花山岩画岩体开裂机理统计分析

赵　莽，方　云，程　邦，王　凯

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉　430074)



花山岩画岩体开裂机理统计分析

赵莽，方云，程邦，王凯

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074)

摘要：岩体开裂是危害花山岩画最严重的病害，会对岩画造成毁灭性的破坏。为制定有效的灌浆加固措施，在对岩体开裂成因及影响因素分析和现场调查的基础上，做了统计分析。结果表明：1)岩画区共有418处开裂病害，开裂岩体以风化开裂体为主，占69%，且构造开裂体的厚度大于风化开裂体；2)构造开裂体的钙质、钙质与泥质共同充填比例为78%，高于风化开裂体的52%；3)构造裂隙和风化裂隙的张开度均以小于6mm为主，可知当张开度大于6mm时，开裂体将发生剥离掉块；4)风化开裂体的危险性I级、Ⅱ级所占的比例为57%和22%，小于构造开裂体的64%和27%，但风化开裂体多发育于岩画存在部位，易出现开裂和掉块，破坏更大；5)构造开裂体的厚度较大、裂隙连通性好、危险等级高，而风化开裂体厚度较薄、裂隙贯通性差、危险等级较高。本研究结果可为开裂岩画岩体灌浆加固及后期修复提供理论依据。

关键词：花山岩画；岩体开裂；风化开裂体；构造开裂体；张开度

0　引　言

花山岩画绘刻于广西壮族自治区宁明县明江右岸陡崖峭壁岩体上。据14C测定，距今已有1680～4200年的历史，岩画规模宏大，面积达8000m2，是壮族先民驮越人巫术活动的遗迹。岩画以人、动物、兵器，船等图像形式存在，具有重要的文化、历史、艺术和科学价值，于1988年被国务院公布为全国重点文物保护单位[1-4]。

但在自然地质营力几千年长期作用下，花山岩画产生了严重的地质病害，如岩画颜料褪色脱落、崩落掉块、片状或鳞片状剥落、岩体开裂、溶蚀、渗水、生物风化等，导致部分岩画已模糊不清[1，5，6]。在各种病害中，岩体开裂会导致岩画剥落掉块，破坏岩画的完整性及其历史价值，对岩画的长期保存具有一定的威胁，因此针对岩体开裂的具体情况，应制定合理的灌浆加固方案。本研究在对花山岩画岩体开裂病害现场勘查的基础上，对其开裂成因、机理及影响因素进行了分析，同时对岩体开裂的形成机理进行了统计分析，为灌浆加固及后期修复提供了理论依据。

1　岩画岩体开裂病害概况

1.1岩体开裂病害现状

岩体开裂是指岩画立壁岩体受各种裂隙交切、外力扰动、水盐破坏等综合因素影响，导致岩体表层片状、块状开裂但未完全剥落的现象[1](图1)。此类病害多发生在岩石纹理较为发达的沉积岩质的石质文物表层。根据裂隙的形成机制，可以将开裂岩体分为风化开裂体和构造开裂体。另外，开裂面积的比率不同，危害程度也不同，开裂体在重力作用下随时可能发生剥落、垮塌破坏，严重威胁着花山岩画的长期保存，是危害最严重的病害。

图1　开裂岩体现状Fig.1　Status of cracking rock

1.2岩体开裂成因分析

对花山岩画造成直接影响的断层包括走滑断层F1和分支断层F2，在地质历史演变过程中，因断层两盘的相对运动，断盘的岩石形成构造裂隙。同时，岩层早期形成的原生结构面，经后期卸荷与溶蚀作用，形成众多的层面裂隙。构造裂隙与层面裂隙的相互切割及裂隙和断层的组合关系，是导致岩体开裂、脱落的主要原因(图2)。

