天龙山石窟工程地质特征研究

任建光，黄继忠，2，王旭升

（1.云冈石窟研究院，山西大同 037007；2.山西省文物局，山西太原 030000；3.中国地质大学水资源与环境学院，北京 100083）

天龙山石窟工程地质特征研究

任建光1，黄继忠1，2，王旭升3

（1.云冈石窟研究院，山西大同 037007；2.山西省文物局，山西太原 030000；3.中国地质大学水资源与环境学院，北京 100083）

为保护天龙山石窟提供科学的依据，探讨了天龙山石窟工程地质特征问题。对天龙山石窟岩石进行了物理力学性质试验、化学成分和矿物成分分析，结果表明，天龙山石窟岩石为砾粗-中粒石英砂岩，石英含量高，化学成分以SiO2为主，胶结物以硅质最常见，胶结类型为孔隙式，属于坚硬岩石，但抗冻性差，抗风化能力中等。可见，天龙山石窟主要地质病害为岩体裂隙、窟顶渗水、岩体崩塌和石雕风化。

天龙山石窟；工程地质；文物保护

天龙山石窟位于山西太原西南约36km处，是中国著名的石窟群之一，它始建于东魏，北齐、隋唐时均有开凿增建，历时近5个世纪。现存洞窟25个，大小石佛造像500余尊。第9窟为最大的洞窟，窟上建有宏伟的木结构阁楼，称为“漫山阁”。天龙山石窟地处太原西山坳陷的东南边缘带，山峰海拔高度约为1 400m，为暖温带大陆性季风气候区，年平均气温9℃，年平均降水量为511mm，降水量多集中在7～9月，全年无霜期约为160d。

天龙山石窟开凿在二叠纪天龙寺组地层崖壁上，地质情况复杂，由于岩体上发育极佳的松树根系及长期风雨的侵蚀，天龙山石窟岩体龟裂破碎，文物地质病害十分严重。为了抢救这一珍贵的文化遗产，我们对天龙山石窟开展了工程地质调查研究工作，为制定科学的文物保护措施提供理论依据。

1 天龙山石窟区域地质特征

天龙山石窟区由东峰、西峰、南峰和柳子沟组成，属吕梁山支脉，地貌类型简单。按其成因类型，分为山顶部剥蚀侵蚀中山区和柳子沟侵蚀堆积沟谷两大地貌单元［1］。主要出露石炭纪上统和二叠纪地层。石窟佛像开凿于二叠纪天龙寺组地层的崖壁上，岩石是一套以陆源碎屑沉积为主的沉积岩［2-5］。区域构造活动频繁，岩体裂隙比较发育。该区是富水区和地下水迳流—排泄区，地下水以裂隙水分布为主，同时还分布少量的孔隙水，白龙洞泉和天龙寺泉是本区地下水排泄的主要途径［6-11］。

2 天龙山石窟工程地质特性

2.1 样品的物质组成

2.1.1 矿物组成

为了解天龙山石窟岩石的物质组成，对所取样品进行了X衍射物相分析及薄片鉴定。薄片鉴定结果：岩石均为石英砂岩，碎屑石英，棱角状-次棱角状，颗粒间呈紧密接触及镶嵌状接触，有明显的次生加大锥，粒度0.3～0.5mm，含量65％；次生加大锥，粒度0.3～0.5mm，含量65％～75％；石英岩砾石，次圆状，粒度2.2mm，含量5％；石英砾石，次圆状，粒径2～2.5mm，个别粒径可达5mm，含量5％；燧石岩屑，次棱角状，粒度0.4～2mm，含量4％～9％；斜长石碎屑、白云母碎屑和黑云母碎屑含量不足1％；胶结物以硅质最常见，含量5％～8％；胶结类型为孔隙式；岩石为砾粗-中粒石英砂岩。

X射线衍射物相分析的结果为：天龙山石窟砂岩的主要矿物为石英，含量为72％～92％；长石含量为5％～15％；云母含量为3％～8％；绿泥石含量为5％～10％，见图1。粉尘样品的物质组成为：石英含量占62％；云母和长石各8％；次生矿物高岭石含量12％；石膏为10％，可以判断粉尘样品是岩石表面的风化堆积物，见图2。

2.1.2 样品的化学成分

对天龙山石窟岩石和粉尘样品进行了X射线荧光化学成分分析，分析结果见表1。由表可知：天龙山石窟岩石的化学成分均以SiO2为主，含量达81.93％～92.44％，其次为Al2O3。砂岩的烧失量很低，见表1。

由此可知，龙山石窟砂岩中的主要矿物为石英、长石，其中石英结构较稳定，而长石在其化学风化过程中经历3个阶段：泥化、伊利石化、高岭石化［12］。长石水解风化成伊利区、高岭石等粘土矿物后，导致岩石中刚性颗粒含量减少，力学强度降低，粘土矿物晶间微孔隙增加，可溶盐结晶膨胀破坏性增强，石雕发生酥化。

