大足石刻北山佛灣訶利帝母造像風化機理

中圖分類號：TU452 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2025）03-0079-12

Weathering mechanism of the Hariti Statue in Fowan of the Beishan Rock Carvings at Dazu

LEI Yu'，LIU Huan2，WANG ShuWan2，ZHANG Wengang2，LIU Meng2， JIANG Siwei’，CHEN Huili'，LIN Sicheng2 （1.Dazu Engraving Research Institute，Chongqing 40236O，P.R.China; 2.Schoolof Civil Engineering， Chongqing University，Chongqing 400045，P.R.China）

Abstract：The Hariti Statue inFowan of the BeishanRock Carvingsat Dazu has avery high cultural， historical and artistic value，however its weathering is serious，and the statue of the long-term preservation is facing a serious challenge.In order to study the weathering mechanism of the Hariti Statue，this paper made adetailed investigation on the diseases of statues.The samples of weathered dust were collected from the surface of the rock mass of the Hariti Statue for X-ray diffraction （XRD）and ion chromatography （IC）analysis，which tested the mineral composition and the content and composition of the soluble salts.The meteorological parameters such as air temperature，relative humidity，rainfall and the concentration of atmospheric pollutants such as sulfur dioxide （SO₂） ），nitrogen dioxide （NO₂） ），2.5-micrometer Particulate Matter ，inhalable particles（ ΔPM₁₀ in the study area were monitored fora long time bythe integrated meteorological and air qualitymonitoring station. The results of disease investigation showed that dust and chalking flaking were the most important diseases to the stone and painting of the statue.XRD test showed that the mineral composition was dominated by quartz， plagioclase feldspar and gypsum. These mineral components have a large degree of weathering，and some components such as gypsum are susceptible to the decomposition under chemical weathering by various acids. IC analysis showed high content of sulfate ion （SO₄^2- ），nitrate Ion （NO^3- ）and chloride ion （Cl^- ），whose acidic corrosion and salinization accelerate the weathering and disintegration of the artifactual minerals.The results of environmental monitoring showed that the area was in the high humidity range of 70%80% .Theair temperature fluctuates greatly depending on the season，and the maximum temperature in the area of the statue is over 40^°C in summer. The hot and humid environment is apt to induce the weathering of rock cultural heritage，and when the temperature fluctuation is accompanied by the change of humidity，the risk of weathering would be increased.The air pollution in the statuearea is serious，among which atmospheric particulate matters are the most important polution factors.The chemicals in particulate mattr along with acidic gaseous pollutants such as SO₂ and NO₂ will catalyze the erosion of minerals on rock surfaces.

Keywords： Dazu rock carvings；hot and humid regions；stone cultural heritage；weathering；environmental factors

大足石刻是世界文化遺產，其中北山佛灣有“訶利帝母龕”、“觀無量壽經變相”“千手觀音像”等代表性造像。以訶利帝母造像為代表的唐宋時期石刻作品，為中國晚期石刻藝術研究提供了很好的案例。近年來，龕內造像存在石質風化、彩繪剝落等不同類型和程度的病害，嚴重制約著北山佛灣石刻的健康保存。

已有研究表明，影響石質文物風化的原因包括巖體礦物組分、可溶鹽離子等內在因素和空氣溫度、相對濕度、大氣污染物等環(huán)境因素[]。不同礦物組成抗風化能力不同。Zhang等2發(fā)現(xiàn)，大足石刻巖石中存在蒙脫石，其具有吸濕膨脹和干燥收縮性質，當環(huán)境濕度變化時會加劇砂巖破壞?？扇茺}對于石質文物具有嚴重侵蝕作用。Yan等3發(fā)現(xiàn)，鹽害是導致大足石刻造像風化的重要因素。高溫加快了與石刻風化相關的化學反應，溫度波動會使砂巖發(fā)生劣化。陳星4結合對表層巖體溫度場的現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，暴露在日曬下壁溫較高的巖壁表面風化嚴重，而靠近陰涼處的巖壁則保存完整。石質長時間處于高濕環(huán)境中容易出現(xiàn)表面起翹剝落等病害現(xiàn)象[5]。張兵峰等對大足石刻進行調研后發(fā)現(xiàn)，長時間滲水會使巖體軟化，影響其穩(wěn)定性。大氣中氣體或顆粒污染物，如氮化物、硫化物、大氣懸浮顆粒物等物質會形成腐蝕反應，直接損壞石刻，并加速風化[]。王娟等[8對大足石刻千手觀音所處環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測結果表明，大氣顆粒物為首要污染物。