图2　构造裂隙和层面裂隙分布图Fig.2　Distribution map of tectonic and bedding fissure

1.3岩体开裂的影响因素及机理分析

1.3.1影响因素花山岩画岩体开裂的主要影响因素为风化作用。首先，岩画岩体受温差作用和干湿交替的影响，岩体表层因物理风化产生大量的风化裂隙，使岩体变得疏松，导致主岩的力学性能改变，使岩石沿风化裂隙开裂剥落，且渗水的存在也加剧了岩体的物理风化作用。其次，水与岩画附着岩体中的矿物发生化学反应，导致岩石的结构构造遭到破坏，成分发生改变，产生各种溶蚀裂隙，破坏岩体稳定性，加剧了岩石的开裂剥落。最后，由于岩画岩壁上生长的灌木、杂树等植物的根劈作用，使裂隙加宽，加剧了开裂剥落病害，其对开裂病害影响最大。

1.3.2开裂机理岩体开裂是由于岩石表面的温差应力超过了岩石的抗拉强度所引起的。反复的干湿和风化作用会导致岩体表层的抗拉强度进一步降低，当岩体表层抗拉强度衰减至低于岩石表面的温差应力时，岩石表层就会胀裂，产生片状开裂，进一步则产生剥落。另外，水汽导致的湿涨和干缩也对岩体的开裂剥落起到一个推动的作用。

2　岩体开裂病害调查统计内容及方法

本次调查研究将工作区域(约825m2)由左到右、由上至下分为A、B、C、…、K区等区(图3)。主要对以下内容做了详细研究：

1) 各区开裂体几何尺寸，包括开裂体的长、宽及厚度等几何参数，其中岩体的开裂厚度是利用声波测试法中声波脉冲的传播途径与声时的关系得到，并通过将开裂体形状进行现场投影，计算其投影面积，即得岩体开裂面积；依次对病害区进行开裂病害统计、描述、彩绘及整体拼接，可得到整个区域岩体开裂病害的分布情况及特征。

2) 对裂缝的开口方向进行了划分，包括上开口、下开口和近水平向开口三种类型。

3) 因裂隙的宽度是研究岩体开裂病害严重程度的重要指标之一，为满足后期裂隙灌浆的要求，对裂隙的最大宽度进行实测，并对裂隙中的充填物进行观察，将其分为：无充填物、钙质充填、泥质充填等三种类型。

4) 根据裂隙的成因，对开裂体的类型进行现场判断及统计，主要分为构造开裂体和风化开裂体。构造裂隙是岩体在构造应力作用下形成的，其分布不均匀，但贯通性较好，在空间上具有一定的方向性，一般与区域的构造线方向一致，且其连续性较好；而风化裂隙使岩体在外营力作用下所形成的，仅赋存于岩体表面的风化带中，其分布较为均匀，连通性较差，裂隙延伸较短，方向紊乱，连续性差，向岩体内部逐渐闭合。

5) 因局部微地形是控制开裂岩体的重要因素，故对开裂体的发育的局部微地形进行统计分析，分为：平面、上下凸出、左右凸出及凹进等四种情况。

6) 在现场调查的基础上，对开裂体危险等级进行了分类，根据开裂岩体裂口面积与开裂岩体总面积之比(假定该比值为A)作为判断指标，按照以下标准来判断开裂岩体的稳定程度[7]：a)当A≥1/2时，则为Ⅰ级不稳定；b)当1/3

图3　岩画研究区病害调查分区图Fig.3　Survey chart of rock art research area

3　结果与讨论

3.1岩体开裂病害基本情况

3.1.1岩体开裂病害分布特征岩体开裂病害分布情况及特征如图4和图5所示。由图可知，整个区域共发育有418处开裂岩体病害，总面积达25.70m2，约占调查区域面积的3.11%；在各分区中， J、 I、 D区最为严重， E、 K、 H区较为严重，B、C区相对病害较少。其中J区98处，占病害总数量的23%，病害面积8.45m2；I区82处，占20%，病害面积4.85m2；D区73处，占17%，病害面积4.36m2。

