云冈石窟风化特征与风化产物研究

邓 云，王金华

（复旦大学文物与博物馆学系，上海 200433）

云冈石窟位于山西大同市西约16 km的武州山南麓，原名武州（周）山石窟寺，明代改称云冈石窟。为佛教向东传播后，新疆以东最早出现的大型石窟群，云冈石窟佛教艺术按开凿时间及风格[1]分为早期、中期、晚期3个阶段，是皇家开凿石窟的典范，与其他早期石窟在风格和规模上均有较大差异。云冈石窟目前暴露于窟外壁的雕像与题记更是全部消失[2]。在所消失的雕像中，被盗的雕像约1 000余尊，而风化破坏才是造像消失的主要原因。关于云冈石窟风化形态的研究自20世纪60年代已经有较多研究成果，本文通过对风化特征的分类及风化产物的研究进行梳理和总结，为防止风化进一步破坏提供参考。

1 云冈石窟开凿与地质条件的关系

云冈石窟洞窟开凿规模、方式等均与地质条件有着密切关联，云冈石窟位于大同侏罗纪沉积盆地西缘，东侧距离位于盆地东缘的青磁窑约8 km，窟区内的地质构造情况较为单一[3]。云冈石窟及其雕刻品均雕刻在长石石英砂岩层，向东西两侧变薄形成透镜体，长石石英砂岩层不仅在厚度上变化较大，同时还有岩性上的变化，而石窟的风化程度、类型等均在一定程度上受岩性的控制。严绍军副教授将云冈石窟划分为11层（表1）。

表1 云冈石窟地层划分一览表

由此可见，云冈石窟的开凿大小和位置与地层分布有较大关联，云冈石窟主要砂岩地层为第2、3、5、7层，上述地层是石窟主要开凿和顶板部位，从岩石均匀性来看，3、5层是石窟造像开凿较好地层，也是石窟的主要分布层位，如1、2窟在东部，此处厚为8～15 m，故洞窟高度均在8 m左右，较厚之处为第5～16窟，故该段的洞窟规模最大。而西部石窟厚度逐渐变为5 m左右，因此西部的洞窟一般规模较小。当透镜体厚度较高时，各窟一般为大型洞窟；而当透镜体厚度较薄时，则一般开凿为小型窟龛。由此可见，地质构造是窟型大小的最主要控制因素之一，也反映了古人因地制宜、因势利导的聪明智慧。

2 云冈石窟风化特征及成因

云冈石窟开凿于钠质胶结的长石石英砂岩上，抵抗风化能力较弱，并且胶结能力较差，这是窟内普遍遭受风化的内在条件[5]，但具体的影响有下列几个方面。

在岩性不均一，粗细粒砂岩相互成层的情况下，一般是粒度较小的岩石要比粒度粗的岩石风化得更加强烈些，第二窟西壁锯齿状风化岩石，第三窟后室南壁锯齿状风化岩石均可见此种现象。若中粗粒砂岩中含暗色矿物的条带时，因暗色矿物多为黑云母类，极易风化，若暗色矿物的条带较密集，也易于导致整体岩石风化加剧，暗色矿物条带所在处，因风化较剧烈而向壁面内深凹形成深坑，这一问题在东部和中部窟群中出现较多。在含长石石英砂岩砾石中大部分为粉砂岩，因粉砂岩易于风化，常常迅速被破坏，仅残余空洞，这在各窟均可发现。若岩性较均一，但交错层理较发育时，往往可以在岩石的原生构造处风化较剧烈，而形成沟槽。

由上可知，岩石的矿物粒径大小、成分组成以及原生构造对岩石的风化程度均有较大影响。前述的受岩性控制的各种风化形态大部分都是因为岩性差异而引起的差异风化的结果，另外，岩石本身的孔隙率和吸水性等也会对风化产生影响。

黄克忠先生曾将石雕分为粉状风化、页片状（波壳状风化）、带状洞穴状风化、板状风化[6]。另外，《大同云冈石窟岩石风化调查报告》[7]根据控制岩石风化的内在因素，将风化类型分为：①发育在砂岩岩石中的风化类型，包括刷落状风化、页片状风化、锯齿状风化、洞穴状风化、网格状风化；②发育在裂隙中的岩石风化类型，包括板状风化、砖块风化、圆块风化；③发育在粉砂质岩石中的风化类型，包括碎块状风化、劈柴状风化、波状风化等。之所以出现分类的差异，主要是因为分类的标准和角度不同，将形态、发育部位和形成原因等杂糅在一起。然而据笔者实地考察，认为部分风化类型虽命名不同，但其所指相同，本文结合已有的分类标准，对不同分类标准中同一类型但不同称谓的风化进行合并描述。将云冈石窟风化类型归纳为以下几种。