對于石質文物風化特征的微觀研究主要使用X射線衍射（X-raydiffraction，XRD）、離子色譜（ionchromatography，IC）等分析方法。Zhang等9利用X射線衍射儀在微觀結構分析實驗室對大足石刻砂巖樣本的礦物學特征進行表征，大足石刻的主要黏土礦物類型分別為高嶺石、綠泥石/蒙皂石混合層和伊蒙混層混合層。Barnoos等[通過X射線衍射等方法研究發(fā)現(xiàn)，溫度波動是影響石塊物理劣化的重要因素，并得出結論：石灰?guī)r的結構和化學特性對石塊在不同氣候條件下的劣化過程具有重要影響。Tian等[11對大足石刻千手觀音的石質進行了離子色譜分析發(fā)現(xiàn)硫酸鹽含量最高，結果表明，潮濕大氣環(huán)境中空氣污染可能是侵蝕的主要原因。

石質文物正遭受著種類多樣的風化病害侵蝕，1949年以來，石質文物保護相繼經歷了環(huán)境清理及除險、多學科合作綜合性保護、預防性保護與大規(guī)模本體修復等3個階段。20世紀末以來，文物保護的核心關注點從文物本體轉移到文物所處的環(huán)境。但目前對大足石刻風化機理的研究成果較少，造像風化的影響因素仍缺乏量化，巖體特性和環(huán)境因素相結合的風化機理尚不明晰。針對目前研究的不足，筆者選擇大足石刻北山佛灣訶利帝母造像作為研究對象，分析其礦物成分、可溶鹽及保存環(huán)境，將現(xiàn)場調查和室內試驗相結合，研究內因和外因共同作用下石質文物風化的影響因素和風化機理，為濕熱地區(qū)石質文物保護修復提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

1.1 研究對象

大足石刻北山佛灣位于重慶市大足區(qū)，距大足城區(qū) 1.5km ，屬于亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，多雨少晴，為典型的濕熱地區(qū)[12]。其地形特征為“坪狀”侵蝕剝蝕低山，山頂由厚層砂巖組成，該層砂巖厚7～15m ，其上下均為紫紅色泥巖構成的緩坡。北山摩崖造像雕刻在北山的斜坡砂巖陡崖上，陡崖南北延展，呈月牙形，長約 300m ，砂巖陡崖高 3～7m 。山頂高程為 545.5m ，為地表分水嶺，北山石刻區(qū)內溝谷不發(fā)育[13]。訶利帝母造像所在區(qū)域立壁頂部地形平坦，形如圍椅狀，構成了地表水和地下水的匯水和儲水地段。研究區(qū)域設置在重慶市大足石刻北山佛灣第122號龕訶利帝母龕，其地理位置如圖1所示。

1.2 地層巖性

據(jù)中華人民共和國綜合水文地質圖內江幅（1978）（H-48-22]），重慶大足區(qū)出露的地層位于蓬萊鎮(zhèn)組（底層）與遂寧組（頂層）的交界處，屬河湖相沉積環(huán)境，巖層基本呈水平狀出露，河湖沉積環(huán)境的特點導致地層巖性變化強烈，各種砂巖及砂泥巖互層交錯的情況凸顯。剖面上則表現(xiàn)為兩大巖組地層隨地形變化而頻繁交替出露，地勢高處（如丘陵頂部巖層）為蓬萊鎮(zhèn)組底部巖層，地勢低處（如沖溝谷底）則轉變?yōu)樗鞂幗M頂層巖層。根據(jù)以往資料，造像區(qū)內主要巖層可分為4組，上部3組主要以長石石英砂巖為主，石英含量總體上大于長石，屬侏羅紀中期逐萊鎮(zhèn)組底部巖層；下部巖層以暗紅色泥巖、砂質泥巖為主，局部夾淺灰至灰綠色砂巖，屬遂寧組頂部巖層。

2 研究方法

2.1 巖體組分分析

訶利帝母造像千百年來一直裸露在自然環(huán)境中，龕窟造像表面塵土覆蓋，這些塵土可能是大氣中的污染物與龕窟造像粉末狀風化產物的混合物，對文物危害較嚴重。為了分析訶利帝母造像塵土復雜的化學成分，根據(jù)巖石的風化特征及病害空間分布，在訶利帝母造像巖體表層共收集7個風化塵土樣品，對塵土樣品進行X射線衍射和離子色譜分析，試驗測點分布如表1所示。

取0.2g樣品粉末，使用BrukerD8ADVANCE系列X射線衍射儀分析訶利帝母造像的塵土樣品，研究其礦物組成。

取0.1g樣品研磨成粉，以 10mL 去離子水溶解，超聲震蕩 10min 后離心處理，形成提取液。用注射器抽取 1mL 提取液，通過濾芯注人ThermoFisherScientific（賽默飛）ICS-110O型離子色譜儀進行測定。分析樣品硝酸根離子（nitrateion， NO₃^- ）硫酸根離子（sulfateion， SO₄^2- ）、氯離子（chlorideion，Cl^- ）、鎂離子（magnesiumion， Mg²⁺ ）、鈉離子（sodium ion， Na⁺ ）、鉀離子（potassium ion， K⁺ ）鈣離子（calciumion， Ca²⁺ ）等離子含量。

