陜西境內(nèi)遺址表面CaSO4·2H2O產(chǎn)生之水鹽運(yùn)移規(guī)律研究

王永進(jìn),紀(jì) 娟,石美榮,甄 剛,張 剛,相建凱,董少華

(陜西省文物保護(hù)研究院,陜西西安 710075)

0 引 言

土遺址是指以土作為主要建筑材料的人類歷史上生產(chǎn)、生活等各種活動(dòng)遺留下來(lái)的遺跡[1],具有價(jià)值高、數(shù)量多、分布廣的特點(diǎn),其突出的歷史內(nèi)涵和文化價(jià)值是中華民族文明與文化發(fā)展史的珍貴物證[2]。遺址的保護(hù)、展示、利用是一個(gè)世界性難題,特別是地下遺址的保護(hù)工作經(jīng)歷了從露天展示、回填保護(hù),保護(hù)房防護(hù)到全封閉地下式等保護(hù)階段,隨著保護(hù)技術(shù)的不斷進(jìn)步,如今我國(guó)遺址的保存環(huán)境已經(jīng)得到了較大改善,但遺址類病害并沒(méi)有完全終止。目前遺址常見(jiàn)的問(wèn)題是遺址發(fā)掘后不久表面就會(huì)出現(xiàn)大量的白色物質(zhì),為不影響展示只能由工作人員定期清掃,長(zhǎng)期勢(shì)必會(huì)對(duì)遺址造成破壞。由于遺址所處的環(huán)境不同,其表面白色物質(zhì)組成也不同,南方土遺址地下水位淺,周邊海水湖泊多,發(fā)掘后外圍的水反滲使遺址直接浸泡在水里,遺址土壤濕度為60%以上,其表面白色物質(zhì)主要為NaCl或Na2SO4。本工作主要研究陜西境內(nèi)的土遺址,地下水埋深較深,遺址土壤相對(duì)濕度保持在30%～40%之間。這類土遺址表面白色物質(zhì)的主要成分為CaSO4·2H2O[3],并隨著時(shí)間逐漸增多,以往的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為遺址表面生成白色物質(zhì)是由于遺址原始保存環(huán)境的改變?cè)斐傻?只要?jiǎng)?chuàng)造與遺址被發(fā)掘前的環(huán)境就能抑制表面白色物質(zhì)的產(chǎn)生[4]?，F(xiàn)實(shí)情況是遺址的原始保存環(huán)境非常復(fù)雜,以現(xiàn)有的條件完全模擬出相同的環(huán)境比較困難,遺址表面產(chǎn)生CaSO4·2H2O的問(wèn)題一直沒(méi)能解決。近年來(lái)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)遺址表面產(chǎn)生的白色物質(zhì)組成研究成果較多,而對(duì)遺址出土后到表面產(chǎn)生白色物質(zhì)的過(guò)程研究未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。本研究通過(guò)土柱實(shí)驗(yàn)?zāi)M遺址從出土后到表面生成白色物質(zhì)CaSO4·2H2O的過(guò)程,并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各階段土壤水分及可溶鹽的變化,結(jié)合土壤中可溶性離子的含量分析,揭示遺址出土后表面產(chǎn)生CaSO4·2H2O的本質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1．1 土柱模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用土柱分析法,供試土壤取自漢陽(yáng)陵?yáng)|闕門遺址探方塌落土塊,碾壓粉碎后,揀出土壤內(nèi)的石塊、雜草等物,然后放入105 ℃的烘箱內(nèi)烘干24 h,冷卻至室溫后過(guò)40目的篩子。將篩好的土慢慢倒入定制的有機(jī)玻璃柱,柱高35 cm,直徑25 cm,底部鋪0.3 cm厚的PP棉材料使土與水不直接接觸,PP棉透水性好且不會(huì)發(fā)霉。柱子底部鉆孔,孔直徑0.1 cm,孔間距為2 cm,水通過(guò)底部小孔進(jìn)入土柱,同時(shí)在土柱的底部(A)、中部(B)、表面(C)安置土壤溫/濕度/TDS(總可溶性固體,反應(yīng)水中可溶鹽的含量)一體傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)的變化(圖1),三個(gè)位置分別代表遺址表面,遺址中部和遺址底部與地下水接觸的部位。土柱制作好后,將其放入盛水容器中,容器中的水位保持與土柱底部剛剛接觸,隨著土柱對(duì)水的吸收需不斷加水保持水位基本不變。為了對(duì)比與南北方遺址的不同,同時(shí)對(duì)兩處南方遺址的表面白色物質(zhì)、地下水及土壤進(jìn)行分析。土柱中的原始土壤和實(shí)驗(yàn)用水以及南方土遺址的可溶性離子分析結(jié)果見(jiàn)表1,表中的地下水來(lái)自各館自來(lái)水(館內(nèi)自打井)。