图4　开裂岩体病害区域分布Fig.4　Regional distribution of cracking rock disease

图5　开裂岩体病害分布比例Fig.5　Distribution ratio of cracking rock disease

3.1.2厚度与面积分布特征岩画岩体的开裂形态极不规则，主要分为片状开裂和块状开裂，其中片状开裂有322处，块状开裂96处；岩体的开裂面多呈平面，其开裂厚度(最大开裂深度)大小不一，主要在1～50mm之间，其中最大厚度值为300mm，最小厚度为1mm，平均厚度30.23mm(图6)。

图6　开裂岩体厚度Fig.6　Thickness of cracking rock

岩体开裂的面积较小，均在0.2m2以下，最大面积为0.19m2，最小面积仅为0.0018m2，平均面积为0.05m2(图7)。

图7　开裂岩体面积Fig.7　Area of cracking rock

3.1.3裂隙张开度和充填物分布特征调查发现，岩体开裂的开口方位不固定，以自上而下开裂为主，占55%；裂隙开口的最大宽度在1～30mm之间，平均最大宽度为4.34mm，其内部的充填物主要以钙质充填和泥质充填为主，其中钙质充填有162处，泥质充填的有30处，两者兼有的69处。此外，还发现少数裂隙内部有动物巢穴存在的情况(图8和图9)。

图8　开裂岩体裂隙最大宽度Fig.8　Maximum width of cracking rock

图9　裂隙开口方位和充填物情况Fig.9　Opening position and filling condition of cracking

为分析泥质充填物的来源，取泥质充填物进行矿物成分分析，其分析结果见表1和图10，结果表明：泥质充填物的主要成分为方解石，以钙质为主，其次为石英，占25%，而粘土矿物的含量只有5%，可知其物质来源为雨水的面流和裂隙的渗水。

表1　裂隙泥质充填物XRD结果

图10　裂隙泥质充填物XRD衍射结果图Fig.10　XRD diffraction results chart of fractured shale filler

3.1.4局部微地貌分布特征及危险性等级不同的地貌形态，岩体的开裂程度也大不相同，大部分是顺裂隙面或山体面的平面开裂，共有217处，占58%。上下凸起开裂和左右凸起开裂分别为69处和75处，其主要位于山体突出部分；在地形较为凹洼处开裂则相对较少，仅为11处；在开裂岩体中，有231个Ⅰ级不稳定，占总数的59%，108个为Ⅱ级不稳定，占24%，79个Ⅲ级不稳定，占17%(图11)。

图11　开裂岩体局部微地貌与危险性等级Fig.11　Local micro landform and hazard level of cracking rock

3.1.5开裂岩体的分类根据裂隙的成因，开裂岩体主要分为构造开裂体和风化开裂体，其分布情况见表2和图12，可知，开裂类型以风化开裂为主，有256处，总面积达16.01m2，占69%，构造开裂则占31%。

表2　构造开裂与风化开裂

图12　构造与风化开裂百分比Fig.12　Percentage of structural and weathering cracking

3.2构造开裂体统计分析

3.2.1厚度与面积分布特征构造开裂体的厚度因受局部构造裂隙的影响，相对要大，最大厚度可达300mm，最小仅为2mm；厚度范围主要集中在1～3cm和3～6cm两个区间，分别占总体的26.72%和28.45%；其次，为6～9cm范围，占总体的17.24%，而相对较厚的开裂体(9～21cm)也有一定分布，占总体的14.66%；较薄开裂体(<1cm)的数量相对较少，约为10%。总的说来，由于地质构造因素形成的开裂体，大部分厚度为1～9cm，占总体的70%以上(表3)。

构造开裂体面积相对较小，范围值为0.01～0.2m2；其中，在面积为0.03～0.06m2范围内的开裂体数量最多，达到了34.23%，小于0.09m2的开裂体数量的累计百分比为67.57%；同时，可以看出构造开裂体在各尺寸范围内均有一定分布，主要是因为构造裂隙的出现具有一定的随机性，故其分布较为均一(表4)。