2.2 環(huán)境監(jiān)測

為更好地保護文物，大足石刻研究院在訶利帝母造像北側附近安裝了監(jiān)測設備，進行日常監(jiān)測工作并為大氣質量監(jiān)測提供必要的參數(shù)。在訶利帝母造像附近的孝經亭外設置了環(huán)境監(jiān)測站，對環(huán)境參數(shù)進行了長期監(jiān)測

為了解北山佛灣訶利帝母造像物理環(huán)境現(xiàn)狀，2019一2021年，通過北山空氣質量監(jiān)測站自動記錄了環(huán)境空氣質量情況，監(jiān)測內容包括二氧化氮（nitrogen dioxide， NO₂ ）、二氧化硫（sulfurdioxide，SO₂ ）等氣態(tài)污染物和細顆粒物（2.5-micrometerparticulatematter， PM_2.5 ）、可吸入顆粒物（inhalableparticles， PM₁₀ ）等大氣顆粒物。2021年8月—2023年4月，通過北山168窟工程項目氣象綜合監(jiān)測站對訶利帝母造像龕進行了氣象參數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測，包括訶利帝母造像北側表面附近空氣溫度、相對濕度和降雨量等。

3病害分類與研究結果

3.1 病害現(xiàn)狀

北山佛灣1952年修建了長廊保護建筑，作為室外遺存的訶利帝母造像，位于北山佛灣北段轉角處，避免了直接的風吹日曬，相較于北山同時期其他造像，其彩繪和金箔保存都相對較好。石質文物表層風化主要包含石質和彩繪兩個方面，可結合石質文物病害的界定及基本形態(tài)特征，對造像病害進行細致的調查統(tǒng)計，全面了解石質文物病害的種類、分布情況和殘損程度。訶利帝母龕造像總面積約為 10.34m² ，通過現(xiàn)場病害調查可知，訶利帝母造像病害總面積約 6.31m² 。對主要病害及面積進行統(tǒng)計分析，結果見圖2，病害類型見圖3，訶利帝母造像病害測繪圖件如圖4所示。

由圖2和圖3可知，訶利帝母造像石質病害統(tǒng)計共發(fā)現(xiàn)7種病害，其中，滲水 5.3m². 斷裂 1.89m² 殘缺 2.01m² 、粉化剝落 6.31m². 片狀剝落 3.79m² 空鼓 3.47m² 以及塵土 6.31m² 。塵土及粉化剝落為石質最主要危害，病害面積占全體石質比例高達61% ，其次為滲水，病害面積占全體石質比例達52% ，斷裂與殘缺兩種病害相對較少，病害面積占全體石質比例的 20% 左右。訶利帝母造像彩繪病害統(tǒng)計共發(fā)現(xiàn)9種病害，其中，地仗脫落 1.45m² 、脫落 2.59m². 點狀脫落 2.33m². 粉化 0.69m²， 鼓泡2.02m². 龜裂 2.15m². 、起甲 2.27m² 、泡狀起甲1.17m² 以及塵土 5.21m² 。彩繪病害整體所占比例較少，塵土為彩繪最主要危害，病害面積占整體彩繪比例達 61% ，其次為脫落、點狀脫落、起甲與龜裂，病害面積占全體彩繪比例的 20% 左右，粉化相對較少，病害面積僅占全體彩繪比例的 7% 。

由統(tǒng)計結果可知，訶利帝母造像病害種類較多，面積大，積塵嚴重，剝落與脫落等病害的影響是毀滅性的，影響了訶利帝母造像長期保存與展示，為使造像重新恢復到相對穩(wěn)定狀態(tài)，必須采取搶救性保護修復措施。可結合環(huán)境參數(shù)和巖性特征提取蘊含在病害表現(xiàn)之下的潛在規(guī)律，分析病害形成的原因。

3.2 礦物成分

為研究訶利帝母造像的礦物成分，在現(xiàn)場提取具有代表性的塵土進行室內X射線衍射試驗，結果見表2。由表2可見，7個塵土樣本中主要礦物成分均為石英、斜長石、鉀長石、硬石膏、方解石、伊利石、綠泥石和高嶺石等8種礦物，其中高嶺石和硬石膏為次生礦物。訶利帝母各龕塵土的礦物成分以石英和斜長石為主，石膏和伊利石次之，其他礦物成分含量相對較少，一般都小于 8% 。石英含量范圍為 55%～63% ；長石含量范圍為 18%～25% ，一般斜長石含量稍多于鉀長石；石膏含量范圍為4%～18% ；方解石含量范圍為 2%～7% ；伊利石含量范圍為 4%～8% ；綠泥石含量為 2% ；高嶺石含量范圍為 2%～6% ○

