地下水分蒸发对考古发掘土遗迹劣化影响初探

孙丽娟，韩　明,张中立，丁　岩

(1.西北大学文化遗产学院/文化遗产研究与保护技术教育部重点实验室，陕西 西安 710069；2.新疆文物古迹保护中心，新疆 乌鲁木齐 830000；3.陕西省文物考古研究院，陕西 西安 710054)



地下水分蒸发对考古发掘土遗迹劣化影响初探

孙丽娟1，韩明2,张中立3，丁岩3

(1.西北大学文化遗产学院/文化遗产研究与保护技术教育部重点实验室，陕西 西安 710069；2.新疆文物古迹保护中心，新疆 乌鲁木齐 830000；3.陕西省文物考古研究院，陕西 西安 710054)

[摘要]分析考古发掘过程中环境蒸发量对土遗迹病害产生的作用。将考古发掘现场土遗迹模拟样品置于外界环境中，监测环境蒸发量变化，观察样品外观变化、监测样块不同深度含水率递变规律、观察微观形貌及分析可溶盐变化，探究环境蒸发量变化与土遗迹含水率变化对应规律性及含水率变化与遗迹表面产生的病害之间的递变规律。实验发现：样块放置初期，蒸发量对样块变化影响较大，模拟灰坑及夯土类遗迹样放置24 h后，累计蒸发量11 mm时，样块迅速劣变，表层含水率迅速下降，产生裂隙、结皮、龟裂等病害；模拟潮湿环境样块，含水率高于19%左右时，样块受蒸发量影响不大，病害产生不显著，含水率降至19%之后，样块表层含水率急速降至5%左右(土壤缩限)，样块表层产生严重结壳、可溶盐富集。含水量低于塑限的土遗迹，蒸发量变化对考古发掘土遗迹劣化影响呈递进式规律，环境累计蒸发量为11 mm时，劣化严重；处于液限附近土遗迹，受自身含水率影响较大，当含水率迅速由19%降至5%时，遗迹劣化最严重。

[关键词]考古现场土遗迹； 蒸发量；含水率

考古发掘土遗迹在古遗址中占有相当重要地位，目前考古发掘的土遗迹绝大部为露天发掘，遗迹常常受到发掘条件、保存环境及保护手段等方面限制，揭露后遗迹很快产生裂隙、坍塌、盐析、表面风化等病害，遗迹的病变对遗迹的保存及研究很不利。大多考古遗迹在资料提取后都采取回填的保护措施，不利于遗迹的进一步研究和展示。

针对考古发掘土遗迹的研究保护工作迫在眉睫，考古现场土遗迹的保护工作首先应从了解遗迹产生破坏的条件、病害产生变化的阶段性等方面入手，再进行深入研究，从而为遗迹病害的治理与控制提供依据。

1实验部分

1.1实验依据

中华人民共和国水利部2007年颁布行业标准《公路土工试验规程》

1.2材料

制样材料采自凤栖原汉墓考古发掘遗址土，样品包括遗址根部土、遗址新剥落土、遗址剥落堆积下层土等。

表1　土样含水率

密度：剥落样为1.36 g/cm3，夯土样1.66 g/cm3；

液限WL=33.74%，塑限WP=24.30%，塑性指数IP=9.46；缩限WS=5.00%；

X荧光半定量分析：表层土壤可溶盐中Ca、S元素含量很高，结合文献[1]推测主要成分为CaSO4；

pH值：7.6～7.8，与钙含量高现象符合[2]。

1.3制样

经资料分析[2]土壤表面约20cm左右土壤水分与环境交换活跃，依据考古数据和文献资料[3][4]制规格为40 cm×30 cm×20 cm样块，密度和含水率设置见表2。

将模拟遗迹样块分两组：C组放置在高台上，四周环境开放，S组处于四周建筑密集，受风影响很小区域。C组：CYS(模拟灰坑)、CH(模拟夯土)、CWL(含水率接近液限)、CBL(土样完全暴露)；S组：SYS(模拟灰坑)、SH(模拟夯土)、SWL(含水率接近液限)。

由于土样含水率不均，制样前将土样密封7天，使水分分散均匀。参照SL237-002-1999制样并密封，放置7天，使内部水分布均匀。7天后测得样块含水率见表3。

表2　重塑样参数

表3　模拟遗迹含水率

图1　环境蒸发量监测曲线

1.4仪器设备

台秤(精度0.01 g)；分析天平(精度0.001 g)；SS-1型收缩仪，南京宁曦土壤仪器有限公司；金属蒸发盆，口径20 cm，高10 cm；液塑限联合测定仪(76 g锥体)；ARTAX-400可移动X射线荧光光谱仪，德国布鲁克公司；KH-7700超景深三维视频显微镜，日本浩视公司；电子扫描显微镜，捷克TESCAN公司。

表4　表层含水率变化剧烈时段累计蒸发量

注：W%表示含水率；E表示累计蒸发量，单位：毫米/mm；δE：剧烈变化到趋向稳定累计蒸发量，单位：毫米/mm；T：累计时间，单位：小时/h；δT：剧烈变化到趋向稳定累计时间，单位：小时/h。