表3　构造开裂岩体的厚度

表4　构造开裂体的面积统计表

3.2.2裂隙张开度与充填物分布特征构造裂隙张开度的统计结果见表5和图13，可知，其张开度主要集中于0～3mm与3～6mm，分别占39.13%和38.26%，且张开度小于12mm的总数占89.57%，而大于12mm的仅占20.43%，同时也有个别构造裂隙的张开度达到30mm；裂隙主要开口方向为近水平向，与研究区内发育陡倾裂隙相对应，占53%。

裂隙内部的充填物主要为钙质，占52%。其次是泥质与钙质共同充填，占29%。钙质充填表明该类裂隙曾遭受了渗水的影响，且构造裂隙自身联通性较好，裂隙间相互贯穿有利于渗水的发生。另外有3%为泥质充填，其形成原因主要与雨水面流及扬尘等作用有关。从现场调查看，有16%的开裂体裂隙基本比较干净，无充填物，这些裂隙连通性差，受渗水作用不强，故充填物较少。

表5　构造开裂体的张开度

图13　构造开裂体开口方向与裂隙充填物Fig.13　Opening position and fracture filling of structural cracking rock

3.2.3局部微地貌分布特征及危险性等级构造开裂体的局部微地貌分布特征及危险性等级如图14所示。由图14可知，大部分构造开裂体位于上下或者左右凸起的部位，所占比例分别为30%和35%，两者的总和为66%。而位于相对平整部位的比例为31%，主要原因是在构造裂隙相互切割的交叉部位，往往构造应力较为集中，且构造劣化作用较为强烈，其岩体容易产生微观破损；同时，岩画岩壁因断层错动形成后，崖壁外临空，导致凸出部位的水平应力损失，在高大山体压力作用下，凸出部位往往处于受拉的应力场作用下，易于张拉开裂；同时，在凹陷部位岩体虽然应力场也会产生局部应力集中，但是受压状态大于受拉状态，且凹陷部位受太阳直射较弱，相对开裂体较少。

构造开裂体的危险性等级处于I级的占了64%，Ⅱ级为27%，两者之和为91%。相对于风化开裂体而言，构造裂隙的贯通性要好于风化裂隙，容易产生剥离掉块，危险程度更大。

图14　构造开裂体的局部微地貌与危险性等级Fig.14　Local micro landform and hazard level of structural cracking rock

3.3风化开裂体统计分析

3.3.1厚度与面积分布特征风化开裂体的厚度与面积统计结果如表6和表7所示。由统计结果可知，风化开裂体的厚度介于1～90mm，其厚度范围主要在40mm以内，占总数的84.38%，超过40mm的数量较少，而构造开裂体的厚度在10～90mm之间，分布范围较广，主要是因为岩体表面风化厚度往往有限，岩体在自然营力作用下形成的风化裂隙主要分布于岩体的表面，与受地质构造作用形成的裂隙面性质显著不同。

风化开裂体中小面积数量所占比例较高，在0.01～0.03m2区间内的占33.06%，但在尺寸相对较大的范围内分布频率很低，可能是因为风化开裂一般形成一些小的薄片，其延伸范围较小；在0.18～0.2m2内，开裂体面积出现了一个峰值，主要是因在平整的崖壁上，当环境条件一致，风化导致的强度损失差不多的情况下，将会导致该平面上出现整体的片状开裂，因此会产生一些面积相对较大的风化开裂体。

表6　风化开裂体的厚度

表7　风化开裂体的面积

3.3.2裂隙张开度与充填物分布特征风化开裂体的裂隙张开度、开口方向和充填物性质如表8和图15所示。可知，风化开裂体的张开度在0～3mm和3～6mm两个范围内出现峰值，这两个尺度内的累计百分比将近80%，表明风化形成的开裂体，当张开度大于6mm，易发生脱落；风化开裂体的开口方向以近水平方向为主，占57%。

