金沙土遺址鹽害分布與演化特征

曲 瑾,蔣璐蔓,劉 珂,明文秀,苗聞文,陳俊橙,肖 嶙

(1. 西北大學(xué),陜西西安 710127; 2. 成都金沙遺址博物館,四川成都 610074; 3. 成都文物考古研究院,四川成都 610074)

0 引 言

金沙遺址位于成都市西部二環(huán)路與三環(huán)路之間,地理坐標(biāo)為北緯30°41′,東經(jīng)104°,分布面積約3平方公里。金沙遺址是繼三星堆之后四川商周時(shí)期考古的又一重大發(fā)現(xiàn),對(duì)古蜀文化的研究具有重要意義[1-2]。為了展示和保護(hù)金沙遺址祭祀?yún)^(qū)的發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)以及土體內(nèi)保存的文物,2007年在土遺址上修建展廳,平面圖如圖1所示。由于金沙遺址祭祀?yún)^(qū)土遺址賦存環(huán)境的改變,導(dǎo)致土體表面出現(xiàn)了大量病害[3]。

賦存環(huán)境和土體性質(zhì)的不同導(dǎo)致鹽害表現(xiàn)形式、分布特征和發(fā)育程度存在較大差異。敦煌莫高窟中發(fā)現(xiàn)了起甲、粉化、泛鹽和皰疹等多種鹽害[4-6],層位不同壁畫(huà)鹽害類型和破壞程度不同:上層為泛鹽;中層為小面積粉化;下層為大片粉化剝蝕[6-9]。秦始皇陵土遺址表面鹽害表現(xiàn)為粉化、硬皮、結(jié)痂以及層狀片狀剝蝕[10-11]。三門峽虢季墓遺址部分區(qū)域存在起甲、表面泛鹽、皰疹等鹽害。這些鹽害越靠近底部,發(fā)育程度越大[12]。黃四平[13]發(fā)現(xiàn)唐皇城含光門土遺址中粉化是普遍存在的,而表面泛鹽和片狀剝蝕通常發(fā)育在墻體側(cè)立面中下部。銀川西夏陵3號(hào)陵、6號(hào)陵病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)酥堿發(fā)生的區(qū)域都是地勢(shì)較低和水流比較集中的區(qū)域,墻體片狀剝蝕和坍塌則發(fā)生在墻體側(cè)壁[14]。Moreno調(diào)查了葡萄牙托雷蒙科沃教區(qū)教堂鹽害,發(fā)現(xiàn)鹽害發(fā)育與建筑物的高度、材質(zhì)和結(jié)構(gòu)位置有關(guān)。教堂東側(cè)、北側(cè)和南側(cè)大門是鹽害發(fā)育最為嚴(yán)重的區(qū)域[15]。鹽害的發(fā)育與水-鹽運(yùn)移有著直接或間接的關(guān)系[16-19]。Zehnder[20]對(duì)瑞士的Müstair修道院教堂進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)20年的監(jiān)測(cè),結(jié)果發(fā)現(xiàn)鹽分類型與鹽害的表現(xiàn)和發(fā)育過(guò)程密切相關(guān)。Falchi[21]對(duì)威尼斯25個(gè)歷史建筑進(jìn)行了含水率和含鹽量的調(diào)查,得到了水鹽空間分布的普遍規(guī)律和主要影響因素。Sawdy等[22]在克萊夫修道院的鹽害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)鹽分在空間和時(shí)間上均存在較大的變化。