2结果与讨论

2.1蒸发量监测结果

蒸发量监测结果详见图1。

2.2土样含水率变化曲线

从整个监测数据曲线分析：表层含水率变化经历缓慢减小、剧烈减小、波动变化三个阶段。样块表层含水率变化受环境蒸发量变化影响显著，较深和深层含水率变化相对迟缓。样块表层含水率在环境蒸发量影响下，含水率迅速降至5%左右，含水率达到5%左右后，表层含水率变化受环境蒸发量影响变化不明显。

图2及表4显示表层土样含水率变化最显著。C组中CBL、CH、CYS经过约24 h，累计蒸发量7.41～8.94 mm，样块表层含水率降至5%(缩限值)；SYS、SH表层经过约24h变化，累计蒸发量9.14～10.99 mm，含水率由初始值降至5%(缩限值)。

高含水率试样CWL、 SWL表面的含水率在实验初期变化缓慢。CWL样块经历5天变化，累计蒸发量33.9 mm，表层含水率减小至5%左右； SWL经过6 d，累计蒸发量32.7 mm，表层含水率减小至5%左右；CWL表层含水率从开始迅速减小到降至5%，累计蒸发量10.77 mm，SWL累计蒸发量12.19 mm。当土样表层含水率初始值低于19%高于5%时，蒸发量变化导致土样表层含水率迅速降低。

图2　含水率随累计蒸发量变化曲线

备注：实验过程中含水率的测试，表层含水率测试取样位置在试样表面2～3 cm深度，较深层为距试样表面5～10 cm；深层取样为15 cm及以下深度。

从表5数据分析得

(1)C组试样放置初期在晚间表层含水率减少值为正值，说明试样向环境散失的量大于内部补充和从环境空气中吸收的水分；而S组在监测第一晚上出现负增长，表现向环境散失的水分小于内部补充水分。C组外界环境较S组外界环境开阔且风速较大，外界蒸汽压小，环境蒸发量相对大，两组样在放置第一晚上出现的不同现象，表现出微环境对土样表层含水率变化有很大影响。

(2)试样含水率低于5%后，由于土壤的滞后作用[5]，夜间吸收外界环境中水分和得到内部土壤水分补充后，土样表层的含水率在5%左右波动。

从含水率变化曲线和数据分析：含水率低于19%时，环境蒸发量对土样表层含水率变化作用显著。含水率低于19%，高于缩限的样块，当累计蒸发量≥11 mm左右，样块表层含水率迅速降至5%，土样表层含水率变化得到夜间环境水分和底层水分补充，含水率在5%左右波动；含水率接近液限的样块，经过累计蒸发量34 mm左右变化，表层含水率降到5%左右后稳定。

结合文献[6][7][8]分析蒸发量在遗迹表层含水率剧烈变化中起到决定性的作用。

2.3土样病害

随着样块含水率变化，样块出现颜色变浅、可溶盐富集、结皮、结壳等病害。

表6　病害出现及累计蒸发量和时间

注：δE表示累计蒸发量；毫米/mm；小时/h.

图3　SWL断面照片

显微观察发现高含水率土样表层结壳现象明显，存在明显分界线，分界线以上的土粒间孔隙度小，胶结密实，交界面以下土粒间松散、孔隙大。

盐害在CBL、CWL、SWL表面明显，用超景深显微镜分别在100X、200X、250X倍率下观察样块表面的盐害。

图4超景深照片可看出：CWL、SWL表面可溶盐富集明显。从断面显微照片可以明显看到：由表入里可溶盐含量减弱；从原样断面电镜照片观察可见，可溶盐在土壤孔隙边缘富集，呈松散堆积，重塑样表面可溶盐呈片状松散堆积。

X荧光发现可溶盐中Ca、S元素含量明显高于其他元素，和原样荧光半定量分析结果一致。

利用超景深显微镜、扫面电镜以及X荧光，对模拟样块出现病害区域采集的试样分析，可见：

(1)高含水率样断面表层土粒胶结致密、出现结壳，且有明显的分界面；

(2)显微观察CYS、CH、CBL表面可溶盐富集不明显， CWL、SWL表面可溶盐富集显著，从土样断面可见，可溶盐由样块内部孔隙随水分的运移向表面递进式运移，在样块表面呈片状富集。

(3)X荧光分析SWL、CWL、CBL表面 Ca、S半定量数值明显偏高，CYS、CH则不显著，原因是CYS、CH初始含水率低。

(4)CBL的表面显微观察可溶盐较少，荧光分析Ca、S却明显偏高，结合对样块表面破坏观察，样块表面形成一层很薄的结皮，可溶盐在结皮下富集。

表5　夜间蒸发量与土样表层含水率夜间减少值

备注：负值表示含水率增加

图4　样块表面泛白显微观察

图5　样块表面可溶盐电镜照片

3结语

1)遗迹表层2～3 cm深度受环境蒸发量影响剧烈，蒸发量的作用导致遗迹表层含水率急剧变化，遗迹表层含水率受蒸发量作用变化分为三个阶段：(1)缓慢变化阶段。降雨或潮湿地区遗迹含水率接近液限时，遗迹表层土体含水率受蒸发量变化影响小，含水率减小速率缓慢；(2)剧烈变化阶段。遗迹含水率低于一定含水率后(和遗迹土体自身特性有关)，表层含水率急剧降低至缩限值(遗迹土体天然含水率时测得的缩限值)左右；(3)含水率波动变化阶段。此阶段主要受到土壤滞后效应影响，表层含水率在缩限值上下波动。