2.1 粉状（刷落状）风化

主要发育于中粗粒砂岩表面间或在细砂岩及粉砂岩上的一层粉末状或絮状风化产物，粉状风化部位的岩性一般比较均匀。主要表现为沿崖壁呈不规则的分布，风化处的表面一般也较为平坦，与层理关系较小，在表层常有白色粉末，矿物颗粒间疏松不密实，部分已脱落，残留的矿物一般凸于岩石表面上，白色粉末手触之即落[8]。多见于石窟下部及东部窟群，且多风化强烈。其中粉状物是由不同类型的盐组成，它的分布和成因均与水有密切关系。而石窟外部的凝结水、窟内的渗水和底部的毛细水与空气中的CO2、SO2、O2等，长期对石窟表面的长石、胶结物中的钙质以及黏土类矿物发生水合溶滤反应，同时水又将盐类带到石雕石窟的表面而形成聚集的盐。当胶结物被淋滤之后，此时石窟表面则仅剩没有胶结物的石英颗粒，即为粉状物或絮状物（图1）。

2.2 页片状（波壳状、鳞片状）风化

页片状风化主要存在于石窟的表面，表现为薄片状剥落，薄片的厚度与矿物颗粒粗细大小密切相关，粗砂岩形成的薄片厚度在3～4 mm，细砂岩形成的薄片厚度在0.5～1 mm。页片的表面常常翘起或卷曲，且一般多层重叠。在片与岩体或片之间常有白色粉末状或雪花糊状物（当到达片内一定深度时减少或消失），关于页片状风化的成因，可能是水深入岩石以后，经过长期的溶蚀及温差作用而导致的岩石表层发生涨缩所致。其产物多为碳酸盐和硫酸盐的水化物，质较坚硬，均匀的附于页片的背面。其成因系多种因素造成。由于地下水沿裂隙通道和层理渗透至表层，经过水的蒸发后可溶性盐析晶，并且由于盐在表层的聚集，孔隙逐渐被堵塞，使水只能沿薄弱面渗出。另外，云冈石窟所处的大同地区温差较大，矿物的膨胀系数不同（石英的体积膨胀系数约是长石的一倍），产生不同的涨缩应力，便造成平行壁面的裂隙（图2）。

2.3 带状（洞穴状、蜂窝状）风化

指与层理平行，凹凸相间成洞穴状或带状的风化形态[9]。带状风化常分布于含大量粉砂岩或砂质页岩的砾石和透镜体的粗粒砂石中粒砂岩上，由于其抗风化的能力较弱，导致差异风化。一般表现为不规则的洞穴。

带状风化是与盐性有关的差异性风化。因为云冈石窟砂岩的层理交错发育，含有泥、粉砂岩夹层及大小砾石，砾石风化后则形成不同大小的洞穴，其中薄夹层或透镜状的粉砂岩，由于含泥量较高，经水的分解后，带状凹槽深度可达到10～30 cm。另外由于砂岩中胶结物泥质与钙质的比值不同，在水的侵蚀作用下，其风化形态也不相同。此类风化对石窟的破坏较严重，水渗透出露位置的洞穴往往比较大[10]（图3）。

2.4 板状（砖块状、圆块状）风化

板状、圆块状、砖块状风化在形态上不同，但由于其均主要是受应力重分布作用而形成的，故将其划为一类。这些风化类型都发生在裂隙发育的砂质岩石中，常形成与壁面平行的减荷裂隙，呈板状剥落。板厚为2～4 cm，然而在有地下水流长期作用的位置，分布高度大多都在1.5 m以下，如图4所示。

虽然板状、圆块状、砖块的形态不同，但上述风化形态的形成原因都与裂隙有关，并且矿物间的微裂隙十分发育，水则沿裂隙通道活动，导致石窟表面盐类聚积。裂隙是造成水进入窟内侵蚀石雕的通道，危害较大的主要有3种：第一种为岸边减荷裂隙，它平行崖壁排列，离崖壁30 m范围是其发育带，愈近崖壁密度越大，间距为1.5 m、5 m、8 m等。裂隙上宽下窄，平均裂隙宽度0.5～2 cm。第二种是构造裂隙，裂隙面平整闭合延伸远，每组裂隙间距小。第三种是风化裂隙，普遍存在于窟顶部5～10 m范围内，大多呈树枝状和毛发状。

如前所述，各种风化类型都是在不同因素的影响下风化过程不同的表现。但不同风化类型之间也存在一定的联系。在各种风化类型中，以粉状（刷落状）风化类型为主，其他风化类型大部分是在刷落状风化的基础上派生的，因此，可将以上风化类型归结为由于刷落状风化受到某些特殊因素影响而表现为其他形态。

关于刷落状与页片状风化的关系，在岩壁比较平坦的情况下，往往可以发现：在刷落风化岩石的某一部分尚叠加有页片，同时在页片与壁面之间，通常充填有白色粉末。由此现象可以初步推断部分刷落风化岩石的表面原应有页片的覆盖，当页片下坠以后，就使壁面呈现刷落状风化的形态。

