趙宏欣, 張 晶,2, 魏子賀, 許 鵬, 馬駿驊
(1.遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司,沈陽(yáng) 110000;2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué),阜新 123000)
大足石刻集釋(佛教)、道(道教)、儒(儒家)“三教”造像之大成,具有鮮明的民族化、生活化的特色,在中國(guó)石刻中獨(dú)樹(shù)一幟,寶頂山石刻作為大足石刻的重要代表,在我國(guó)摩崖石刻藝術(shù)中占有舉足輕重地位,同時(shí)也是中國(guó)晚期石窟藝術(shù)歷史的重要見(jiàn)證。
近年來(lái),水體侵蝕加劇了寶頂山文物本體及周邊圍巖體的巖石風(fēng)化剝蝕[1],造成了頂板失穩(wěn)險(xiǎn)情等一系列病害。水體的流通往往發(fā)生在巖體破碎裂隙發(fā)育區(qū),精確探測(cè)文物所處巖體隱伏裂隙破碎發(fā)育情況是消除病害至關(guān)重要的一環(huán)。
常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查手段只能了解文物所處巖體表面的病害,無(wú)法掌握巖體內(nèi)部病害的發(fā)育情況;鉆孔探測(cè)會(huì)破壞巖體完整性,增加文物毀壞風(fēng)險(xiǎn),故而無(wú)法應(yīng)用。而地球物理勘探方法[2-6]作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù),能夠在不破壞巖體的情況下對(duì)巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè),查明巖體不良地質(zhì)發(fā)育情況,為后期病害的治理提供寶貴的資料。
筆者利用超聲橫波成像技術(shù)[7]和地質(zhì)雷達(dá)[8]對(duì)地層淺部進(jìn)行探測(cè),推斷解釋了防水混凝土保護(hù)層厚度及破碎位置,結(jié)合利用微電極高密度電阻率法[9-10]對(duì)地層深部的探測(cè)能力,推斷解釋了裂隙延伸發(fā)育情況,為后期病害的治理提供了參考依據(jù)。三種物探方法的綜合利用[11-17]在本次勘探中取得了良好的效果,對(duì)類(lèi)似工作具有借鑒意義。
圓覺(jué)洞位于寶頂大佛灣南崖西部,是寶頂山摩崖造像中最具有代表性的作品之一。洞口有作奔突怒吼狀石獅一只,窟內(nèi)正壁刻“三身”(法身、應(yīng)身、報(bào)身),窟內(nèi)兩側(cè)刻有十二圓覺(jué),左右各六尊,下有基座,
六個(gè)基座相連形成整體。洞內(nèi)石雕刻畫(huà)細(xì)膩、造型優(yōu)美,裝飾性強(qiáng),袍袖飄舞輕柔婉轉(zhuǎn),如娟似綢。地處四川盆地丘陵地區(qū)與川東平行嶺谷交接地帶,屬低山和深丘地區(qū),常年氣候潮濕。
根據(jù)調(diào)查資料得知圓覺(jué)洞第四紀(jì)覆蓋層為回填土,厚度未知,一般以黃褐至黑褐色砂土或粉土為主,其中普遍包含有一定量的青瓦、紅磚碎片及砂巖塊石,土體粘性差、結(jié)構(gòu)松散。1998年修繕資料顯示,圓覺(jué)洞洞頂區(qū)域曾經(jīng)做過(guò)地面防滲處理,對(duì)基巖裂縫進(jìn)行過(guò)1∶4環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ),并鋪設(shè)150 mm厚1:5灰土找坡防水。同時(shí),上覆雨布防水層,最后覆300 mm厚耕植土,種植草皮。但目前看已有多處大型喬木生長(zhǎng),對(duì)圓覺(jué)洞頂板防滲極為不利。圓覺(jué)洞頂板全部位于侏羅系下段J3Ps-1上部砂巖層,巖層層厚約15 m~20 m為淺褐至灰綠色細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖,呈水平狀,多數(shù)在層面上含有大量白色片狀云母碎片,局部含有大型薄層狀斜層理,含多條泥巖薄夾層。下伏地層為J3Pl-2下部泥巖層,紫灰色粉砂質(zhì)泥巖,含綠色鈣質(zhì)條帶,泥巖表面風(fēng)化裂隙發(fā)育,層理發(fā)育不明顯,與上覆砂巖界面處風(fēng)化形成凹槽,影響圓覺(jué)洞整體穩(wěn)定性。