2)蒸发量对大多遗迹的影响主要发生在发掘初期，一般情况下遗迹的含水率都低于特定值(与遗址土体内矿物含量、孔隙度、粒度组成等因素有关)，当累积蒸发量达到11 mm左右，遗迹表层2～3 cm厚度含水率在蒸发量作用下迅速变化，含水率降至缩限(天然含水率时测得缩限值)左右，遗迹表面发生结皮、龟裂，此时裂隙达到最大，遗迹稳定性此时最小。

3)大型遗迹内部水分的运移带动可溶盐运移，由遗迹内部的孔隙向表面运移、富集，当遗迹表面结皮后蒸发量的作用就不明显，盐溶解结晶，在冻融作用、温湿度变化等影响下，遗迹根部酥碱、表面结皮剥落、崩塌。

4) 从实验的两组含水率变化曲线之间的差距可以发现，微环境对表层土壤含水率变化也有很大的影响，所以对考古现场土遗迹的保护应该采取多方位、多手段监测，对病害产生部位及时发现、研究、制定并采取有效的保护措施。

参考文献

[1]黄四平，赵岗，李玉虎，等.模拟土遗址中可溶盐运移规律的分布初步探索[J].土壤学报.2011. (02):295-301.

[2]杨文志，邵明安. 黄土高原土壤水分研究[M].北京：科学出版社.2001，87-89.

[3]李最雄.丝绸之路古遗址保护[M].北京：科学出版社. 2003，261-273.

[4]李最雄，王旭东，张志军，等.秦俑坑土遗址的加固试验[J].敦煌研究.1998，(4)：151-15.

[5]袁剑舫.土壤水分特征曲线和土壤水分的滞后现象[J].土壤通报.1986，(01)：43-47.

[6]孙丽娟，王博，赵丛苍，等. 陕西高陵杨官寨遗址考古发掘现场遗迹劣化机理初步探究[J].考古与文物.2011.(06)：108-118.

[7]陈振乾,施明恒.大气对流对土壤内湿热迁移影响的实验研究[J].太阳能学报.1999，(1)：87-92.

[8]赵绪新，刘伟，朱光明.蒸发状况下土壤中热湿迁移的非稳态数值模拟[J].华中理工大学学报.2000，(10):105-107.

Study On the Effection of Evaporation On the Moisture Content of Earthen Archaeology Sites

SUN Li-juan1，HANMing2，ZHANG Zhong-li3，DINGYan3

(1.Cultural heritage preservation academy of Northwestern University, Xi’an Shaanxi Province,710069,PR China；2.Center of Culture Relics Conservation of Xinjiang, Urimqi 83000,PR China；3.Shaanxi Provincial Institute of Archaeology,Xi’an 710054,China 4Key Laboratory of Cultural Heritage research and conservation (Northwest University),Ministry of Education Xi’an 710069, China)

Abstract:Purpose Analyzing the influence of the environmental evaporation capacity exerting on the earthen site diseases; Method By recording and analyzing the appearance changes、the moisture content grading regularity of different depth、microscopic morphology and soluble salt, it is possible to explore the corresponding rule between environmental evaporation capacity changes and moisture content variations as well as the grading regularity law between moisture content changes and the diseases on the site. Result at the early stage of the exposion, the evaporation capacity greatly affects the samples, those simulated ones degraded swiftly, diseases such as cracks、crust and chap appear at the exposion stage of the early 24h and 11mm accumulated evaporation capacity; For those high-moisture content samples, evaporation capacity has little effect on the site, there will be heavy crust and soluble salt with evaporation capacity reaching 19% and moisture content plummeting to approximate 5%.Conclusion for those sites with moisture content under plastic limit, evaporation capacity variation presents a progressive rule on the deterioration of the sites, there is the most obvious deterioration when the early environmental accumulated evaporation capacity reaches 11mm.Those sites with moisture content around the liquid limit is directely affected by the moisture content, it deteriorates swifty while the moisture content changes from 19% to 5%.

Key words:Excavated archaeological earthen sites；Evaporation capacity and Moisture content.

[收稿日期]2015-09-28

[基金项目]陕西省教育厅哲学社会科学重点研究基地科研计划项目(11JZ040)；西北大学大陆动力学国家重点实验室

[作者简介]孙丽娟(1977-)，女，辽宁锦州人，讲师，研究方向：文物保护材料学、有机质文物保护及土遗址文物保护的教学科研工作。

[中图分类号]P641.12

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)01-0012-04

开放课题基金资助(06LCD19)项目资助