo)致地下水多有沿薄層帶滲透的現(xiàn)象。河西地區(qū)石窟多位于祁連山北麓與平原交界區(qū)，崖面高大、直立，地表的黃土堆積層較薄，石窟巖體底部受地下水毛細(xì)作用較強(qiáng)，地層整體的滲水性較差。研究區(qū)地下水類型均為裂隙-孔隙潛水或裂隙水，水分補(bǔ)給的主要來源為大氣降水。

2.3 氣候條件

研究區(qū)域處于西北內(nèi)陸地區(qū)，季風(fēng)性氣候特征明顯，對(duì)鹽害發(fā)育具有明顯影響作用的氣象條件主要包括溫濕度、日較差、降雨量及蒸發(fā)量（表2）。研究區(qū)自東向西，全年平均溫度和平均相對(duì)濕度逐漸遞減，而年平均溫度日較差逐漸遞增；年平均降水量自東向西逐漸遞減，蒸發(fā)量逐漸遞增。陜北、隴東地區(qū)溫度變化幅度較小，年降水量較高，蒸發(fā)量適中；隴中、河西地區(qū)溫差較大，年降水量低且蒸發(fā)量較高，干燥少雨。氣候類型自東向西逐漸從溫潤(rùn)季風(fēng)氣候向溫帶大陸氣候過渡。

表2 研究區(qū)域氣象條件Tab. 2 Meteorological conditions in study areas

3 砂巖石窟的鹽害特征

3.1 鹽害表現(xiàn)形式

從發(fā)育程度、結(jié)晶形式、表現(xiàn)類型及主要出露位置四個(gè)方面，對(duì)砂巖石窟鹽害的表現(xiàn)形式進(jìn)行調(diào)查研究（表3）。研究區(qū)砂巖石窟鹽害發(fā)育程度差異較大，結(jié)晶形式主要有片狀鹽殼、粉狀絨毛、顆粒狀結(jié)晶三種，鹽害類型有常見的表面泛鹽、片狀剝落、粉狀剝落三種，鹽害出露位置主要分布于石窟崖壁、底部洞窟、軟弱夾層以及裂隙、滲水處等。由于受到的地質(zhì)和氣象條件影響不同，陜北、隴東、隴中、河西四個(gè)地區(qū)的鹽害特征具有一定的差異。

表3 各區(qū)域鹽害發(fā)育特征Tab. 3 Characteristics of salt damage in each area

陜北地區(qū)開鑿于白堊系和侏羅系延安組上段地層中的石窟鹽害發(fā)育較嚴(yán)重，如云巖寺、紅石峽石窟；侏羅系延安組下段和直羅組、三疊系地層中的石窟鹽害發(fā)育較輕微，如清涼山、懸空寺石窟。結(jié)晶形式主要有顆粒狀和粉狀。鹽害類型以粉狀剝落為主，有少量片狀剝落。鹽害發(fā)育位置有四種狀況：（1）白堊系地層中的石窟，由于巖體透水性較強(qiáng)，窟內(nèi)相對(duì)潮濕，洞窟巖壁普遍表現(xiàn)出粉狀剝落，且通常后壁較前壁更為嚴(yán)重。（2）部分石窟受地下水毛細(xì)作用影響強(qiáng)烈，如鐘山石窟、安塞大佛寺石窟洞窟底部巖壁粉狀剝落。（3）侏羅系地層中的部分石窟由于地層不均勻?qū)е聺B水嚴(yán)重，鹽害多沿結(jié)構(gòu)面分布，如開鑿于延安組上段的紅石峽石窟，由于巖性不均勻在鐵質(zhì)結(jié)核處或夾層處多有鹽害發(fā)育（圖2a），表現(xiàn)為顆粒狀結(jié)晶，萬安禪院石窟開鑿于侏羅系直羅祖地層，由于存在大量層間裂隙、軟弱夾層導(dǎo)致滲水問題嚴(yán)重，鹽害主要分布于夾層以及滲水處，表現(xiàn)為粉狀剝落。（4）個(gè)別石窟由于窟頂較薄，降水可沿裂隙入滲，如古塔寺、鐘山石窟鹽害主要分布于窟頂（圖2b）及裂隙兩側(cè)，表現(xiàn)為粉狀剝落。