造像表面和地表的塵土礦物主要來自于母巖的風化作用，包括巖石破碎的物理風化作用和具有離子交換反應的化學風化作用。研究表明，隨著氣候變濕熱，伊利石化學風化加劇，將進一步分解為高嶺石。高嶺石形成于溫暖潮濕的氣候環(huán)境，是弱酸性和淋濾作用、化學風化作用強烈的環(huán)境指示礦物；綠泥石形成于堿性環(huán)境，富集于以物理風化為主、化學風化作用受抑制的地區(qū)[14]。由鑒定結果可知，方解石極不穩(wěn)定，易在外界環(huán)境因素影響下發(fā)生流失，而石英化學性質十分穩(wěn)定，因此，可按照方解石含量與石英含量之比來量化分析砂巖的風化程度，將結果按式（1）處理[15]，計算出各龕造像塵土樣本風化程度的變化關系。

式中： W_ck 為風化程度； M_CaCO3 為方解石含量； M_SiO2為石英含量。

由表2可知，各樣本 W_ck 值均小于0.29，表明砂巖風化程度較大，屬強風化砂巖。不同風化程度的樣本礦物成分變化不大，說明化學風化不是訶利帝母造像風化的主導因素。

3.3 可溶鹽離子

在訶利帝母各龕表面采樣，進行離子色譜分析，得到訶利帝母造像塵土樣品中離子團的成分和離子質量濃度，如表3所示。由測試結果可知，可溶鹽陽離子主要包括 Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺ 四種，陰離子主要包括 SO₄^2-?NO₃^-?Cl^-. 三種。根據(jù)《文物脫鹽處理規(guī)范第4部分：磚石質文物》中給出的式（2）[16]，對所得的離子質量濃度進行換算，得到訶利帝母造像塵土樣品中離子質量百分比含量，見表4。

由表4可知，訶利帝母造像塵土樣品中 SO₄^2- 含量和 Ca²⁺ 含量大于 1% ，其余離子含量均小于 1% 陽離子含量由高到低依次為 Ca²⁺，Mg²⁺，K⁺，Na⁺ ，陰離子含量由高到低依次為 SO₄^2-，NO₃^-，Cl^- 。

根據(jù)《文物脫鹽處理規(guī)范第4部分：磚石質文物》行業(yè)標準中磚石質文物可溶鹽危害程度評價指標可知[16]，訶利帝母造像所有塵土樣品中的 SO₄^2- 離子含量均達到極其嚴重的危害程度，2、3、5號塵土樣品中的 NO₃^- 含量達到嚴重程度，1號塵土樣品中NO₃^- 含量達到中等程度，5號塵土樣品中 Cl^- 含量達到嚴重程度，1、2、3號塵土樣品中 Cl^- 含量達到中等程度。

3.4氣象參數(shù)

對訶利帝母造像附近氣象綜合監(jiān)測站的熱濕環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，掌握造像所在地整體溫濕度情況。2021年8月一2023年4月，監(jiān)測期間訶利帝母造像北側表面附近空氣溫度、相對濕度和降雨量的月均值統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖5所示。監(jiān)測期間，年平均降水量 467.53mm ，年中的6月一9月降雨最多，最大降雨量為 3 280mm，8 月和9月降雨量占全年降雨量的 48% 左右。最小降雨量為0，2021年11月、2022年1月、2023年1月降雨量低于 10mm 。月平均氣溫及相對濕度的波動可能與降雨量相關。針對監(jiān)測點的空氣溫度變化，大足石刻北山佛灣訶利帝母造像年平均溫度為 17.5^°C ，氣溫月均值在6.7～32.9^°C 之間，最高月平均氣溫為 32.9^°C ，出現(xiàn)在8月；最低月平均氣溫為 6.7^°C ，出現(xiàn)在12月。監(jiān)測期間的月均氣溫數(shù)據(jù)集中在 21.0～32.9^°C 之間，環(huán)境溫度較高，氣溫的月極差最大為 35.2^°C ，最小為 12.2^°C ，氣溫穩(wěn)定性較差?？諝鉁囟燃竟?jié)差異較大，春季平均溫度為 19.4^°C ，夏季平均溫度為27.7^°C ，秋季平均溫度為 17.6^°C ，冬季平均溫度為8.6^°C 。造像區(qū)域多發(fā)高溫事件，2021年8月、2022年6月一9月，2023年4月，6個月的月溫度最大值均超 35^°C 。針對監(jiān)測點的空氣相對濕度變化，訶利帝母造像年平均相對濕度高達 78% ，相對濕度月均值在 54%～91% 之間，最高月平均相對濕度為 91% ，出現(xiàn)在10月；最低月平均相對濕度為 54% ，出現(xiàn)在8月。監(jiān)測期間的月均相對濕度數(shù)據(jù)集中在 80% ＼～100% 之間，環(huán)境濕度較高，相對濕度的月極差最大為 82% ，最小為 45% ，濕度穩(wěn)定性較差。濕熱地區(qū)微環(huán)境持續(xù)保持高濕狀態(tài)，月平均相對濕度普遍高于 50% ，有將近 3% 的時間相對濕度達到 100% 。2021年8月—12月，2022年1月、5月、6月、9月—12月，2023年1月、3月，14個月的月平均相對濕度均超過 80% ，監(jiān)測期間每月相對濕度最大值均達到100% 。