风化开裂体裂隙中的充填物与构造开裂体具有一定的差异性。风化裂隙的泥质充填(8%)大于构造裂隙(3%)，原因是风化开裂体的形成过程较为缓慢，且风化作用的产物主要是次生的粘土矿物。而构造裂隙形成开裂体的速度相对较快，同时构造裂隙往往是良好的渗水通道，故泥质充填较少；构造开裂体出现钙质、钙质与泥质共同充填比例为78%，高于风化开裂体的52%；风化裂隙中的无充填物比例远高于构造裂隙，占40%，原因是风化裂隙受暴晒、大气污染等细微环境因素的作用，就可以形成岩体表面劣化。

表8　风化开裂体的张开度

图15　风化开裂体开口方向与充填物Fig.15　Opening position and fracture filling of weathering cracking rock

3.3.3局部微地貌分布特征与危险性等级风化开裂体的局部微地貌分布特征及危险性程度统计结果如图16所示。由图16可知，风化开裂主要出现在一些局部地形相对平整的部位，约占71%，而凸起的部位仅占27%。原因是在凸凹不平的崖壁上，岩体的凸出部位或拐角处受温差引起的温度应力场作用，会加速岩体表层的开裂，因此岩体开裂主要发生在局部地形凸起或太阳直射部位。对于凹陷部位，岩体开裂的可能性很小，主要是山体陡崖的自然应力场和阳光作为主要风化营力的现状所决定的。

风化形成的开裂体危险性等级I级、Ⅱ级所占的比例为57%和22%，小于构造开裂体。因此，从危险性上看，风化开裂体要低于构造开裂体，但风化开裂很多发生在一些相对平整的部位，而这些部位往往有大量的岩画存在，一旦出现开裂和掉块，损失会更大。

图16　风化开裂体的局部微地貌与危险性等级Fig.16　Local micro landform and hazard level of weathering cracking rock

4　结　论

1) 岩画区共有418处岩体开裂病害，总面积达25.70m2；开裂体主要分为构造和风化开裂体，以风化开裂体为主。

2) 构造开裂体的厚度大于风化开裂体。构造开裂体的最大厚度大于3cm的占62.93%，风化开裂体的最大厚度小于4cm的占84.38%。

3) 构造裂隙和风化裂隙的张开度均以小于6mm为主，说明当裂隙张开度大于6mm时，开裂体将发生剥离掉块。因构造裂隙与裂风化隙的连通性和导水性的差异性，导致构造开裂体出现钙质、钙质与泥质共同充填比例远高于风化开裂体。

4) 构造开裂体大部分位于上下或者左右凸起的部位，而风化开裂体主要出现在一些局部地形相对平整的部位，原因是凸出部位自身应力场处于不稳定状态，叠加温度应力场的作用，更容易形成构造开裂体。

5) 风化开裂体危险性等级低于构造开裂体，但岩画存在部位，风化开裂体较为发育，其破坏性更大。

6) 构造开裂体的特征为厚度较大、裂隙贯通性好、危险等级高，风化开裂体为厚度较薄、裂隙贯通性差、危险等级较高。

本研究结果可为开裂岩画岩体灌浆加固及后期修复提供理论依据。

参考文献：

[1] 张兵峰.广西宁明花山岩画病害勘察研究[J]. 中国文物科学研究，2009，(3):63-66.

ZHANG Bing-feng. Investigation on disease of Huashan rock paintings in Guangxi Ningming[J]. China Cult Herit Sci Res， 2009， (3):63-66.

[2] 郭宏，韩汝玢，赵静，等. 水在广西花山岩画风化病害中的作用及其防治对策[J]. 文物保护与考古科学，2007，19(2):5-13.