2.2 岩石的基本物理性质

岩石的物理性质指标试验依据《水利水电工程岩石试验规程（SL264-2001）》完成。表2给出了天龙山石窟岩石的物理和水理性质试验成果。

天龙山石窟的砂岩颗粒密度为2.62～2.64g/cm3，接近于石英密度，块体密度为2.44～2.52g/cm3，比较颗粒密度和块体密度，说明岩石中有少量的孔隙和裂隙。孔隙率为6.43％～7.63％，天龙山砂岩的胶结程度较好，抗风化能力属于中等。

2.3 岩石的水理性质

1）岩石的吸水性。天龙山砂岩的吸水率较低，为2.69％～2.80％，说明岩石中有少量的孔隙和裂隙；饱和吸水率为2.94％～3.45％，数值较低，其抗风化能力中等；饱水系数较大，为0.92～0.81，容易被冻胀破坏，其抗冻性较差。不具有崩解性，膨胀性也很低。

2）岩石的崩解性和膨胀性。天龙山砂岩的矿物组分以石英为主，硅质胶结，胶结程度较好，因此不具有崩解性。崩解试验采用岩样在烘箱中105℃下烘干24h，烘干后真空饱和24h，再烘干为一循环，重复进行烘干饱和试验，测量试样每一循环后质量变化，计算岩样崩解率。试验时浸水48h无崩解。

天龙山砂岩的膨胀性很低。将天然风干状态下的岩石，在室温22℃下，浸于水中72h后，测量岩样沿轴向方向上的变化率来确定岩石膨胀率，平均膨胀率为0.020 0％～0.019 5％。

图1 风化岩石X衍射物相分析图谱

图2 粉尘X衍射物相分析图谱

表1 X射线荧光化学成分含量（％）分析

表2 岩石物理试验成果表

表3 岩石力学性质试验成果表

2.4 岩石的力学性质

采用英国instran公司液压伺服机对砂岩进行了烘干、饱和两种状态的单轴压缩试验、间接拉伸试验和剪切试验。所测岩石的力学性质见表3。

1）岩石的抗压强度。天龙山砂岩为硅质胶结，孔隙率小，具有较高的抗压强度，烘干为93.265～113.127Mpa，饱和为46.983～66.017Mpa，软化系数为0.477～0.531，工程性质中等，抗冻性较差和抗风化能力属于中等。

2）岩石的抗拉强度。天龙山砂岩的干抗拉强度为3.369～4.048Mpa，饱和抗拉强度为2.328～2.390Mpa.

3）岩石的抗剪强度。天龙山砂岩的干抗剪强度为内聚力12.18～14.12Mpa，内摩擦角59.9～64.02°；饱和抗剪强度为内聚力8.85～10.85Mpa，内摩擦角58.67～60.62°。内聚力较低，内摩擦角偏高。

4）岩石的表面硬度。岩石烘干、饱和状态下表面硬度分别为48.7～51.0和37.5～39.4［12］。

3 天龙山石窟主要工程地质问题

天龙山石窟区工程地质问题主要表现是：岩体裂隙、窟顶渗水、岩体崩塌和石雕风化。

3.1 岩体裂隙

天龙山窟区内岩体裂隙比较发育，甚至有的从窟外延伸进窟内，主要走向为NE向和NW向，倾向多为ES和EN向，约80％的裂隙倾角为80～90°，其中NW向裂隙密度较大，见图3。崖壁裂隙产生的主要因素是岩体自然风化、软弱层沉陷和松树根系的劈裂作用。共分为3类，第1类，大块山石原生裂隙，多在石崖的一侧或一端出现，裂缝宽度100mm以上，填充物为石块、泥土和松树根系；第2类为卸荷裂隙，此类岩石四周与山体完全裂开，有的甚至底部部分悬空，走向多为NW向，裂缝宽度100mm以上，填充物为石块和泥土，此类危岩稳定性一般较差；第3类为山体表层风化裂隙，是产生于岩面上的细小裂缝，宽度为几毫米，甚至根本没有张开，裂隙长度不一，分布没有规律，填充物多为尘土。这3类裂隙的持续性发展将各种裂隙的发育对岩石的整体性破坏、石窟围岩及立壁面岩体的稳定性影响各不相同。裂隙的发育不仅降低岩石的力学强度，同时为岩体渗水提供了良好通道，加速了窟内石雕文物的风化。

图3 天龙山石窟外壁裂隙走向玫瑰图

3.2 窟顶渗水

天龙山石窟石雕风化的最主要原因之一是洞窟顶部渗水。渗水来源于地下含水岩层和窟区顶部大气降水。窟区顶部大气降水一部分以地表径流的方式排泄出本区，另一部分除少量直接蒸发之外，大量通过连通性好的裂隙或孔隙继续向下入渗，顺裂隙或水平层理面而排泄。洞窟内一般情况下渗水量小且呈湿润现象，而在雨季时则以滴水或微弱流水的方式排泄。