在眾多影響文物保存的環(huán)境因素中，溫度和濕度是兩個最關鍵的參數(shù)，應減少文物保存隨環(huán)境溫濕度的季節(jié)波動，保持“適當\"\"穩(wěn)定”的濕熱條件[17]。大足為典型的濕熱地區(qū)，歸納訶利帝母造像本身所處的環(huán)境特征可知，4月一8月為其高溫高濕時間段，需要在此時間段內進行重點調控。

3.5 大氣污染

對北山空氣質量監(jiān)測站2019—2021年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理， SO₂，NO₂，PM_2.5，PM₁₀ 等大氣污染物質量濃度年均值統(tǒng)計見表5。從監(jiān)測數(shù)據(jù)中可知，近年來" S O" 2 "、" N O 2"、 P M 1 0"、 P M" 2 . 5"質量濃度呈持續(xù)上升趨勢。與2019年相比，2020年 SO₂，NO₂，PM_2.5， PM₁₀ 質量濃度年均增長率分別為 9%.30%.143% ）29% ，與2019年相比，2021年 SO₂，NO₂，PM_2.5，PM10 質量濃度年均增長率分別為 18%，10%，153% 63% 。對空氣質量的檢測結果表明， PM_2，ξ 年平均質量濃度增長率最大，說明大氣顆粒物可能是訶利帝母造像的首要污染物。高溫環(huán)境和大量揚塵等因素都可能導致大氣顆粒物質量濃度升高。 SO₂，NO₂ 等酸性氣體溶于石質文物內的水，形成酸性可溶鹽離子，腐蝕巖體。訶利帝母龕左壁乳母造像保存情況對比見圖6，與2019年相比，2021年造像粉化剝落擴展，風化裂隙進一步發(fā)育，災害情況日漸嚴重?？梢?，環(huán)境污染復雜多變，需以破壞機理為依據(jù)，關注大氣污染物的監(jiān)測和防控。

4病害發(fā)生機理分析

4.1 巖體特征

4.1.1 礦物引起的石刻風化

巖石在風化時的穩(wěn)定程度主要取決于礦物組成成分及巖石的結構構造。對北山佛灣訶利帝母造像進行X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，其巖體礦物成分主要以石英、斜長石、鉀長石、方解石、硬石膏和黏土礦物為主，黏土礦物由伊利石、綠泥石和高嶺石等組成，砂巖中主要成分為石英顆粒，含量在 57% 左右。石英是最穩(wěn)定的造巖礦物，在風化過程中幾乎只發(fā)生機械破碎，不易發(fā)生化學溶解。砂巖風化程度越深，石英的相對含量越高，說明訶利帝母造像風化程度較深。訶利帝母造像黏土礦物含量在14% 左右，楊陽等[18發(fā)現(xiàn)，砂巖中黏土礦物含量較高的特點會導致其水理性質較差，抗風化能力較差，是導致砂巖風化的主要原因。黏土礦物中伊利石含量最高，占比約 57% 。伊利石吸水易膨脹，抗干濕循環(huán)能力較差，易導致石質文物劣化[19]。訶利帝母造像砂巖中鉀長石和斜長石等長石類礦物含量在 21% 左右。長石類礦物在物理風化作用下易沿解理面破碎，在化學風化作用下易受各種酸溶液（主要是碳酸和有機酸）的作用而發(fā)生化學反應，生成次生礦物高嶺石，高嶺石的化學性質較為穩(wěn)定，但在水的作用下容易分散變形，使砂巖變得疏松，降低巖石強度[20]。研究發(fā)現(xiàn)，風化后砂巖的方解石、斜長石和鉀長石會大量流失，且出現(xiàn)次生礦物高嶺石和硬石膏[21]。訶利帝母造像的礦物成分中石膏占比 10% 左右，石膏具有最低的溶解度和吸濕性，在高濕度環(huán)境下易發(fā)生潮解，最終形成硬化的石膏石。硬石膏有很強的膨脹性，會對砂巖礦物顆粒產生較大的膨脹力，使其剝落，這意味著位于濕熱地區(qū)的訶利帝母造像極易風化，并粉化剝落。