圖2 砂巖石窟鹽害特征Fig. 2 Characteristics of salt damage in sandstone grottoes

隴東地區(qū)石窟均開鑿于白堊系地層，鹽害發(fā)育程度根據(jù)巖性不同有兩種類型：（1）志丹群羅漢洞組及環(huán)河組地層中的石窟由于巖石孔隙率高，鹽害發(fā)育程度較高，例如南石窟寺、北石窟寺和蓮花寺石窟鹽害尤為嚴(yán)重。（2）開鑿于六盤山群李洼峽組的石拱寺石窟鹽害發(fā)育程度則相對(duì)較低。結(jié)晶形式以粉狀絨毛型為主，在石窟外壁上有少量的顆粒狀結(jié)晶，鹽害類型為片狀和粉狀剝落病害。鹽害出露位置有明顯差異：北石窟寺、南石窟寺由于洞窟巖體透水性較好，底層洞窟普遍潮濕，粉狀剝落現(xiàn)象嚴(yán)重，并且在地層中的軟弱夾層帶處鹽害多呈條帶狀分布（圖2c），裂隙兩側(cè)也多有明顯的鹽害發(fā)育；位于平定川流域的蓮花寺石窟、保全寺石窟由于窟頂裸露無覆蓋層，雨水可直接沿裂隙滲入窟內(nèi)，鹽害主要出露在裂隙處，且地下水位相對(duì)較高，毛細(xì)水作用強(qiáng)烈，洞窟底部也有鹽分析出；石拱寺石窟由于地勢(shì)較高，鹽害相對(duì)輕微，僅在崖壁表面降水沖刷處（圖2d）及崖體底部發(fā)育。

隴中地區(qū)石窟鹽害發(fā)育有兩種類型：沿黃河干道分布的炳靈寺和寺兒灣石窟，地下水毛細(xì)上升作用明顯，鹽害在底部洞窟發(fā)育較為普遍，主要表現(xiàn)為粉狀剝落，結(jié)晶形式有粉狀絨毛和片狀鹽殼；沿黃河支流分布的法泉寺和紅山寺石窟位于高階地上，巖性相對(duì)致密，鹽害發(fā)育輕微，僅在局部呈顆粒狀析出，同樣分布在黃河支流的五佛沿寺石窟由于頂部基巖裸露且節(jié)理裂隙較多，降雨可直接灌入洞窟內(nèi)部導(dǎo)致嚴(yán)重的鹽害，結(jié)晶表現(xiàn)為粉狀絨毛形式。從鹽害出露位置來看，位于黃河岸邊的寺兒灣石窟由于巖石透水性較好，窟內(nèi)較為潮濕，四壁皆有鹽害發(fā)育（圖2e），并且在巖體上部軟弱夾層處發(fā)育有條帶狀分布的鹽害（圖2f）；其他石窟鹽害主要分布于裂隙兩側(cè)（圖2g）或崖體底部（圖2h）。

河西地區(qū)石窟鹽害發(fā)育程度在四個(gè)地區(qū)中相對(duì)較低，窟內(nèi)通常較干燥，僅局部有鹽害出露。該地區(qū)整體降雨量較小，但存在短時(shí)強(qiáng)降雨氣候造成崖面受水蝕作用而潮濕，崖壁上有少量鹽分析出；崖壁底部多有植物病害，由于植物根系的滲水及毛細(xì)水作用，導(dǎo)致鹽害也出露于崖壁近地面處，結(jié)晶以顆粒狀為主，病害類型主要是粉狀剝落，伴隨少量的巖層片狀剝落。

3.2 可溶鹽測(cè)試結(jié)果與分析

本文根據(jù)病害調(diào)查得到鹽害的幾種不同表現(xiàn)形式，在各石窟不同形式的鹽害發(fā)育處采樣進(jìn)行離子色譜分析，得到可溶鹽成分及含量，測(cè)試結(jié)果見表4?？扇茺}總量分布于0.11% — 5.73%，陽離子主要包括Na+、K+、Mg2+、Ca2+四種，陰離子主要包括、、三種。不同石窟中各離子占比相差較大，含鹽總量也存在一定的差異。3.2.1 含鹽總量分布特征

表4 樣品信息及離子色譜測(cè)試結(jié)果Tab. 4 Sample information and ion chromatography test results