3.3 岩体崩塌

由于天龙山石窟开凿在东、西峰崖壁上，卸荷裂隙十分发育，这类裂隙走向与岩体边坡走向平行，常常构成石窟寺所在边坡岩体失稳的滑移面或崩落破坏面。再加岩体中的构造裂隙、风化裂隙、层面、断裂面或剪切带、软弱夹层等结构面，常构成边坡失稳各种切割面。各种不同成因的岩石裂隙的互相切割，使石窟寺所在边坡形成了可能变形、滑移、崩塌、错落的分离体，导致石窟寺岩体边坡的失稳。天龙山石窟的岩体坍塌现象十分普遍。

3.4 石雕风化

天龙山石窟自东魏开凿以来约有1 500余年的历史，由于自然界各种营力的作用，风化现象十分严重。风化类型主要有刷落状风化、页片状风化和洞穴状风化等。石雕风化的主要原因是洞窟顶部渗水、空气凝结水，湿度、温度的骤变，空气污染物的作用，盐类的运移膨胀等［13］。

4 结论

1）天龙山窟区主要出露石炭纪上统和二叠纪地层，石窟佛像开凿于二叠纪天龙寺组地层的崖壁上。

2）天龙山石窟岩石为砾粗-中粒石英砂岩，石英含量高，化学成分以SiO2为主，胶结物以硅质最常见，胶结类型为孔隙式，属于坚硬岩石，但抗冻性差，抗风化能力中等.

3）天龙山石窟主要地质病害为岩体裂隙、窟顶渗水、岩体崩塌和石雕风化。

尽管石窟佛像的风化原因多种多样，但更主要的是与其所开凿的岩体及其地质环境有关。所以研究天龙山石窟区域内的工程地质特征对于查明石窟风化原因及制定佛像保护措施具有十分重要的意义。

［1］陈汉清，牛映雪.太原西山上古生界多重地层划分［J］.山西地质，1993，8（1）：11-19.

［2］煤炭科学院地质勘探分院，山西省煤田地质勘探公司.太原西山含煤地层沉积环境［M］.北京：地质出版社，1987.

［3］尹赞助.中国地层典七石炭纪［M］.北京：科学出版社，1966.

［4］全国地层委员会.中国地层指南及中国地层指南说明书［M］.北京：科学出版社，1982.

［5］左国保，王幼松，张雁.天龙山文物石窟山体加固的研究［J］.山西建筑，1992（1）：11-22.

［6］陈卫玉.天龙山送检水样监测报告［R］.大同市环境监测站，2006.

［7］王志友.太原西山煤田地质［J］.西山科技，1993（1）：1-6.

［8］山西焦煤集团公司地测勘探中心.西山煤田综合水文地质图--说明书及附表［R］.山西煤田水文地质二二九队，2001.

［9］智天翼，陈家军，白利平.太原盆地地下水资源模拟研究［J］.云南地理环境研究，2005，17（5）：6-10.

［10］任建光，黄继忠，阎宏彬，等.天龙山石窟区域地质特性研究［J］.太原师范学院学报：自然科学版，2009，3（1）：123-125.

［11］黄继忠.水对云冈石窟石雕的作用及防治对策［D］.北京：中国地质科学院，2006.

［12］方云.天龙山石窟砂岩工程性质试验研究报告［R］.中国地质大学（武汉）文化遗产和岩土文物保护工程中心，2001.

［13］黄继忠.云冈石窟地质特征研究［J］.东南文化，2003（5）：91-93.

〔责任编辑 石白云〕

Engineering Geological Properties of Tianlong Mountain Grottoes

REN Jian-guang1，HUANG Ji-zhong1，2，WANG Xu-sheng3
（1.Yungang Grottoes Research Institute，Datong Shanxi，037007；2.Shanxi Culture Relics Bureau，Taiyuan Shanxi，030000；3.China University of Geosciences，Beijing，100083）

Tianlong mountain Grottoes was cut on the precipice of the Formation of Permian Tenryu-ji.The mechanical properties of Tianlong mountain Grottoes sandstone were tested，the chemical composition andmineral composition of sandstone samples were analysised，and engineering geological problems were summaried.Tianlong mountain Grottoes is coarse gravel-medium-grained quartz sandstone，chemical composition of SiO2-based cement to the siliceous type of cement pore type，belong to the hard rock，but the frost resistance，weathering ability medium.Tianlong mountain Grottoes Geological diseases of rock fracture，making an seepage，rock collapse and stone weathering.In order to provide a scientific basis for protecting Tianlong mountain Grottoes.

Tianlong mountain Grottoes，engineering geology，heritage protection

K 879.2

A

1674-0874（2012）06-0056-04

2012-10-28

国家科技支撑计划项目课题［编号：2009BAK53B01和2009BAK53B02］；山西省太原市科技研发项目［0602018］；2012年度山西省文物保护科学和技术研究课题［无编号］.

任建光（1971-），男，山西阳高人，硕士，文博馆员，研究方向：石质文物保护。