4.1.2 可溶鹽離子引起的石刻風化

大足石刻北山佛灣訶利帝母造像可溶鹽的種類較多，是影響造像風化的重要因素。其中，風化作用生成的 SO₄^2- 、 NO₃^- 和 Cl^- 是石刻鹽類病害的主要成分。大足石刻多雕刻于含泥質砂巖上，由于其巖石孔隙大，吸水性強，在大氣降塵、降雨及巖體滲水的作用下，有利于可溶鹽的生成和溶解[22]。風化作用生成的可溶性鹽積聚在表層巖石孔隙中，潮濕時結晶水膨脹，失水時收縮，反復進行的溶解-結晶作用造成石質結構改變[23]。結果表明，硫酸鹽和硝酸鹽是對訶利帝母造像侵蝕破壞危害性最大的兩種鹽類。 NO₃^- 和 SO₄^2- 對砂巖風化的機理有一些區(qū)別，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：在化學反應方面，當 SO₄^2- 與水和氧氣相互作用時，會形成硫酸鹽，在酸性條件下礦物質會加速溶解，導致砂巖風化。NO₃^- 通常與巖石中的鈣、鎂、鐵等離子發(fā)生化學反應，形成相應的硝酸鹽；在酸性影響方面， SO₄^2- 和NO₃^- 都可以形成酸性環(huán)境，但硫酸（SulfuricAcid，H₂SO₄ 通常比硝酸（NitricAcid， HNO₃ 酸性更強，這意味著硫酸根離子在酸性風化中作用可能更加劇烈；在礦物質作用方面， SO₄^2- 主要與硫酸鹽礦物反應，如石膏或硫鐵礦。 NO₃^- 則常與碳酸鹽礦物反應，如方解石，這與劉漢龍等[24的研究結論相同。 Cl^- 同樣也是訶利帝母造像表面析出鹽的主要成分之一，危害較嚴重。 Cl^- 可以與砂巖中的其他離子進行離子交換反應，例如，與 Ca²⁺ 交換形成氯化鈣（Calcium Chloride， CaCl₂ ），導致巖石中的其他礦物質被釋放出來。 Cl^- 還可以促使礦物質在水中溶解，導致巖石的侵蝕和分解。例如在有氯化鈉（SodiumChloride，NaCl）存在的條件下，石灰?guī)r文物表面生成的硫酸鈣（CalciumSulfate， CaSO₄ 會不斷溶解，從而使酸雨對文物的侵害反復進行[25]。此外， Cl^- 與過氧化物等氧化劑相互作用時，可能會產生酸性條件，有助于加速巖石的風化。

4.2 保存環(huán)境

4.2.1 高濕環(huán)境引起的石刻風化

對大足石刻北山佛灣訶利帝母造像的長期環(huán)境監(jiān)測結果顯示，造像區(qū)域雨量充沛、歷時長，降雨量季節(jié)分布差異明顯，夏季降雨量最大。受降雨影響，訶利帝母造像區(qū)域的相對濕度常年在 80% 左右。重慶盆地四周高山環(huán)繞，水汽不易散失，導致大足常陰霾寡照，濕度較大[12]。Liu等[26]對重慶1996—2015年小時降水量數(shù)據(jù)的分析表明，重慶雨量充足，夏季是降雨的主要季節(jié)，最大的小時降雨強度從 50.8mm 到 115.9mm 不等。鄭箐舟等2整理了重慶市1980—2020年間15個地面氣象觀測站點的日值觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，20世紀80年代整個研究區(qū)相對濕度在 78%～83% 左右，到了21世紀初，相對濕度在 68%～73% 左右，相對濕度較高且高相對濕度持續(xù)時間較長。根據(jù)訶利帝母造像監(jiān)測結果可知，高濕度環(huán)境易導致石質文物病害發(fā)生。大足石刻區(qū)構造簡單，地層產狀平緩，為近水平的巖層。石刻區(qū)內無斷裂發(fā)育，層面節(jié)理與構造節(jié)理交切，構成了石刻區(qū)的裂隙網絡系統(tǒng)，成為地下水儲存和滲流的空間和通道[28]。豐富的大氣降水形成水源，或地表水源或地下水源，地表水沿巖體裂隙潛入地下，通過網絡狀裂隙導向崖壁表面，危害造像，使其長時間處于潮濕狀態(tài)。因毛細水作用，干濕、季節(jié)溫度波動，加之風蝕和雨季的強降雨對訶利帝母造像巖壁的物理沖刷等作用，使表層巖石變得疏松，呈粉狀、塊狀剝落[29]。黃繼忠等[30]得出相同結論：巖體長期維持在高濕環(huán)境會誘發(fā)石質文物空鼓、脫落等現(xiàn)象。張兵峰等對大足石刻的研究結果類似：降雨帶來的液態(tài)水會通過孔隙網絡進入巖體內部，通過冰凍凝結和吸水膨脹作用，直接造成砂巖類石質文物的水解。此外，在相對濕度達到條件，尤其在夏季雨季空氣濕度較高時，窟巖壁溫與空氣溫度形成溫差，容易發(fā)生結露現(xiàn)象。析出的水汽凝結水作為溶劑溶解空氣中 SO₂，NO₂ 等有害氣體，形成可溶鹽，增加訶利帝母造像可溶鹽離子含量，可溶鹽通過毛細作用隨著水分進入到巖體內部，在保存環(huán)境的溫濕度變化下發(fā)生遷移和相變，與巖石中的礦物質反應，導致巖石化學成分與微觀結構的改變，對造像造成破壞[31]?？梢姡粌H對石窟寺危害大、破壞嚴重，同時又是許多病害產生的根源[6.32]。訶利帝母造像為裸露在自然環(huán)境下的石質文物，難以杜絕大氣降水的入滲補給，唯一的途徑是疏導含水體中的地下水。為使北山石刻能更好地得到科學保護，1990年已制定了“大足北山石窟防治水害工程初步設計方案”，此后，針對北山大佛灣滲水病害嚴重地段，中國文物研究所石窟研究室和大足石窟藝術博物館進行了排水隧洞設計，有效地疏導凹地含水體中的地下水水流，緩解了石刻滲水現(xiàn)象。

