龙门石窟张夏组鲕粒灰岩特征及溶蚀试验研究

窦 彦，严绍军，王 磊，陈嘉琦，张新鹏

(1. 中国地质大学，湖北武汉 430074； 2. 深圳公路交通工程试验检测中心，广州深圳 518000 )

龙门石窟张夏组鲕粒灰岩特征及溶蚀试验研究

窦 彦1，严绍军1，王 磊1，陈嘉琦1，张新鹏2

(1. 中国地质大学，湖北武汉 430074； 2. 深圳公路交通工程试验检测中心，广州深圳 518000 )

张夏组碳酸盐岩是龙门石窟主要造窟地层，水岩作用强烈。近年来酸雨进一步加剧了龙门石窟碳酸盐岩的溶蚀。为了对龙门石窟的保护提供相关资料，需进一步探讨鲕粒灰岩的抗风化能力。为此，对东山石窟区所在张夏组分层、取样，进行成分、微观结构分析，并通过室内酸雨溶蚀模拟实验来研究张夏组地层的溶蚀规律。研究表明，龙门石窟张夏组各地层溶蚀差异较大，其单位面积溶蚀质量与钙镁比正相关；鲕粒灰岩风化后表面粗糙度与鲕粒含量密切相关；研究区张夏组鲕粒成分主要为白云石，鲕粒灰岩的抗化学侵蚀能力比普通灰岩更强。通过对张夏组地层岩性的分析及其溶蚀规律的研究，为龙门石窟的保护提供了基础科学资料。

张夏组；鲕粒灰岩；溶蚀规律

0 引 言

龙门石窟具有极高的历史、艺术价值。一千五百多年来，在各种地质营力以及人为因素的作用下，石窟受到各种破坏，造像表面风化严重。刘仁植等[1]在对云冈石窟的研究中认为，石窟表面主要存在表面污染与变色、表面层风化、表面生物病害、修补残留及水斑等5 大类污染物病害，而龙门石窟主要开凿于碳酸盐岩上，还存在危岩体渗水等病害。龙门石窟附近厂区矿区的建设开发，大大加重了石窟区的空气污染，空气中SO2含量超标，进一步加剧了龙门石窟灰岩的风化速率。张夏组地层主要为鲕粒灰岩，鲕粒灰岩的风化与一般灰岩相比，同时受鲕粒性质的影响[2]。鲕粒灰岩形成在水动力较强烈的环境之下[3]，当环境温度高、海水蒸发量大的时候，在海水的搅动之下，CO2气体溢出，过饱和的碳酸钙包裹悬浮的碎屑物质，形成独特的鲕粒结构[4]。在我国，塔里木盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地[5]、华北平原等地区均发育有鲕粒灰岩，而华北地区张夏组鲕粒灰岩为我国鲕粒灰岩研究的典型段带。狄明信等[6]编制了华北地区张夏期岩相古地理图，主要为鲕粒灰岩，其发育剖面类型多样，岩性发育具分区性。80年代中后期，旋回地层学广泛应用于沉积岩的研究中，进一步促进了对鲕粒灰岩的研究[7]。华北地区中寒武世时在陆表浅海形成了以鲕粒滩相为主的碳酸盐岩沉积序列[8]。华北地台北缘张夏组地层为潮下型碳酸盐米级旋回层序[7]。孙长彦等[9]对豫西地区寒武系第三统张夏组米级旋回层序进行了识别与划分，其中洛阳地区张夏组米级旋回层序非常发育，复杂多样，后生生物主导的米级旋回层序强烈发育。鲕粒类型多样，李妲[10]对豫西中寒武统鲡粒类型研究统计，认为洛阳地区鲕粒类型主要为同心-放射鲕、白云石化鲕、微晶鲕、同心鲕、纯放射鲕和单晶鲕或多晶鲕6种。碳酸盐岩溶蚀受碳酸盐矿物成分，岩石结构、温度、溶液酸碱性质、水动力条件以及表面反应和扩散作用[11-13]等因素的影响控制。本研究通过对研究区张夏组灰岩地层的岩性及风化特征，结合室内风化模拟实验，进一步探讨鲕粒灰岩的抗风化能力。