通過對(duì)石窟鹽害發(fā)育處風(fēng)化層進(jìn)行采樣分析，獲得風(fēng)化層中可溶鹽總量和各離子含量，首先繪制各石窟可溶鹽總量分布區(qū)間圖（圖3）。從圖中可以看出：四個(gè)區(qū)域的石窟含鹽總量大致在同一水平，但有一定的區(qū)域性特征差異，即隴中、陜北地區(qū)石窟含鹽量相對(duì)較高，隴東地區(qū)含鹽量略低，河西地區(qū)最低。

圖3 砂巖石窟含鹽總量分布圖Fig. 3 Distribution of total salt content in sandstone grottoes

各區(qū)域內(nèi)的不同石窟之間含鹽量有顯著差異，主要受地層本身含鹽量和鹽害發(fā)育位置不同造成的累計(jì)效應(yīng)影響。陜北地區(qū)石窟含鹽一般分布于1.0% — 5.7%，古塔寺含鹽總量最高，主要原因是毛細(xì)水作用后的可溶鹽富集效應(yīng)，而萬安禪院石窟樣品采于夾層滲水處，該處滲水點(diǎn)常年不間斷滲水，表面部分鹽分伴隨水分流失，因此含鹽量?jī)H為0.1%。隴東地區(qū)石窟含鹽總量基本一致，一般為0.8% — 1.9%，蓮花寺石窟由于降水從頂部滲入，表面風(fēng)化層累積了降水沖刷帶來的可溶鹽，因此含鹽量相對(duì)較高，分布在2.0% — 4.4%，略高于該區(qū)域整體水平。隴中地區(qū)整體含鹽總量偏高，由于石窟地層包含白堊紀(jì)、古近紀(jì)、新近紀(jì)，石窟含鹽總量也差別較大，多分布于2.0% — 5.5%，其中炳靈寺石窟由于進(jìn)行過治理，鹽害不發(fā)育，含鹽總量低于1.0%；河西地區(qū)馬蹄寺石窟含鹽總量分布于0.4% — 3.5%，崖體底部受毛細(xì)上升作用影響，含鹽量相對(duì)較大。

3.2.2 離子含量分布特征

進(jìn)一步分析樣品中的離子組成情況，風(fēng)化層中主要的陽離子有Na+、Ca2+、Mg2+、K+，主要的陰離子有、、，繪制不同區(qū)域內(nèi)各陰、陽離子含量占比分布圖（圖4、圖5）。從圖4中的陽離子含量分布情況來看：陜北、隴中地區(qū)石窟各陽離子含量占比差異不大，含量從高到低依次為Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+，由于鈣離子在成鹽時(shí)多為中溶、難溶鹽，因此陜北和隴中地區(qū)可溶鹽成分主要為鈉鹽；隴東地區(qū)為K+＞Na+＞Ca2+＞Mg2+，K+含量顯著高于其他區(qū)域，主要是受到地層中本身富含鹽分種類以及地下水類型的影響；河西地區(qū)為Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+，Na+含量略低于其他三個(gè)區(qū)域。從圖5來看：四個(gè)區(qū)域石窟各陰離子的含量差異較大，陜北地區(qū)含量占比從高到低的離子種類依次為≈＞，隴東地區(qū)為＞≈，隴中地區(qū)為＞＞，河西地區(qū)為＞＞。各區(qū)域占主導(dǎo)性的陰離子含量各不相同，隴東和河西地區(qū)可溶鹽含量以硫酸鹽為主，隴中地區(qū)以氯鹽為主，陜北地區(qū)硝酸鹽和氯鹽含量都較高。

圖4 陽離子含量分布圖Fig. 4 Cation content distribution

圖5 陰離子含量分布圖Fig. 5 Anion content distribution

4 砂巖石窟的鹽害影響因素分析

西北地區(qū)砂巖石窟的鹽害影響因素主要來自于三個(gè)方面：鹽分、巖性、環(huán)境中的水分。其中，鹽分的影響包括可溶鹽的含量及種類兩個(gè)層面。此外，蒸發(fā)作用也是影響鹽害發(fā)育的重要環(huán)境因素之一，但由于蒸發(fā)重點(diǎn)影響的是洞窟內(nèi)部以及周圍小范圍環(huán)境，對(duì)鹽害的區(qū)域性規(guī)律特征影響相對(duì)有限，在本文中未展開討論。