4.2.2 溫度變化引起的石刻風化

研究結果顯示，大足石刻北山佛灣訶利帝母造像區(qū)域夏季高溫事件頻發(fā)，月空氣溫度最大值超35^°C 。造像區(qū)域空氣溫度波動受季節(jié)的影響，不同季節(jié)間平均空氣溫度差值為 9.5^°C ，月平均溫度波動范圍在 20^°C 左右，波動較大。川渝地區(qū)地形復雜特殊，四季分明，受氣候變化趨勢影響，高溫事件頻發(fā)。Yao等[33研究發(fā)現(xiàn)，從1951年到2010年，重慶市年平均溫度呈 0.10^°C/（10a） 的平均上升趨勢，遠高于全球 的平均上升趨勢，表明重慶市升溫程度更高。到21世紀20年代，重慶超過35^°C 的高溫熱浪天氣災害水平顯著增加，影響面積擴大[34]。Wang等[35分析了重慶2012—2020年的氣象數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，重慶的熱環(huán)境受到氣候特征和季節(jié)差異的影響，表現(xiàn)出明顯的年際和季節(jié)差異。石質文物所處地域的氣候與文物的保存密切相關，文物保護需要一個溫度相對穩(wěn)定的環(huán)境。根據(jù)監(jiān)測結果推測可知，高溫條件可能會催化訶利帝母造像礦物質的化學反應，加速溶解或改變礦物質的化學組成，訶利帝母造像區(qū)域內季節(jié)性的溫度波動還會造成巖體的不均勻膨脹和收縮。熱作用已被證明是導致許多巖體加速降解的重要因素[36]。作為熱的不良導體，溫度的季節(jié)變化會使巖石表面與內部存在溫度梯度，當溫差過大時，熱應力作用會導致巖體形成裂縫，降低其強度，破壞其完整性[16]。尤其是當季節(jié)溫度波動伴隨著濕度的變化時，更會增加風化的風險。大足石刻北山佛灣訶利帝母造像區(qū)域常年處于 70%～80% 的高濕狀態(tài)，相較于溫度較低的其他季節(jié)，夏季超 35^°C 高溫可能導致巖石中的水分體積膨脹，巖石表層熱脹冷縮產生鱗片狀起翹與剝落等病害[37]。Hoxha等[38研究了法國香波城堡的典型石墻由溫濕度波動引起的石質損傷，結果表明，氣象條件變化引起的應力波動是導致石材表面彩繪層的剝落和褪色并引起石質風化的主要因素。根據(jù)此結論推測，在大足石刻北山佛灣訶利帝母造像現(xiàn)有環(huán)境下，升溫和降溫季節(jié)周期反復作用會使造像巖體長期處于應力反復變化中，造像石質和賦存于石質表面的顏料會不斷劣化，石質粉化、脫落、彩繪褪色等病害更加嚴重。