1 石窟区地层岩性及风化特征

龙门石窟位于河南省洛阳市，属于温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。石窟区地貌上处于伏牛山、嵩山山前地带，属于构造剥蚀地山丘陵地貌，区内主要地貌单元为龙门山和伊河河谷；龙门山被伊水横切，形成深切峡谷，分为东山和西山。构造上位于龙门山—香山断块内，石窟区的地质构造整体为倾向NNW的单斜构造，岩层倾向为340～10°，倾角为20～30°，主要构造为断层和节理，无褶皱发育。东山石窟主要雕刻于寒武系中统徐庄组与张夏组地层之上，其中张夏组可进一步细分为十层。对各层取样分析，岩样的主要化学成分为CaO、MgO以及SiO2、Al2O3和TFe2O3等酸的不溶物，其中CaO和MgO的总含量均在95%以上，纯度较高，而酸的不溶物含量很少，普遍低于3%(表1)。

表1 龙门石窟张夏组地层岩性特征

Table 1 Stratigraphic and lithologic characteristics of the Zhangxia Fm in Longmen Grottoes

从微观结构(图1)可以明显的看出，这套张夏组地层可以分为两种岩性，一种是鲕粒发育的鲕粒灰岩，如第①层、第②层、第③层、第④层、第⑤层、第⑨层和第⑩层；一种是细晶或斑晶灰岩，如第六层、第七层和第八层。鲕粒粒径在250～500μm之间，主要类型为薄皮鲕， 含有少量椭形鲕和放射鲕及椭形放射鲕(图1④)。研究区鲕粒多发生重结晶作用及压溶作用，使其内部结构不明显。各层均可见球形残余颗粒，第③层、第⑩层压实作用明显，可以看到破碎的鲕粒(图1③、⑩)，部分鲕粒内部发生交代作用，可看到自形白云石结晶(图1⑨)。岩石局部发生压溶作用，形成缝合线(图1②、⑤)。鲕粒的核心多由磨圆的碎屑及介形虫、有空虫等生物碎屑组成，鲕粒的形状多受核心的形态影响，结构特征如表2所示。研究区白云岩化作用强烈，压溶，重结晶，硅化作用次之。

①～⑩分别为从下到上十个地层的薄片鉴定照片 图1 研究区寒武系张夏组灰岩显微结构特征

表2 各层岩样鲕粒特征

从扫描电镜中(图2)可以看出，研究区鲕粒灰岩的主要成分为浅灰色的方解石、深灰色的白云石及少量的高亮度的金属矿物。基质的主要成分为方解石，鲕粒的主要成分为白云石(图2(a))，可以看到菱形白云石晶体(图2(b))，在鲕粒边缘形成环状的溶蚀沟(图2(b))，部分鲕粒内部含有较多的黄铁矿(FeS2)等金属矿物(图2(c)(d))与少量的黏土矿物。

图2 研究区鲕粒灰岩表面形貌环境扫描和能谱分析图像

2 室内风化模拟实验

2.1 实验原理

研究区腐蚀碳酸盐岩胶结物中CaCO3或CaMg(CO3)2的过程如下：

空气中的SO2与水汽反应生成H2SO3：

SO2+H2O→H2SO3

(1)

氧气与亚硫酸反应生成硫酸：

2H2SO3+O2→2H2SO4

(2)

石窟区地层中含有较多的黄铁矿，氧化与水反应生成硫酸：

(3)

(4)

(5)

硫酸与岩石中的盐酸盐矿物反应[15]：

(6)

(7)