探索各种风化类型的关系，实际上也是了解各种因素的影响下岩石风化过程的重要方面，这不仅对保护维修工程有意义，同时对掌握岩石风化过程的规律也是有意义的。

3 云冈石窟风化产物

岩石风化产物最典型的就是絮状物质，一般分布在被风化的长石周围，初步推断絮状物质可能为长石以及砂岩的胶结物风化而成。其白色、疏松、少数干燥后成淡黄色，多填充于壁面上岩石孔隙附近，如岩石表面有窪坑时可大量集中成团状。絮状粉末物质分布在呈刷落状风化的岩壁表面，另外也可分布在页片状风化岩石的小页片间，往往在揭开页片后，均可发现有絮状物质的充填。

絮状物质加盐酸后，一般起泡微弱，甚至不起泡。其成分多为水化物，SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O等含量均比新鲜岩石要大大减少，Fe2O3则稍有增加，其余，Na2O、CaO等则变化不大（表2）。上述化学成分可以说明，絮状物质为岩石风化的产物。

表2 风化产物与新鲜岩样的化学成分对比

砂岩颗粒成分主要为石英和长石，风化岩样中含有大量的黏土矿物及少量的石膏，通过对不同风化程度的样品进行分析，由于碳酸盐胶结物对酸作用非常敏感，而石英对酸作用不敏感，可以通过建立碳酸盐胶结物与石英的比值评估风化程度。因此云冈石窟岩石风化不但与胶结物的破坏有关外，砂岩颗粒中的长石黏土化也是一个重要的原因。反应如下：

除此之外，水岩反应是另一导致风化的重要原因，其中碳酸盐胶结物溶解较早发生且对岩体强度软化影响最大，而长石等矿物的水解则导致岩石力学强度降低，可溶盐类矿物结晶削弱了已风化岩石表面颗粒间的作用力；而含铁胶结物由于受浸水的影响，在赤铁矿发生转变的过程中，其力学强度也受到了极大破坏。

可溶盐发育可以看作是导致风化破坏的另一重要不利因素，也是伴随风化破坏的衍生产物，其破坏作用主要体现在文物表层富集，导致文物表层粉化，导致造像模糊、壁画脱落等；同时，可溶盐在反复结晶与溶解的过程中，产生非常巨大的结晶挤压力，导致岩石内部结构破坏，强度降低。另外，当可溶盐在岩石结构面富集时，将会导致挤压作用，加上尖端应力集中，加速局部危岩体的发育。

云冈石窟可溶盐集中在较高含水量的岩体中。在长期渗水部位虽然也有短期可溶盐的富集，但水体冲刷将可溶盐溶解带走。目前可溶盐发育比较集中的主要在两个部位：一个是上部，顶部平台雨水入渗导致岩体表面泛盐；另一个是底部，地下毛细水上升导致石窟底部约1.5 m高范围大量析出可溶盐。

云冈石窟可溶盐主要为石膏、六水泻盐、七水泻盐等硫酸盐。其主要反应过程如下：

长石高岭土化过程中，形成的K+、Na+离子可以与SO42-离子进一步形成K2SO4和Na2SO4.10H2O芒硝。上述盐类均具有水合能力，在干湿交替的环境下，特别容易在岩石的微孔隙内产生结晶压力而导致岩石损坏[4]。

云冈石窟处于干燥气候条件，无论是泻利盐、石膏或者芒硝，在干燥气候条件下，容易失水。而一旦空气潮湿，就又向高水盐转化。在晶体形成与转换过程中，不断向岩石微小孔隙渗入、结晶，结晶过程产生巨大的挤压力导致岩体结构破坏，强度降低。

由此可见，云冈石窟风化产物主要为矿物的高岭石化和胶结物的流失，以及其产物与SO42-离子的反应产生可溶盐。

4 总结及展望

研究石窟岩石风化问题，不仅是对文物保护有重要的意义，而且其成果对其他类似的建筑工程也有着一定的参考价值，甚至还可以对岩石风化理论提供一定的资料。

在今后的工作中，应将风化特征分类详细化和规范化，除概略性分类外，还需对各部石窟内不同部位、不同岩性上岩石风化特征及形成原因进行深入探讨，并关注风化程度在一定时间内的变化。需要对不同窟型、同一洞窟不同位置进行全面的监测，包括温湿度、渗漏水情况、窟底潜水面变化情况、窟区外围地下水动态、气体类型及含量等，探讨风化的影响因素。另外对窟内不同部位、不同岩性、不同风化类型岩石进行系统的矿物组成以及岩石的孔隙度、渗透率、含水性等性质的研究也至关重要。总之，风化问题的研究是一个较复杂也较为重要的课题，还需要长期的研究和探讨。