圓覺(jué)洞洞窟現(xiàn)狀如圖1、圖2所示,從圖1可以看出,圓覺(jué)洞洞身所處巖體破碎(紅色閉合圈所示)、節(jié)理裂隙較發(fā)育(黃色線條所示)、巖體完整性差;從圖2可以看出,圓覺(jué)洞窟內(nèi)洞頂巖體有分層剝蝕(綠色線條所示),水澤侵蝕(紅色閉合圈所示)和縱橫交錯(cuò)節(jié)理裂隙發(fā)育(黃色線條所示)表現(xiàn)。巖體破碎、節(jié)理裂隙等不良地質(zhì)構(gòu)造容易形成水體流通通道,危害文物本體,查明洞窟所處巖體不良地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況是后期開(kāi)展治理工作的前提。
圖1 圓覺(jué)洞洞口全景圖Fig.1 Panorama of Yuanjue Cave entrance
圖2 圓覺(jué)洞窟內(nèi)全貌Fig.2 Panorama in Yuanjue Cave
為此,在圓覺(jué)洞窟洞頂進(jìn)行物探勘測(cè)以期查明洞窟頂板防水混凝土保護(hù)層是否存在風(fēng)化侵蝕破壞現(xiàn)象以及隱伏節(jié)理裂隙等不良地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況。
表1為研究區(qū)內(nèi)主要巖體物理性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)情況。本次勘測(cè)任務(wù)主要分布在洞窟頂板處,結(jié)合地質(zhì)調(diào)查及前期資料可知,該處巖體為砂巖及其上部防水混凝土層?;炷梁蜕皫r的橫波波速、電阻率值和介電常數(shù)存在一定的差異,為地球物理方法開(kāi)展提供了基礎(chǔ)。根據(jù)超聲橫波成像技術(shù)和地質(zhì)雷達(dá)反射界面的情況,可以推斷出混凝土層的厚度,再結(jié)合其橫向連續(xù)性可以推斷防水混凝土層是否存在破損情況。根據(jù)微極距高密度電阻率反演斷面圖(圖7)可以推斷巖體內(nèi)破碎裂隙發(fā)育情況,結(jié)合防水層的破損位置可以推斷出水蝕通道。
表1 主要巖體物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of the main media's physical properties parameters
超聲橫波成像技術(shù)[17-19],主要是使用超聲波探頭測(cè)量超聲波脈沖在介質(zhì)中的傳播速度、首波幅度和接收信號(hào)的主頻率等聲學(xué)參數(shù),并根據(jù)這些參數(shù)及其相對(duì)變化來(lái)判斷介質(zhì)的內(nèi)部情況。超聲波遇波阻抗差異的界面時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)反射,根據(jù)其幅值可以推斷地層的變化,本次測(cè)試采用儀器設(shè)備為ACSYS公司研制生產(chǎn)的MIRA A1020型超聲波斷層掃描成像儀,運(yùn)用合成孔徑聚焦和陣列式超聲(SAFT-C)技術(shù)。通過(guò)斷層掃描儀的天線陣的測(cè)量對(duì)采集到的信息形成數(shù)據(jù)陣列,最后生成被測(cè)物體的橫截面視圖(圖5)。
地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)是利用高頻電磁波在地下電性界面的反射,以探測(cè)有關(guān)目標(biāo)物的一種物探方法[20-21]。地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)射和接收天線緊貼地面,由發(fā)射機(jī)發(fā)射的短脈沖電磁波經(jīng)發(fā)射天線輻射傳入大地,電磁波在地下傳播過(guò)程中遇到介質(zhì)的分界面后便被反射或折射,反射回地面后被接收天線接收到回波,回波信號(hào)因傳播路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度及波形在傳播過(guò)程中介質(zhì)的電性差異及幾何形態(tài)的不同而發(fā)生變化如圖3所示,通過(guò)雷達(dá)主機(jī)精確記錄回波信號(hào)的運(yùn)動(dòng)特征,便可獲得地下介質(zhì)的斷面掃描圖像,根據(jù)掃描圖的波形及反射波的強(qiáng)度特征,可追蹤圖像中同相軸等灰度線或等色線,結(jié)合其他勘探資料,即可識(shí)別地下目標(biāo)物。
圖3 典型目標(biāo)雷達(dá)回波圖Fig.3 Geological radar operation