2.2 实验步骤

本次实验模拟酸雨对龙门石窟张夏组十个地层碳酸盐岩的溶蚀情况，对比不同岩性灰岩的抗溶蚀能力。将每层岩样制成三个2cm×2cm×0.5cm的岩块，试验前对岩块进行清洗，在室内温度30℃下晾干12h，宏观描述、称重；将样品分别放入压力锅中的10个烧杯中，反应溶液为100mL 初始pH值为5的H2SO4溶液；密封试验装置，抽干空气，通入CO2气体，调整压力阀，使装置内CO2的浓度恒定为8000μL/L，控制室温为25℃；每隔12h，将样品取出，测定溶液的pH值，用蒸馏水清洗岩样，在30℃下晾干12h，测定样品质量，每隔24h测定试样的表面粗糙度。重复上述步骤，直至溶蚀反应停止。实验装置如图3所示，其他仪器主要有电子天平、150mL的烧杯、镊子和TR500轮廓粗糙度测试仪等。

1. CO2气瓶; 2. 两通管; 3. 压力表; 4. 三通管; 5. 压力锅; 6. 烧杯; 7. 温度控制器 图3 实验装置示意图

2.3 实验结果与讨论

本次实验中，岩样的质量随着反应的进行不断减小，反应进行到第七次之后，试样的质量变化，溶蚀反应速率缓慢。单位面积溶蚀质量为：

ms=Δm/S

(8)

式中，S为岩样表面积，单位为mm2；Δm为相对溶蚀质量，单位mg；ms为单位面积溶蚀质量，单位为g/m2。

取每个地层的三个试样的单位面积溶蚀质量平均值，求得到每个地层岩样的单位面积溶蚀质量。本实验最终单位面积溶蚀质量及粗糙度变化百分比如图4、图5所示：

图4 各个地层岩样钙镁比与单位面积溶蚀质量

图5 各个地层岩样鲕粒含量与粗糙度变化百分比

实验结果可以看出，在相同的溶蚀环境下，不同的岩层的溶蚀量差异很大。各岩层的溶蚀差异与钙镁比及鲕粒含量的差异相一致。第⑥层岩样单位面积溶蚀质量及表面粗糙度变化百分比均达到最大，分别为15.5g/m2，64.29%；第①层的岩样单位面积溶蚀质量及表面粗糙度变化百分比均为最小值，分别为7.4g/m2，17.39%。总体来看，下五层岩层的单位面积溶蚀质量远低于上五层，第①层单位面积溶蚀质量最小，岩样的表面粗糙度变化百分比与溶蚀量的差异一致。这可能是因为张夏组下部地层的含泥量高，灰岩质地不纯；而上部地层为较纯灰岩，可溶蚀性好。第①层岩层含有大量的泥质成分，是相对隔水层，最难溶蚀。

从图4中可以看出，岩样的钙镁比与单位面积溶蚀质量有着较好的正相关性，钙镁比越大，单位面积溶蚀质量越大。王炜等[1]研究不同类型鲕粒灰岩的溶解动力学特征时发现，在常温常压的弱酸环境中，灰岩中白云质含量越高，灰岩溶解越慢，且Ca2+的溶解速率比Mg2+高出近一个数量级。

一般来说，碳酸盐岩溶蚀优先发生于构造裂缝、鲕粒结合纹、颗粒晶体结合带等结构薄弱带。鲕粒结构对碳酸盐岩的溶蚀有促进作用。但对比图4、图5，鲕粒含量高的岩石样品单位面积溶蚀质量相对较小。而从图5中可以看出，鲕粒含量与粗糙度正相关，鲕粒含量越高，粗糙度变化百分比越大。研究区鲕粒成分主要为白云石，不易被溶蚀。当基质被溶蚀风化后，鲕粒突出，表面粗糙。鲕粒灰岩的单位面积溶蚀质量普遍低于细晶灰岩和斑晶灰岩，即相较于普通灰岩，鲕粒灰岩抗溶蚀能力更强。另外，鲕粒灰岩在形成过程中，鲕粒的结构更趋于稳定，鲕粒结构里面的基质更加紧密，难以破坏，更能适应水动力强烈的环境，这使其在溶蚀的过程中与普通灰岩产生了不同的变化规律。