4.1 含鹽量對(duì)鹽害宏觀表現(xiàn)形式的影響

可溶鹽的破壞在石質(zhì)文物中有三種主要表現(xiàn)形式：表面泛鹽、片狀剝落、粉狀剝落（中華人民共和國(guó)國(guó)家文物局，2008），通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)這三種形式的病害在砂巖石窟中普遍存在（圖6），多數(shù)石窟發(fā)育有其中一到兩種病害，部分石窟三種形式均存在。調(diào)查結(jié)果表明：從對(duì)石窟的破壞危害程度上來看，粉狀剝落和片狀剝落病害相對(duì)嚴(yán)重，表面泛鹽病害相對(duì)較為輕微。

圖6 鹽害的三種主要表現(xiàn)形式Fig. 6 Three main forms of salt damage

在取樣測(cè)試時(shí)，針對(duì)以上三種不同形式的鹽害發(fā)育處進(jìn)行分別采樣，對(duì)出現(xiàn)兩種及以上病害的石窟，將不同形式病害處含鹽量測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析（圖7），發(fā)現(xiàn)多數(shù)石窟在表面泛鹽、片狀剝落、粉狀剝落這三種病害處的鹽分含量呈遞增趨勢(shì)（即表面泛鹽＜片狀剝落＜粉狀剝落），個(gè)別石窟例如法泉寺石窟，片狀剝落處含鹽量高于粉狀剝落處，云巖寺石窟表面泛鹽處含鹽量略高于片狀剝落處，需要結(jié)合地層、水文等環(huán)境因素進(jìn)一步綜合分析。分析結(jié)果表明：鹽害的宏觀表現(xiàn)形式與鹽分的含量有一定的關(guān)系，當(dāng)巖體風(fēng)化層含鹽量較低時(shí)，鹽分呈點(diǎn)狀析出，表現(xiàn)為表面泛鹽形式；隨著微氣候循環(huán)以及巖體內(nèi)部的水分運(yùn)移，含鹽量不斷增加累積到一定程度時(shí)，反復(fù)進(jìn)行的溶解-重結(jié)晶活動(dòng)導(dǎo)致巖體疏松，開始呈片狀剝落；含鹽量繼續(xù)累加，鹽分對(duì)巖體表面的破壞程度加劇，開始出現(xiàn)大面積粉化剝落。

圖7 各石窟鹽害不同表現(xiàn)形式處的含鹽量Fig. 7 Salt content in different forms of salt damage in each grottoes

4.2 可溶鹽類型對(duì)鹽微觀結(jié)晶形式的影響

砂巖石窟鹽害的表現(xiàn)形式不同除了受風(fēng)化層含鹽量影響外，還受含鹽種類不同的影響，不同類型的鹽分結(jié)晶析出時(shí)的微觀表現(xiàn)形式有較大差異，通過顯微觀察得知：主要有片狀鹽殼和粉狀絨毛兩種形式，以及少量介于這二者之間的粉絮狀結(jié)晶。在三種不同結(jié)晶形式處采集脫落的鹽分結(jié)晶樣品進(jìn)行離子色譜分析，將各離子含量測(cè)試結(jié)果按照等當(dāng)量的方式相結(jié)合換算成樣品中的主要鹽類化合物成分（參照錢玲等，2016），結(jié)果見表5 — 7。從表中可以看出：大多數(shù)粉狀結(jié)晶樣品以Na2SO4為主，含少量的KNO3和K2SO4，片狀鹽殼結(jié)晶樣品中所含鹽類主要是CaSO4以及NaCl，絮狀結(jié)晶樣品中主要含KNO3。

表5 粉狀結(jié)晶樣品離子色譜測(cè)試結(jié)果Tab. 5 Ion chromatography test results of powdery crystalline samples

表6 片狀結(jié)晶樣品離子色譜測(cè)試結(jié)果Tab. 6 Ion chromatography test results of flake crystal samples

表7 絮狀結(jié)晶樣品離子色譜分析結(jié)果Tab. 7 Ion chromatography test results of flocculent crystal samples