圖1 土柱實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the soil column experiment

表1 樣品離子色譜分析Table 1 Ion chromatography results of the samples (mg/g)

1．2 表面白色物質(zhì)分析

土柱實(shí)驗(yàn)?zāi)M遺址出土后發(fā)生變化的全過(guò)程,隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行土柱表面產(chǎn)生白色物質(zhì),采集土柱表面白色物質(zhì)進(jìn)行XRD分析。

1．3 土柱可溶鹽分布梯度分析

遺址表面白色物質(zhì)的生成與可溶鹽的含量有直接關(guān)系,不同深度的土壤可溶鹽含量不同。因遺址病害常發(fā)生在表層,通常遺址表層CaSO4·2H2O的覆蓋層厚度為1～2 mm,要想得到鹽的分布梯度,采樣的深度間隔越小越好。土柱實(shí)驗(yàn)開(kāi)始20天后表面出現(xiàn)白色顆粒物,隨著時(shí)間的推移表面白色物質(zhì)不再明顯增加,同時(shí)水鹽的變化幅度在±0．1個(gè)數(shù)量級(jí),說(shuō)明鹽析過(guò)程已經(jīng)達(dá)到平衡,故鹽析過(guò)程達(dá)到平衡后在土柱表層10 mm高度從上往下采用切片式的方法用手術(shù)刀每隔2 mm采集一層土壤樣品[5],共采集表層樣品6個(gè),樣品編號(hào)為土柱(0),土柱(2),土柱(4),土柱(6),土柱(8),土柱(10),采集后的樣品進(jìn)行離子色譜分析。

1．4 儀器設(shè)備

2 結(jié)果與討論

土柱實(shí)驗(yàn)從9月4日開(kāi)始,全程監(jiān)測(cè)水鹽變化值,直到水鹽變化幅度為±0．1個(gè)數(shù)量級(jí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束,整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為前期、中期和后期,前期為土壤潤(rùn)濕期,中期為土壤水鹽穩(wěn)定期,后期為表面鹽析期,每期的水鹽變化趨勢(shì)不同,土柱實(shí)驗(yàn)的中后期土壤濕度變化趨于穩(wěn)定,類似于遺址剛出土后的狀態(tài),中期對(duì)應(yīng)的是遺址剛出土?xí)r的狀態(tài),后期對(duì)應(yīng)的是遺址發(fā)掘展示后表面析出白色物質(zhì)的狀態(tài)。

2．1 土柱各階段可溶鹽、濕度變化分析

1) 土柱潤(rùn)濕期

土柱浸入水槽中,水從柱子底部的小孔緩慢滲入土柱,在毛孔力的作用下土柱潤(rùn)濕面逐漸上升。此過(guò)程柱中土壤顆粒遇水后發(fā)生形變并形成新的孔隙結(jié)構(gòu),土壤濕度變化不規(guī)律,整體水鹽運(yùn)移變化如圖2～3,土柱A、B點(diǎn)土壤濕度幾乎同步變化,且A、B處的濕度曲線上升過(guò)程中出現(xiàn)多次交叉,C點(diǎn)濕度變化滯后約2個(gè)小時(shí),三條曲線逐漸增大到頂部變的平緩,濕度不再快速增加,形成A濕>B濕>C濕的濕度曲線,前3個(gè)小時(shí)可溶鹽變化趨勢(shì)為A鹽>B鹽>C鹽,第4個(gè)小時(shí)B鹽反超A鹽,到第5個(gè)小時(shí)C鹽反超A鹽,5個(gè)小時(shí)內(nèi)可溶鹽的變化趨勢(shì)為B鹽>C鹽>A鹽。

圖2 土柱濕度變化(前期)Fig.2 Humidity change of the soil column (earlier stage)

圖3 土柱可溶鹽變化(前期)Fig.3 Soluble salt change of the soil column (earlier stage)