4.2.3大氣污染引起的石刻風化

大足石刻北山佛灣空氣質量監(jiān)測結果顯示，訶利帝母造像區(qū)域大氣污染較為嚴重，大氣中的污染物主要為 PM_2.5，PM₁₀，SO₂ 與 NO₂ ，其中 PM_2.5 等大氣顆粒物是訶利帝母造像的首要污染物。根據(jù)監(jiān)測結果推測可知，顆粒物中富集的Fe、Mn元素微粒可能會催化大氣中的氣態(tài)污染物與訶利帝母造像巖體的化學反應，隨著時間的流逝，風化病害將更加發(fā)育。此外，大足石刻北山佛灣訶利帝母造像中的石膏成分對酸性氣體污染物最為敏感。石膏是CaSO₄ 的礦物，當 SO₂，NO₂ 與水蒸氣及其他氣體反應，會形成含有硫酸鹽和硝酸鹽等酸性物質的酸雨，石膏極易溶解在硫酸性酸雨中，進而造成石質文物表面的酸性腐蝕破壞[39]。張世杰[40]和Hua等[41]的研究驗證了此結論：作為環(huán)境酸化的前體物，大氣中的 SO₂，NO₂ 等水溶性酸性氧化物氣體及其形成的酸溶液會吸附在巖石表面或進入巖石孔隙，與砂巖發(fā)生反應，破壞其礦物結構，同時加速石質文物的溶蝕速度，降低文物的抗風化性能，使巖石發(fā)生表面粉化、溶蝕、片狀剝蝕等病害特征。大氣污染物向來被認為是促進文物病害生成的重要誘因，環(huán)境污染問題日益突出，硫氧化物、氮氧化物和懸浮顆粒等大氣污染物濃度不斷上升，導致空氣質量的不斷惡化，造像破壞明顯加劇[42]。

5 結論與展望

調查了大足石刻北山佛灣訶利帝母造像的病害現(xiàn)狀以及在礦物成分、可溶鹽含量等內因和空氣溫度、相對濕度、大氣污染物等環(huán)境因素影響下的潛在風化機理，得到以下主要結論：

1）依據(jù)大足石刻北山佛灣訶利帝母造像病害現(xiàn)狀的精細調查，塵土及粉化剝落為巖體表層主要病害物，病害面積占全體石質比例達 61% O

2）通過對風化砂巖樣品的室內X射線衍射檢測分析可知，大足石刻北山佛灣訶利帝母造像礦物組成主要以石英和斜長石為主，風化砂巖含礦物高嶺石和石膏次生礦物。砂巖風化程度較大，屬強風化砂巖。硬石膏有很強的膨脹性，會對砂巖礦物顆粒產生較大的膨脹力，使其剝落。石膏和長石在酸性環(huán)境下溶解，可使造像表面產生粉化剝落、片狀剝落等。

3）離子色譜檢測結果顯示，硝酸根離子、硫酸根離子與氯離子是對大足石刻北山佛灣訶利帝母造像侵蝕破壞危害性最大的鹽類，且危害程度大部分在嚴重及以上。硝酸根離子與硫酸根離子通過化學反應、酸性作用和氧化作用等機制可以促進砂巖的風化和分解。氯離子可以通過離子交換、溶解作用和潛在的酸性影響等機制促進砂巖的風化過程。

4）大足石刻北山佛灣訶利帝母造像區(qū)域為典型的濕熱地區(qū)，相對濕度較高，長期處于 70%～ 80% 高濕范圍內，部分數(shù)值受降雨量影響存在波動。高濕是導致石質文物風化剝落等病害的根本原因，長期的水-巖作用對石質文物的風化破壞作用顯著，它既可以直接產生物理破壞，也可以作為媒介加速硝酸根離子與硫酸根離子等酸性可溶鹽腐蝕造像的化學反應。

5）大足石刻北山佛灣訶利帝母造像區(qū)域夏季最高溫度超 40^°C ，冬季最低溫度在 0^°C 左右，空氣溫度受季節(jié)影響波動較大，易出現(xiàn)極端值。高溫通常會加速化學反應的速度；溫度的波動會引起造像的膨脹和收縮，使其產生劣化；溫度季節(jié)波動伴隨著濕度改變更不利于造像的保存。

6）大足石刻北山佛灣訶利帝母造像區(qū)域大氣污染較嚴重?？諝馕廴臼窃斐墒|文物表面病害的重要原因，其中大氣顆粒物是最主要的污染因子。顆粒物中富集的金屬元素微粒會加速造像的風化反應，硫氮氧化物作為酸性污染物會造成造像溶蝕。

將礦物組成和可溶鹽含量等內部因素與溫濕度、酸雨等外部因素相結合，確定石質文物產生風化破壞的機理是砂巖風化研究的關鍵。訶利帝母造像作為裸露在自然環(huán)境下的石質文物，溫濕度、酸性降雨 .SO₂.NO₂ 、大氣顆粒物等外部因素與砂巖巖體特征相互作用是其巖體風化的動力，對易受化學風化影響的礦物組分、高溫高濕環(huán)境特征以及以硫酸根和硝酸根為代表的酸性可溶鹽陰離子所導致的石質文物風化機理進行了推測。后期研究中應利用模擬試驗手段，結合實驗室研究，深入探究以上各影響因素下造像巖體的劣化機理，并注重氣候變暖背景下的石質文物保護研究，為濕熱地區(qū)石質文物制訂保護措施提供重要的參考。

致謝：感謝大足石刻研究院的趙崗主任、馮雪梅、馮太彬及中國礦業(yè)大學（北京）陶志剛教授、劉珂源博士對本文數(shù)據(jù)來源的貢獻。

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（編輯 王秀玲）