圖1 金沙遺址土遺址平面圖

盡管學(xué)者對(duì)不同地區(qū)和不同土遺址的鹽害進(jìn)行了較為全面的調(diào)查,但是針對(duì)鹽害特征和致病機(jī)理的分析大多是將每種鹽害類型分開(kāi)單獨(dú)討論。由于粉化、表面泛鹽、空鼓和片狀剝蝕等不同鹽害種類的分布特征和發(fā)育過(guò)程可能存在聯(lián)系。因此,了解各鹽害分布特征之間的關(guān)系和整體演化規(guī)律對(duì)于進(jìn)一步探討致病機(jī)理具有重要意義,也為病害防治提供理論依據(jù)。金沙遺址祭祀?yún)^(qū)土遺址表面鹽害的產(chǎn)生發(fā)展與水-鹽活動(dòng)的變化密切相關(guān)。但是,目前對(duì)于金沙土遺址鹽害的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程的研究鮮有報(bào)道。因此,本研究通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、取樣檢測(cè)和圖像處理技術(shù)定性和定量分析了金沙土遺址表面的鹽害類型、分布特征和鹽分分布,并對(duì)各鹽害劣化程度進(jìn)行評(píng)估,進(jìn)一步探討了2010～2020年鹽害的發(fā)生和發(fā)育過(guò)程,得到各鹽害之間的分布關(guān)系以及整體演化過(guò)程。

1 地質(zhì)環(huán)境

金沙遺址位于成都平原內(nèi)。平原發(fā)育在成都地塹的基礎(chǔ)上,由多個(gè)沖積扇所組成。受扇狀平原的控制,地勢(shì)西高東低、北高南低,海拔高程484～540 m。金沙遺址祭祀?yún)^(qū)土遺址上覆第四系全新統(tǒng)人工雜填土、素填土(Q4ml),第四系沖積(Q4al)黏性土、粉土、砂土和卵石土;下臥第四系上更新統(tǒng)冰水沉積的砂類土和砂卵石土(Q3fgl+al)。

2 鹽害分布特征與演化過(guò)程

2.1 鹽害分布特征

金沙祭祀?yún)^(qū)土遺址主要的病害類型有裂縫、表面泛鹽、粉化、空鼓、片狀剝蝕、掏蝕和生物病害,如圖2所示。裂縫在金沙土遺址探方的平面和立面普遍發(fā)育。這些裂縫影響了土遺址整體展示效果,因此在2012年對(duì)其進(jìn)行了表面修復(fù)。修復(fù)過(guò)程沒(méi)有使用化學(xué)品加固,僅改變了裂縫處的表面樣貌,使土遺址表面連續(xù),顏色統(tǒng)一。因此,遺址土體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并沒(méi)有受到裂縫修補(bǔ)的影響。表面泛鹽、粉化和空鼓等鹽害在遺址平面圖上的分布位置如圖3所示。由圖可知金沙土遺址鹽害主要分布在西北方向走廊兩側(cè)和古河道西側(cè)的探方側(cè)壁上。

圖2 金沙土遺址病害類型

圖3 金沙土遺址鹽害平面分布圖

為了定量分析各類鹽害的發(fā)育情況,本研究使用鹽害面積與側(cè)壁面積的比值描述鹽害的劣化程度。由此定義η1為表面泛鹽率,η2為粉化率(粉化面積為僅發(fā)生粉化病害的面積),η3為剝蝕掏蝕率(病害面積為片狀剝蝕和掏蝕兩種病害的總和),ηs為鹽害的總劣化率。本工作通過(guò)圖像處理技術(shù)分別得到了8207北壁、8206南壁、8205北壁、機(jī)挖坑北壁和走廊北壁各類鹽害的劣化率。走廊北壁是連續(xù)的,因此以圖3中的O點(diǎn)作為測(cè)量原點(diǎn),1 m寬度作為一個(gè)測(cè)量單元。兩個(gè)方向各類鹽害劣化率曲線如圖4所示。走廊方向總劣化率在0.55～0.89之間波動(dòng)。各鹽害劣化率亦波動(dòng)明顯,但整體趨勢(shì)呈現(xiàn)由東向西η1增大,η2減小。曲線波動(dòng)的原因與土體雜質(zhì)和裂縫分布有關(guān)。圖5為走廊北壁局部圖,圖中顯示側(cè)壁上夾雜大量塊狀卵石和修補(bǔ)后的裂縫,且卵石分布位置隨機(jī),裂縫形態(tài)復(fù)雜。這改變了水-鹽運(yùn)移的通道,促進(jìn)了鹽害的發(fā)育,使局部劣化率有所上升。由圖4b可知,從北向南η1減小,η2先大幅減小后基本保持穩(wěn)定,η3大幅增加?？偭踊师莝持續(xù)增加,最大值為0.91,位于機(jī)挖坑。對(duì)比兩個(gè)方向鹽害劣化率變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn),金沙遺址土遺址鹽害發(fā)育程度普遍較大,總劣化率均高于0.55,且越靠近古河道南端越嚴(yán)重,最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)闄C(jī)挖坑側(cè)壁,且走廊方向的總劣化率主要是由表面泛鹽和粉化兩種病害貢獻(xiàn)的,而古河道方向的總劣化率則由粉化、片狀剝蝕和掏蝕貢獻(xiàn)的。