GUO Hong， HAN Ru-bin， ZHAO Jing，etal. The effect of water on the weathering damage of Huashan rock paintings in Guangxi and its prevention[J]. Sci Conserv Archaeol， 2007， 19(2):5-13.

[3] 原思训，陈铁梅，胡艳秋. 广西宁明花山崖壁画的14C年代研究[J]. 广西民族研究，1986，(4):27-34.

YUAN Si-xun， CHEN Tie-mei， HU Yan-qiu.14C chronology research of Huashan rock paintings in Guangxi Ningming[J]. Stud Ethnics Guangxi， 1986，(4):27-34.

[4] 孙延忠，王志良. 广西花山岩画颜料脱落和褪色原因分析[J]. 文物保护与考古科学，2011，23(2):13-17.

SUN Yan-zhong， WANG Zhi-Liang. Analysis of the flaking and fading of pigments in the Huashan rock-painting[J]. Sci Conserv Archaeol， 2011，23(2):13-17.

[5] 郭宏，韩汝玢，赵静，等. 广西花山岩画抢救性保护修复材料的选择试验[J]. 文物保护与考古科学，2006，18(3):18-24,71.

GUO Hong， HAN Ru-bin， ZHAO Jing，etal. Selection experiment on the urgent conservation materials for the petroglyphs on the Flower Mountain， Guangxi[J]. Sci Conserv Archaeol，2006，18(3):18-24,71.

[6] 郭宏，韩汝玢，李斌， 等.花山岩画岩石生物风化机理及其防治对策研究[J]. 中国文物科学研究，2007，(2):64-69.

GUO Hong， HAN Ru-bin， LI Bin，etal. Study on biological weathering mechanism and prevention of Hushan rock paintings in Guangxi[J]. China Cultl Herit Sci Res， 2007，(2):64-69.

[7] 王金华，周宵，胡源，等.花山岩画保护与水硬性石灰的应用研究[N]. 中国文物报，2010-11-26(4).

WANG Jin-hua， ZHOU Xiao， HU Yuan，etal. Study on application of lime and protection of Huashan rock paintings[N]. China Cultural Relics News， 2010-11-26 (4).

(责任编辑潘小伦)

收稿日期：2014-05-01；修回日期：2014-11-29

基金项目：国家自然科学基金资助(40972183)

作者简介：赵莽(1988—)，男，中国地质大学(武汉)硕士研究生，主要从事地质工程和岩土文物保护工作研究，E-mail: 841787752@qq.com

文章编号：1005-1538(2016)02-0024-08

中图分类号：K879.4

文献标识码：A

Statistical analysis on the mechanism of cracking of the Huashan rock paintings

ZHAO Mang，FANG Yun，CHENG Bang，WANG Kai

(Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

Abstract:Rock cracking is the most serious disease faced by the Huashan rock paintings, causing devastating damage to the paintings. In order to develop effective grouting reinforcement measures based on analysis of the causes and factors influencing rock cracking and field surveys, astatistical analysis was done. The results show that 1) the rock painting area has 418 cracks. The rock cracks are mostly (69%)due to weathering; 2) the thickness of structural cracksis greater than weathering cracks; carbonate, calcium and mud common filling ratio of structural cracking rock is 78%, higher than the weathering cracking rock 52%; 3) the apertures of tectonic fissures and weathering fissures are smaller than 6mm; when the opening is greater than 6mm, the cracking body will be stripped off the block; 4) the I and II levels of the danger due to weathering cracks is 57% and 22%, respectively, less than the 64% and 27% due to structural cracking, but weathering is more developed in the rock art area;the paintings are prone to cracking and falling; 5) because the structural cracks are thick and have good connectivity; they present a very high level of danger.The weathering cracking rocks are thinner, and have low cracking connectivity, so they have lower level of danger.

Key words:Huashan rock paintings; Rock cracking; Weathering cracking rock; Structural cracking rock; Aperture