2) 水鹽穩(wěn)定期

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始9天后土柱全部潤(rùn)濕,A點(diǎn)土壤濕度達(dá)到極限基本為一條水平線,B、C點(diǎn)土壤濕度穩(wěn)步上升(圖4),最終B點(diǎn)交匯于A點(diǎn)不再增大保持平穩(wěn),C點(diǎn)濕度在平衡線來(lái)回波動(dòng),此時(shí)各層土壤達(dá)到最大持水量,濕度變化為A濕>B濕>C濕,各點(diǎn)可溶鹽的濃度不斷增大(圖5),A鹽、B鹽增速變緩,C鹽還在不斷增大,形成C鹽>B鹽>A鹽的可溶鹽梯度。

圖4 土柱濕度變化(中期)Fig.4 Humidity change of the soil column (middle stage)

圖5 土柱可溶鹽變化(中期)Fig.5 Soluble salt change of the soil column (middle stage)

3) 表面析鹽期

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始15天后,土壤吸水量達(dá)到飽和,A、B點(diǎn)的土壤濕度基本不再發(fā)生大的變化,圍繞平均線上下波動(dòng),C點(diǎn)因表層土壤水分蒸發(fā),受外界環(huán)境影響濕度波動(dòng)幅度大,濕度變化趨勢(shì)為A濕>B濕>C濕(圖6),A、B點(diǎn)由于土壤濕度基本不變,可溶鹽變化為恒定的直線,C點(diǎn)由于水分蒸發(fā)使土壤溶液濃度越來(lái)越大,首先達(dá)到飽和的可溶鹽離子相互結(jié)合形成結(jié)晶析出,土壤溶液濃度下降,曲線回落,地下水及時(shí)補(bǔ)充使土壤溶液濃度又逐漸升高,曲線上升,可溶鹽的結(jié)晶與地下水的補(bǔ)充是同時(shí)進(jìn)行的,反應(yīng)在圖7中就是C處的可溶鹽曲線上下波動(dòng),最后形成C鹽>B鹽>A鹽的可溶鹽梯度(圖7)。

圖6 土柱濕度變化(后期)Fig.6 Humidity change of the soil column (later stage)

圖7 土柱可溶鹽變化(后期)Fig.7 Soluble salt change of the soil column (later stage)

2．2 土柱表面白色物質(zhì)分析

土柱表面白色物質(zhì)經(jīng)XRD分析(圖8),與漢陽(yáng)陵遺址博物館13號(hào)坑遺址表面的白色物質(zhì)為同一類型[6-7],其主要成分為石英、云母、長(zhǎng)石和CaSO4·2H2O。

圖8 土柱表面白色物質(zhì)XRD分析Fig.8 XRD pattern of the white material on the soil column surface

2．3 土柱可溶鹽分布梯度分析

土柱表層土壤中的離子分析見(jiàn)表2。圖9反映了土柱表層10 mm范圍內(nèi)不同土層土壤中可溶鹽濃度(TDS)變化,從圖中可以看出可溶鹽濃度從外層向內(nèi)層逐漸下降,表層0 mm處到2 mm處可溶鹽濃度發(fā)生明顯變化由48.9 mg/g降低到16 mg/g,說(shuō)明土柱表層累積了大量的可溶鹽。

圖9 土柱表層可溶鹽含量變化Fig.9 Variation of the soluble salt content on the soil column surface

表2 土柱表層土壤離子分析Table 2 Ion analysis results of the column surface soil (mg/g)

圖10 土柱表層不同土層離子含量比較Fig.10 Comparison of ion contents in different layers on the soil column surface

圖11 實(shí)驗(yàn)前后土壤離子濃度比較Fig.11 Comparison of ion concentrations in soil before and after the experiment

3 結(jié) 論

土遺址的主體是土壤,與普通的土壤最大的區(qū)別是土遺址載有人類歷史活動(dòng)的信息,是人類研究歷史的重要依據(jù),保護(hù)好土遺址對(duì)研究先人的生產(chǎn)生活方式及社會(huì)發(fā)展有重大意義。然而土遺址的本體土壤又與普通土壤有共性,遺址由于長(zhǎng)期深埋地下其與周邊土壤沒(méi)有區(qū)別,土壤中的水分和可溶鹽保持穩(wěn)定的狀態(tài),遺址出土后改變了其原始保存環(huán)境,由原來(lái)的土壤-土壤環(huán)境轉(zhuǎn)換為土壤-空氣環(huán)境,在與新環(huán)境達(dá)成平衡的過(guò)程中勢(shì)必發(fā)生物質(zhì)或能量的變化。本研究通過(guò)土柱實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論。