酸-岩反应速率主要受酸液体系的传质速率与酸-岩表面的反应速率两个因素的影响，各岩样溶液pH值变化曲线如图6、表3。从中可以看出，各组岩样的反应速率相近，初始24小时岩样反应剧烈，随反应进行，H+离子浓度降低，表面酸易溶物减少。当实验进行到第4次后，反应缓慢，pH值稳定于pH=8左右，溶液呈弱碱性。这主要是因为酸不足量，溶液变为碱性。同时，岩石表面附着反应生成的难溶的硫酸钙以及残余的不易与酸发生反应的白云石及泥质成分等阻止了反应的发生。而在龙门石窟采得的地下水水样呈酸性，并未完全反应，这说明碳酸盐岩的化学风化是受限制的，但风化后的岩石强度降低，表面易剥落。这使其内部的新鲜岩石面裸露，继续发生化学风化，即化学风化作用与物理风化作用相互促进。

图6 各岩样溶液pH值变化曲线图

本研究主要对龙门石窟张夏组地层特征进行了研究说明，并通过实验模拟验证不同特征碳酸盐岩的风化差异。对不同岩性的碳酸盐岩进行了溶蚀对比，但没有考虑溶液酸性强度，温度等其他因素。今后会选取代表性地层，对本次实验中鲕粒灰岩所表现出的抗溶蚀能力进行进一步的研究。

3 结 论

1) 龙门石窟东山石窟区所在的张夏组地层主要为碳酸盐岩，可细分为十层，从下往上，第①～⑤与⑨、⑩层为鲕粒灰岩。

2) 研究区鲕粒成分主要为白云石，鲕粒类型主要为薄皮鲕和亮晶鲕，受鲕粒结构特殊性的影响，研究区鲕粒灰岩抗酸溶蚀能力更强。

3) 龙门石窟张夏组鲕粒灰岩表面粗糙度受鲕粒含量的影响。鲕粒含量越高，风化后，岩石表面越粗糙。

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(责任编辑 潘小伦)

Characteristics and dissolution test of Oolitic limestone from Zhangxia Formation in the Longmen Grottoes

DOU Yan1, YAN Shao-jun1, WANG Lei1, CHEN Jia-qi1, ZHANG Xin-peng2

(1.ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China; 2.ShenzhenTrafficConstructionEngineeringTest&DetectionCenter,Shenzhen518000,China)

The main parts of the Longmen Grottoes were hewn in carbonate rocks of the Zhangxia Formation (Zhangxia Fm),in which water-rock interaction is intense. Acid rain has further aggravated the problem of dissolution of carbonate rocks over the years. Carbonate rocks were grouped and sampled,in order to analyze their compositions and microstructures and to study their dissolution in an erosion experiment simulating acid rain.This experiment has be done in order to determine the laws controlling dissolution of the carbonate rocks of Zhangxia Fm. Results of the simulation experiment show that the rates of dissolution are different for each layer of Zhangxia Fm. The dissolving quality per unit area correlated positively to the Ca / Mg molar ratio in the carbonate rocks. The surface roughness of weathered oolitic limestone and ooides were closely related. Oolitic limestone is more resistant to chemical corrosion than ordinary limestone in the area studied. The conclusion of this research could serve as a kind of basic information for protection of the Longmen Grottoes.

Zhangxia Formation; Oolitic limestone; Dissolution law

2016-05-13；

2016-09-16 基金项目：国家文物局项目(40972183)资助 作者简介：窦 彦(1992—)，女，硕士研究生，研究方向为岩土文物保护。中国地质大学(武汉)，E-mail: 391082183@qq.com 通讯作者：严绍军(1973—)，男，博士，副教授，主要从事岩土文物保护工作。中国地质大学(武汉)，E-mail: Shaojuncug@qq.com

1005-1538(2017)03-0060-07

K879.23

A