結(jié)合可溶鹽分布情況來看，陜北、隴東、隴中、河西四個(gè)區(qū)域內(nèi)各離子含量差異較大，組合成的鹽分類型各不相同，因此導(dǎo)致石窟鹽害形式有明顯差異。隴東地區(qū)可溶鹽成分以硫酸鹽為主，Na2SO4的微觀結(jié)晶形態(tài)為粉狀絨毛（圖8a、圖8b），K2SO4結(jié)晶與之相似，表現(xiàn)為粉狀（圖8c），硫酸鹽結(jié)晶對(duì)多孔介質(zhì)的破壞程度是常見鹽分中最高的，易造成巖體粉化，因此，較高的硫酸鹽含量是導(dǎo)致隴東地區(qū)石窟粉化剝落鹽害嚴(yán)重的內(nèi)在原因。陜北地區(qū)硝酸鹽含量較高，對(duì)石窟影響嚴(yán)重的可溶鹽是KNO3，結(jié)晶形態(tài)表現(xiàn)為與雪花形狀相似的棉絮狀（圖8d），硝酸鹽對(duì)于巖體的破壞程度介于硫酸鹽和氯鹽之間。隴中地區(qū)石窟可溶鹽含量最高的是NaCl，結(jié)晶表現(xiàn)為較為致密的鹽殼形式（圖8e），這種特有的結(jié)晶方式是引起隴中地區(qū)片狀鹽殼病害發(fā)育嚴(yán)重的主要原因。河西地區(qū)石窟可溶鹽含量最高的是CaSO4，顯微觀察到的結(jié)晶形態(tài)同NaCl相似，呈片層狀（圖8f），不同的是CaSO4更易層狀堆積在巖體孔隙中進(jìn)而導(dǎo)致巖體酥粉（黃四平等，2012），但由于CaSO4在常溫下的溶解度不高，因此對(duì)石窟造成的破壞程度較低。

圖8 砂巖石窟中不同種類鹽分的結(jié)晶形式Fig. 8 Crystallization forms of different salts in sandstone grottoes

4.3 巖石孔隙對(duì)鹽害發(fā)育程度的影響

石窟巖體中廣泛存在的大量鹽分是鹽害發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，而孔隙則為鹽分結(jié)晶析出提供空間。選擇表面泛鹽病害嚴(yán)重的幾個(gè)石窟，統(tǒng)計(jì)泛鹽處的含鹽量與巖石孔隙率之間的相關(guān)性（圖9）。從圖中可以看出：孔隙率越大的石窟，表面泛鹽處含鹽量越大，而孔隙率較小的石窟例如炳靈寺，含鹽量則相對(duì)較低。多孔材料中的孔隙為鹽分結(jié)晶析出提供空間，孔隙率越大，可溶鹽析出的含量相對(duì)越多，巖體的風(fēng)化程度也更加嚴(yán)重。

圖9 石窟含鹽量與孔隙率Fig. 9 Salt content and porosity of grottoes

砂巖石窟巖體的孔隙率分布及其對(duì)鹽害發(fā)育的影響作用具有一定區(qū)域性特征。陜北和隴東地區(qū)白堊系地層出露較為廣泛，巖石孔隙率相對(duì)較高，多分布于14.0% — 20.0%。其中，開鑿于白堊系志丹群的云巖寺、蓮花寺石窟孔隙率均高達(dá)18.0%以上，鹽害在洞窟內(nèi)外廣泛發(fā)育，含鹽量普遍較高導(dǎo)致粉狀剝落現(xiàn)象嚴(yán)重；開鑿于三疊系的懸空寺石窟孔隙率為14.0%，相對(duì)較低，鹽害發(fā)育程度不高，僅在鐵質(zhì)結(jié)核、泥巖夾層等巖性不均勻處局部發(fā)育。隴中地區(qū)多數(shù)石窟開鑿于白堊系河口群地層，孔隙率整體較低，大約在7.6% — 15.0%，除寺兒灣石窟受地下水作用鹽害較嚴(yán)重外，其他石窟受鹽害影響程度相對(duì)輕微。河西地區(qū)僅對(duì)馬蹄寺石窟進(jìn)行測(cè)試分析，孔隙率為15.3%，相對(duì)較高，但由于地層膠結(jié)程度好，巖性結(jié)構(gòu)相對(duì)較為致密，鹽害造成的劣化程度較輕微。

4.4 毛細(xì)水對(duì)鹽害分布的影響

水是決定鹽害分布的重要因素，石窟中的水主要分為降水和毛細(xì)水，降水對(duì)石窟病害發(fā)育的影響情況在水文及水文地質(zhì)特征中已介紹，毛細(xì)水對(duì)鹽害的影響則通過病害調(diào)查與采樣測(cè)試相結(jié)合的方法進(jìn)行證實(shí)。