電磁波的反射信號(hào)強(qiáng)度主要取決于上下層介質(zhì)的電性差異,差異越大反射信號(hào)越強(qiáng)。雷達(dá)波穿透深度與地下介質(zhì)電導(dǎo)率和中心頻率相關(guān),即電導(dǎo)率越高,穿透深度越小; 中心頻率越低,穿透深度越大。電磁波在分界面上的反射系數(shù)主要與介電常數(shù)有關(guān),在兩層介質(zhì)的分界面上,當(dāng)介質(zhì)的介電常數(shù)存在差異時(shí),才會(huì)發(fā)生反射,分界面兩側(cè)的介電常數(shù)差異越大,反射能量越強(qiáng)。
常規(guī)高密度電阻率法電極距一般都在1.0 m以上,難以滿足探測(cè)要求,本次探測(cè)采用0.1 m微電極距,裝置類(lèi)型為溫納裝置,基本原理是:電極按供電正極-測(cè)量正極-測(cè)量負(fù)極-供電負(fù)極的布極方式,等比例排列在剖面上,獲得某一深度的視電阻率值。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和場(chǎng)地地形實(shí)際情況確定每排列一次性布設(shè)60根電極,供電電壓為180 V,供電時(shí)間為100 ms,斷電時(shí)間為50 ms。測(cè)量時(shí)AM=MN=NB為一個(gè)電極間距,A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng),得到第一條剖面線(即第一層);接著AM、MN、NB增大一個(gè)電極間距,A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)得到另一條剖面線,這樣不斷掃描測(cè)量下去得到倒梯形斷面。
水體侵蝕洞窟內(nèi)部文物本體及巖體需要穿過(guò)頂板巖體上部防水混凝土保護(hù)層,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料可以推斷混凝土保護(hù)層存在破損情況。為了查明保護(hù)層破損位置及巖體破碎裂隙發(fā)育情況及可能的水蝕通道路徑,采用超聲橫波成像技術(shù)、地質(zhì)雷達(dá)及微極距高密度電阻率法,對(duì)洞窟頂板巖體進(jìn)行探測(cè)。為了防止第四紀(jì)覆蓋層干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在數(shù)據(jù)觀測(cè)前鏟除圓覺(jué)洞窟頂部所有的第四紀(jì)覆蓋層,然后在其上布設(shè)縱橫相交的測(cè)線。這里選取其中一條測(cè)線,在該條測(cè)線上進(jìn)行了三種方法的數(shù)據(jù)觀測(cè)。由于客觀條件及探測(cè)原理所限,不同方法的數(shù)據(jù)覆蓋長(zhǎng)度各不相同,如圖4所示,微電極高密度電阻率法測(cè)線長(zhǎng)度為7.5 m,電極距為0.1 m;超聲橫波成像技術(shù)和地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線長(zhǎng)度為7.0 m。
圖4 實(shí)景測(cè)線圖 Fig.4 Scene line map
圖5為超聲橫波成像技術(shù)反演剖面,對(duì)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)業(yè)反演軟件處理生成幅值色彩圖,縱向0.1 m~0.2 m區(qū)域有一明顯的強(qiáng)弱能量分界面如圖5紅色虛線所示。結(jié)合前期資料圓覺(jué)洞頂板上曾做防水混凝土保護(hù)層,考慮到混凝土與砂巖的波速間存在差異,其波阻抗不同,二者交界面會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反射,推斷紅色虛線以上為防水混凝土保護(hù)層。橫向0.2 m~0.7 m、1.8 m~2.8 m、4.3 m~4.8 m、5.4 m~6.2 m區(qū)域出現(xiàn)同相軸錯(cuò)斷現(xiàn)象,考慮到防水混凝土保護(hù)層受風(fēng)化侵蝕破壞后顆粒的膠結(jié)狀態(tài)發(fā)生變化,導(dǎo)致地層不均勻,從而在振幅圖上會(huì)出現(xiàn)同相軸錯(cuò)斷現(xiàn)象推斷為防水混凝土保護(hù)層破損處,如圖5中P1、P2、P3、P4所示。防水混凝土保護(hù)層風(fēng)化侵蝕破壞位置是地層薄弱處,更容易遭到水體的侵蝕形成水系侵蝕通道,是本次勘探工作的重要關(guān)注點(diǎn)。
圖5 超聲橫波成像技術(shù)反演剖面Fig.5 Section diagram of ultrasonic CT method