圖4 鹽害劣化率分布

圖5 走廊北壁局部圖

圖6為T8207北壁、T8206南壁和T8205北壁局部圖片。雖然三個(gè)側(cè)壁劣化程度不同,但表面泛鹽、粉化、片狀剝蝕和掏蝕病害的分布位置相似。探方側(cè)壁最上層土體呈灰白色,表面平整堅(jiān)硬,沒(méi)有明顯的病害表現(xiàn)。側(cè)壁中上部分布一層白色表面泛鹽帶。在表面泛鹽帶以下為粉化病害。其中,單獨(dú)粉化病害面積大小不一,最小的為T8205北壁,最大的為T8207北壁。在側(cè)壁中下部,開(kāi)始出現(xiàn)空鼓和片狀剝蝕?？展牟『Φ闹虚g區(qū)域已與側(cè)壁土體脫離形成空腔,結(jié)皮結(jié)構(gòu)疏松起層,變形明顯。隨著空鼓病害的繼續(xù)發(fā)育,結(jié)皮層與側(cè)壁連接面積不斷減小,最終呈片狀或塊狀片狀剝蝕。在T8207北壁中可以觀察到不規(guī)則形狀的片狀剝蝕區(qū)域,但是在T8206南壁和T8205北壁上片狀剝蝕區(qū)域已經(jīng)連接成片。掏蝕病害通常發(fā)育在側(cè)壁的底部,是土體表面反復(fù)片狀剝蝕形成的。在T8206南壁和T8205北壁底部還存在散落堆積物形成的擴(kuò)大坡面。這是土體逐漸掉落后逐漸堆積形成的[23]。對(duì)比三個(gè)側(cè)壁發(fā)現(xiàn)雖然各類鹽害分布高度范圍不同,但是相對(duì)位置關(guān)系并沒(méi)有改變。從上到下由表面泛鹽逐漸過(guò)渡到單獨(dú)粉化,再到空鼓和片狀剝蝕,最底層為掏蝕。

為了進(jìn)一步定量分析各類鹽害在側(cè)立面上的分布特征,以0.1 m為高度測(cè)量區(qū)間,統(tǒng)計(jì)上述三個(gè)側(cè)壁η1、η2和η3隨高度的變化情況,結(jié)果如圖7所示。為了便于分析,對(duì)側(cè)壁高度進(jìn)行歸一化處理,其中H為探方側(cè)壁高度。隨著高度的增加,η1和η2曲線呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。曲線的最大值反映病害最嚴(yán)重的情況,其所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值反映了病害主要的分布高度。三個(gè)側(cè)壁由北向南表面泛鹽率最大值分別為0.77、0.69和0.52,對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為0.7、0.85和1。單獨(dú)粉化率最大值分別為1,0.65,0.61,對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為0.50、0.57和0.65。η3分布曲線可以近似看做S形曲線。曲線第一個(gè)拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)反映了片狀剝蝕病害主要的分布高度。三個(gè)側(cè)壁由北向南剝蝕掏蝕率最大值分別為0.73、1、1,拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的高度分別為0.08、0.28和0.63。綜上所述,由北向南,η1和η2的最大值逐漸減小,η3逐漸增大,病害的主要分布高度均逐漸增大。這說(shuō)明盡管三個(gè)側(cè)壁鹽害發(fā)育程度不同,但掏蝕與片狀剝蝕病害的主要分布高度低于單純粉化病害,低于表面泛鹽。隨著側(cè)壁總劣化率增加,各類鹽害分布的主要高度都逐漸增大。