病害調(diào)查結(jié)果表明：西北地區(qū)砂巖石窟普遍存在鹽害在洞窟底部比洞窟中上部嚴(yán)重的現(xiàn)象，鹽害在近地面1.2 m以內(nèi)的分布尤為集中。初步分析其原因，是毛細(xì)水中溶解了大量的鹽分，隨毛細(xì)上升作用在窟壁上析出。目前已有相關(guān)工作探究砂巖石窟中毛細(xì)水遷移高度的問題，例如北石窟寺的毛細(xì)水上升高度為0.9 — 1.1 m（王彥武等，2021），與本研究的調(diào)查結(jié)果較為接近，證實(shí)1.2 m以下是砂巖石窟鹽害可能受毛細(xì)水作用影響而發(fā)育的范圍。

針對(duì)南石窟、炳靈寺、紅石峽、蓮花寺以及萬安禪院這幾個(gè)毛細(xì)水上升現(xiàn)象較為顯著的石窟，分別在洞窟內(nèi)壁底部以及中部進(jìn)行采樣測(cè)試，底部樣品采自距地面1.2 m以內(nèi)，中部樣品采自距地面1.2 m以上，將兩類樣品的含鹽量測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（圖10）。根據(jù)圖10，窟壁底部的含鹽量明顯高于中部，主要是由于毛細(xì)水上升高度有限，毛細(xì)水在距地面越近處活動(dòng)越明顯，鹽分析出量相對(duì)越高，尤其是在含鹽量整體較高的紅石峽和蓮花寺石窟，底部的含鹽量比中部高出2%以上，紅石峽石窟因位于榆溪河兩岸，地下水位非常高，蓮花寺石窟由于水泥平臺(tái)的修建導(dǎo)致雨水淤積后以毛細(xì)作用上升，導(dǎo)致這兩處石窟在近地面處含鹽量遠(yuǎn)高于窟壁中部。

圖10 窟壁底部與中部含鹽量對(duì)比Fig. 10 Comparison of salt content between the bottom and middle samples of the wall

5 結(jié)論

（1）砂巖石窟的鹽害表現(xiàn)形式具有一定區(qū)域性特征：從發(fā)育程度上來看，隴東、陜北地區(qū)石窟鹽害發(fā)育嚴(yán)重，隴中、河西石窟鹽害相對(duì)輕微，在局部發(fā)育；從結(jié)晶形式和鹽害類型上來看，主要有顆粒狀、粉狀、片狀三種結(jié)晶形式和表面泛鹽、片狀剝落、粉狀剝落三種病害類型；從出露位置上看，隴東、陜北地區(qū)鹽害主要分布于崖壁降水沖蝕處以及夾層、裂隙滲水處，隴中、河西地區(qū)主要分布于近地面處以及滲水處。

（2）砂巖石窟的含鹽總量范圍是0.11% —5.73%。各區(qū)域內(nèi)各陰、陽離子含量差異較大：從陽離子含量來看，陜北和隴中地區(qū)Na+最高，隴東地區(qū)K+最高，河西地區(qū)Ca2+最高；從陰離子含量來看，陜北地區(qū)最高，隴中地區(qū)最高，隴東和河西地區(qū)最高。

（3）鹽害的微觀結(jié)晶形態(tài)及宏觀破壞形式取決于鹽的含量、成分。當(dāng)含鹽量較低時(shí)，鹽害通常表現(xiàn)為泛鹽形式，隨著含鹽量不斷增大逐漸出現(xiàn)片狀剝落、粉狀剝落病害。NaCl、CaSO4主要以片狀結(jié)殼的形式析出附著在石窟表面，Na2SO4主要以酥粉狀的形式結(jié)晶析出，KNO3主要表現(xiàn)為絮狀結(jié)晶。

（4）巖石孔隙率較高的石窟，由于透水性較強(qiáng)，孔隙水活動(dòng)性強(qiáng)，因而鹽害發(fā)育普遍嚴(yán)重，尤其以白堊系地層中的石窟表現(xiàn)最為明顯。

（5）毛細(xì)水活動(dòng)對(duì)鹽害的影響在研究區(qū)域各石窟內(nèi)普遍存在，受毛細(xì)水上升作用影響，多數(shù)石窟在洞窟底部近地面處發(fā)育有鹽害，窟壁底部風(fēng)化層中的含鹽量明顯高于窟壁中上部。