圖6為地質(zhì)雷達(dá)斷面圖,該斷面縱向0.1 m~0.2 m區(qū)域有一明顯的反射界面,推斷為地層分界面,紅色虛線所示??紤]到防水混凝土保護(hù)層與原砂巖層電介電性存在明顯的差異,電磁波穿過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射,在地層交接處會(huì)出現(xiàn)反射界面,結(jié)合前期調(diào)查資料及圖5超聲橫波成像技術(shù)反演斷面可以推斷圖6中紅色虛線以上為防水混凝土保護(hù)層。橫向0.2 m~1.0 m、1.8 m~2.4 m、4.2 m~4.6 m、5.6 m~6.5 m區(qū)域呈現(xiàn)橫向不連續(xù),這表明地層不均勻,推斷為防水混凝土保護(hù)層破損處,與圖5中P1、P2、P3和P4對(duì)應(yīng)。
圖7為微電極高密度電阻率法反演斷面圖,該斷面整體視電阻率值較低不超過(guò)500 Ω·m,縱向0.1 m~0.2 m處有一相對(duì)高阻、低阻分界面如紅色虛線所示,虛線上方視電阻率值在150 Ω.m以上,虛線下方視電阻率值不超過(guò)150 Ω·m,局部區(qū)域低于50 Ω.m。結(jié)合調(diào)查資料可知該處曾做防水混凝土保護(hù)層,推斷虛線以上為混凝土保護(hù)層。該段面橫向1.2 m~2.3 m、4.0 m~4.5 m、5.8 m~6.1 m區(qū)域深部存在傾斜低阻體,視電阻率值呈相對(duì)低阻閉合圈橫向連續(xù)性中斷。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),電阻率值呈低阻閉合圈橫向連續(xù)性中斷常和含水層空洞、破碎裂隙地質(zhì)體發(fā)育等有關(guān),本次勘探結(jié)合地質(zhì)調(diào)查資料,推斷該處為破碎裂隙發(fā)育,如LX1、LX2、LX3所示,對(duì)比圖5、圖6斷面圖與P2、P3和P4位置對(duì)應(yīng),這表明水體沿防水混凝土保護(hù)層破損處通過(guò)向地層深處侵蝕。
對(duì)比三種方法的同線探測(cè)結(jié)果,宏觀上探測(cè)結(jié)果存在結(jié)構(gòu)一致性,都對(duì)覆蓋層厚度的反演良好,其中超聲橫波成像技術(shù)方法的覆蓋層顯示為0.10 m~0.15 m,地質(zhì)雷達(dá)方法顯示為0.10 m~0.18 m,微電極高密度電阻率方法顯示為0.15 m~0.25 m。對(duì)于防水混凝土保護(hù)層破碎位置,超聲橫波成像技術(shù)和地質(zhì)雷達(dá)法均有反應(yīng),微電極高密度電阻率沒(méi)有反應(yīng),其中超聲橫波成像技術(shù)方法的破損位置顯示為0.2 m~0.7 m、1.8 m~2.8 m、4.3 m~4.8 m和5.4 m~6.2 m四處區(qū)域;地質(zhì)雷達(dá)方法顯示為0.2 m~1.0 m、1.8 m~2.4 m、4.2 m~4.6 m、5.6 m~6.5 m四處區(qū)域。對(duì)于裂隙超聲橫波成像技術(shù)和地質(zhì)雷達(dá)法沒(méi)有反應(yīng),微極距高密度度電阻率法推斷解釋了三條主裂隙分別為L(zhǎng)x1、Lx2和Lx3。根據(jù)資料可知,防水混凝土保護(hù)層厚為0.15 m,對(duì)比勘探成果可知分辨率上,超聲橫波成像技術(shù)對(duì)厚度反應(yīng)最大偏差為0.05 m,地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)厚度反應(yīng)最大偏差為0.05 m,微極距高密度法對(duì)厚度反應(yīng)最大偏差為0.10 m。
運(yùn)用超聲橫波成像技術(shù)、地質(zhì)雷達(dá)及高密度電阻率法對(duì)大足石刻圓覺(jué)洞頂板進(jìn)行探測(cè),對(duì)比分析探測(cè)結(jié)果得出以下結(jié)論:
1)三種地球物理技術(shù)探測(cè)圓覺(jué)洞頂板防水混凝土保護(hù)層厚度是有效的。其中,超聲橫波技術(shù)和地質(zhì)雷達(dá)因?yàn)椴捎梅瓷洳ㄌ綔y(cè)理論,故而比高密度電法對(duì)頂板防水混凝土保護(hù)層的探測(cè)效果更佳,而反之高密度電法對(duì)陡傾角裂隙更為有效。
2)超聲橫波成像技術(shù)和地質(zhì)雷達(dá)推斷解釋了混凝土保護(hù)層四處破碎部位,而對(duì)裂隙的發(fā)育情況沒(méi)有反應(yīng);微電極高密度電阻率法推斷解釋了三條主裂隙,對(duì)混凝土保護(hù)層破損位置沒(méi)有反應(yīng),分析可能是同一性質(zhì)的地層物性差異不明顯的原因。
3)三種物探方法的綜合利用在本次勘探中取得了良好的效果,對(duì)類(lèi)似項(xiàng)目有一定的借鑒意義。