圖6 T8207北壁、T8206南壁和T8205北壁局部圖

2.2 鹽害發(fā)育過(guò)程

為了探討金沙土遺址各類鹽害的演化過(guò)程,本研究搜集了2010～2020年病害調(diào)查資料,整理得到了T8206側(cè)壁不同時(shí)間鹽害變化情況以及T8206和T8205側(cè)壁鹽害劣化率隨時(shí)間的變化曲線,如圖8和圖9所示。

綜合分析圖8和圖9發(fā)現(xiàn),2010年T8206南壁表面沒(méi)有鹽害發(fā)育,但大量豎向裂縫導(dǎo)致總劣化率為0.12。2012年對(duì)主要裂縫進(jìn)行了修復(fù)之后,裂縫基本保持穩(wěn)定。但溫濕度循環(huán)變化導(dǎo)致探方側(cè)壁局部產(chǎn)生少量片狀剝蝕,使得總劣化率有輕微的上升。2013～2018年間,地下水位逐漸上升,土體側(cè)壁開(kāi)始浸潤(rùn),土遺址表面也開(kāi)始出現(xiàn)表面泛鹽、粉化、空鼓和片狀剝蝕等鹽害。各類鹽害的劣化率均逐漸增加,其中最先增加且劣化率數(shù)值最大的是表面泛鹽,其次為粉化,再次為片狀剝蝕。2018～2019年,各類鹽害劣化率均大幅上升,其中η2增幅最大。2019～2020年,ηs繼續(xù)增大,但η1和η2開(kāi)始下降,η3大幅增加。圖8中亦可發(fā)現(xiàn)原表面泛鹽發(fā)育的部分大多已經(jīng)剝落,側(cè)壁根部堆積了大量剝落土體。此時(shí)片狀剝蝕和掏蝕成為側(cè)壁上最主要的鹽害類型。

圖8 T8206側(cè)壁病害發(fā)育情況

圖9 η1、η2和η3隨時(shí)間的變化曲線

3 鹽分分析結(jié)果

為了對(duì)遺址土進(jìn)行鹽分分析,選擇T8207北壁作為樣本,從探方根部向上,每15 cm采一次土樣,使用賽默飛Dionex Aquion離子色譜儀分析土樣可溶鹽成分和含量,日本理學(xué)Miniflex 600 X射線衍射儀分析土樣的物相組成,ZEISS EVO18掃描電鏡分析土樣微觀結(jié)構(gòu)。采樣點(diǎn)編號(hào)、采樣高度、病害描述與分析方法見(jiàn)表1。

表1 取樣位置與檢測(cè)方法

圖10 離子濃度隨高度變化曲線

為進(jìn)一步了解粉化和泛鹽病害對(duì)土體結(jié)構(gòu)的影響,圖11給出了土樣T11、T9和T6掃描電鏡圖,放大倍數(shù)為1 000。T11位于探方側(cè)壁頂端,表面無(wú)明顯病害,土體呈片狀和塊狀堆積在一起,結(jié)構(gòu)較為緊密。T9為泛鹽病害區(qū)域,大量小塊狀結(jié)晶物堆積在土顆粒表面和孔隙中。這些結(jié)晶物表面泛白,遮擋了土顆粒原來(lái)的顏色。T6為粉化病害區(qū)域,與T11對(duì)比發(fā)現(xiàn),T6土顆粒變小,孔隙變大,質(zhì)地酥松。

表2 XRD分析結(jié)果

圖11 T8207北壁土樣SEM圖

4 討 論

金沙遺址祭祀?yún)^(qū)土遺址在挖掘之后出現(xiàn)大量的卸荷裂縫和脹縮裂縫。2013年之后,水鹽活動(dòng)的變化導(dǎo)致以表面泛鹽、粉化、空鼓、剝落和掏蝕為代表的鹽害開(kāi)始在西北向走廊和古河道附近的探方側(cè)壁上出現(xiàn)并迅速發(fā)育。這幾種鹽害不是同時(shí)出現(xiàn)的,發(fā)育過(guò)程也不盡相同。本研究將鹽害的演化過(guò)程概括為四個(gè)階段:

第一階段是表面泛鹽主要發(fā)育階段。該階段表面泛鹽和剝落均有產(chǎn)生,但表面泛鹽是發(fā)育最早,劣化率最大的病害類型。鹽分在土遺址表面首先析出形成一層晶體層[24-26],結(jié)晶層的分布范圍與鹽分種類以及在土體內(nèi)部的實(shí)際混合情況有關(guān)[27]。表面泛鹽的發(fā)育速度較為緩慢,2012～2018年T8205側(cè)壁上表面泛鹽的劣化率僅增加了0.064。這些薄層雖未導(dǎo)致土體的快速散落,但改變了土體表面顏色,引起緩慢的破壞[28-29]。

第二階段是粉化的主要發(fā)育階段。該階段各類鹽害均快速發(fā)育,其中粉化的劣化率最大,發(fā)育速度最快。粉化是可溶鹽與水分共同作用的結(jié)果?？扇茺}在水分的遷移下聚集于土顆粒間,發(fā)生重結(jié)晶[6-8,30]。鹽結(jié)晶擠壓土體顆粒,導(dǎo)致土體孔隙增大,土顆粒聯(lián)結(jié)作用減小,土體結(jié)構(gòu)疏松[31]。粉化改變了土遺址表層土體的結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì),導(dǎo)致土體顆粒不斷散落,其發(fā)育速度和破壞性均大于表面泛鹽。

第三階段是片狀剝蝕的主要發(fā)育階段。該階段剝落和掏蝕的劣化面積與發(fā)育速度大幅上升,超過(guò)其他類型鹽害,而表面泛鹽和單獨(dú)粉化的劣化率開(kāi)始出現(xiàn)下降。圖9b中,η2曲線在2019年之后出現(xiàn)下降。這是粉化層片狀剝蝕的結(jié)果。片狀剝蝕通常發(fā)生在側(cè)壁的中下部。在干濕循環(huán)和冷熱循環(huán)作用下,鹽分在表層土體下聚集形成結(jié)晶,使得下層土體逐漸蓬松粉化,將表層土體頂起,形成空腔[32]。隨著空腔面積逐漸增大,表層土體在自重作用下片狀剝蝕[33]。

第四階段為最終破壞階段。根據(jù)圖7和圖9可以預(yù)測(cè)金沙土遺址表面單獨(dú)粉化面積和表面泛鹽面積將逐漸減小,總粉化面積和片狀剝蝕面積逐漸增大,片狀剝蝕區(qū)域逐漸增高,最終整個(gè)側(cè)壁表層全部剝蝕,總劣化率達(dá)到1。在粉化和剝蝕的反復(fù)作用下,側(cè)壁土體掏蝕深度逐漸增大,根部堆積物逐漸增多,側(cè)壁的整體穩(wěn)定性下降。

圖12 表面泛鹽與粉化

5 結(jié) 論

本工作通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和圖像處理技術(shù)定性和定量分析了金沙遺址祭祀?yún)^(qū)土遺址表面鹽害主要類型、分布特征和發(fā)育過(guò)程,得到如下結(jié)論:

1) 金沙土遺址主要的病害類型為裂縫、生物病害、表面泛鹽、粉化、空鼓、片狀剝蝕與掏蝕。鹽害在西北方向走廊和古河道區(qū)域發(fā)育,越靠近古河道南端越嚴(yán)重,最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)闄C(jī)挖坑側(cè)壁。

2) 探方側(cè)壁上,不同高度鹽害的表現(xiàn)形式不同,由上到下依次由表面泛鹽逐漸過(guò)渡到單獨(dú)粉化,再到空鼓和片狀剝蝕,最底層為掏蝕。劣化程度越大,片狀剝蝕和掏蝕面積越大,表面泛鹽面積越小。

3) 金沙土遺址鹽害演化可以分為四個(gè)階段,分別為表面泛鹽、粉化和片狀剝蝕主要發(fā)育階段以及最終破壞階段。越到后期,各類鹽害分布區(qū)域越高,發(fā)展速度越快,對(duì)土遺址破壞性越大。

4) 離子濃度沿高度的分布與毛細(xì)上升作用有關(guān),也與病害的劣化程度和發(fā)育進(jìn)程有關(guān)。硫酸鈣類是導(dǎo)致土遺址泛鹽、粉化和脫落的主要鹽分之一。