基于原位无/微损测试方法的砂岩摩崖造像表层风化特征与程度研究

张景科,王玉超,邵明申,梁行洲,李 黎,张理想

(1. 兰州大学 土木工程与力学学院/西部灾害与环境力学教育部重点实验室,甘肃 兰州 730000;2. 中国文化遗产研究院,北京 100029)

川渝地区石窟寺及摩崖造像数量多、分布广,是我国辉煌灿烂古代文明的集中体现,也是文明交流互鉴的历史见证,具有重要的历史、艺术和科学价值。近年来,随着城市工业化快速发展,城市地貌环境脆弱性日益加剧,作为典型城市环境下特殊的砂岩景观,重庆弹子石摩崖造像面临不同类型和程度风化病害影响,某些已不可修复。本文通过对弹子石摩崖造像表层岩体宏观、微观风化特征研究,以期为川渝地区相似环境下砂岩石质文物风化病害治理提供一定指导与借鉴作用。

砂岩风化通常是多种物理、化学因素综合作用的结果,人们对砂岩风化的认识与研究基本遵循从宏观到微观的思路,重点对风化特征、风化机理及风化研究方法等进行深入研究。19世纪初国外便开始砂岩风化的相关研究,主要对风化现象定性描述,并尝试对典型风化现象进行解释[1-2]。目前，专门针对砂岩风化特征的研究相对较少，早在2009年,王旭东从宏观角度研究了莫高窟病害发育类型与风化特征[3];VDACNYM等依托工程地质背景,通过物源区砂岩风化产物的变化进行风化特征研究[4];丁梧秀[5]、韩刚[6]、张中俭[7-8]等侧重于从造成风化特征的影响因素出发,分析了洛阳龙门石窟、峨眉山玄武岩及龙游石窟风化特征及主要影响因素;翁履谦基于室内扫描电镜和XRD测试手段,探讨了云冈石窟砂岩微观风化特征,指出微斜长石高岭石化及碳酸岩胶结物流失是导致砂岩微观片层无序排列且孔隙大的主要原因[9];李黎等对风化特征的研究侧重于从风化过程的特征入手,进行不同盐溶液侵蚀过程中砂岩风化特征及速率研究[10]。此外,随着环境污染日益加剧,大气污染与砂岩风化间的关联逐渐被研究者们重视,进而在实验室与室外开展了大气污染物与砂岩风化的相关研究,如Bersimis进行了空气污染物的动态非参数监测[11],GrzegorzRzepa指出波兰伊斯泰布纳地区砂岩表层黑色结壳主要是长石、云母等风化产物暴露在各种污染物下形成[12]。

石质文物风化机理一直是风化研究中的核心问题。但由于多因素耦合作用机制相对复杂,多数研究者通过控制变量,进行温湿度[13]、可溶盐[14-15]、干湿循环[16]、冻融循环[17]、热冲击[18]等单一因素的室内模拟劣化试验,通过宏观与微观角度尝试对风化机理进行解释。此外,青年学者们重点进行了可溶盐运移[19-21]、酸雨淋蚀作用[22]对砂岩文物的破坏机制。对于风化研究方法方面,可归结为现场检测、监测及室内测试两种。基于文物的特殊性,现场检测多采用无损、微损的测试方法对文物表面及内部缺陷量化评估。近年来,随着高密度电法、阻尼抗钻、卡斯腾量瓶等科技保护手段的发展,在石质文物风化程度量化评估方面被逐渐推广,并在安岳石刻、柬埔寨吴哥遗址等地成功应用[23-25]。现场检测中应用较多的为声学测试,如李宏松[26]、孙进忠[27]等人利用弹性波速指标,通过岩石不同风化阶段与新鲜岩石纵波波速的比值,将岩体风化程度划分为未风化、微风化、强风化及全风化五个级别,区别了传统工程地质风化程度的分级标准。总体上,砂岩文物风化程度的量化评估仍处于探索与初步研究阶段,距离规范化应用还很远。

弹子石摩崖造像出露的地层位于侏罗系中统沙溪庙组(J2s),地形起伏较大,随着城市化加剧,大气污染物对砂岩文物风化的影响日益严重,加之重庆高温高湿、酸性降雨等特殊的自然环境,对砂岩文物的保护研究提出了更高的要求。目前,对弹子石摩崖造像本体风化病害类型、风化特征及风化程度量化评估尚未有相关研究成果。本文以弹子石摩崖造像为研究对象,通过现场踏勘,里氏硬度、弹性波速、钻入阻力及表面吸水率等现场测试,对此进行系统研究,以期为今后保护修复提供科学依据。

1 弹子石摩崖造像概况

1.1 弹子石摩崖造像概况

弹子石摩崖造像位于重庆市南岸区弹子石街道临江公路旁(见图1),始建于元朝(公元1365年),由一级平台半开放空间的大佛造像和二级平台五佛殿造像(五佛殿内)组成(见图2)。弹子石摩崖造像是我国唯一可确认的由农民起义军政权凿造的佛教造像[28],具有极高的历史、宗教、科学和艺术价值。2013年,公布为全国重点文物保护单位。由于环境条件差异,加之600多年风化侵蚀,五佛殿造像与大佛造像发育的病害类型及风化程度均有不同。

图1 弹子石摩崖造像区位Fig.1 The position of danzishi cliffside figure

图2 弹子石摩崖造像Fig.2 Danzishi cliffside figure

1.2 区域气候条件

重庆是西南工业重镇,位于四川盆地东南部,降雨丰富且时空分布不均,主要集中于每年5—9月。城市化发展导致的大气污染严重,每年酸性降雨占比可达47%,pH均值4.79,属于重度酸雨区。南岸区年平均气温18.3℃,相对湿度大,年平均相对湿度高于75%,在全国属于高湿区。各月降雨量、相对湿度及水汽压分布如图3所示。

图3 重庆市平均月降雨量、相对湿度及水汽压统计图(沙坪坝区气象站)Fig.3 Statistics plot of average precipitation、relative humidity or vapour pressure in Chongqing (meteorological station of Shaping ba)

1.3 地质环境

1.3.1 地层特征 中生界侏罗系及新生界第四系在弹子石摩崖造像保护范围(后称保护区)内分布最为广泛,根据钻孔调查结果[29],对各地层特征描述如表1所示,弹子石摩崖造像地质剖面图如图4。

图4 弹子石摩崖造像地质剖面图Fig.4 Stratigraphic profile of Danzishi cliffside figure

1.3.2 岩性特征 弹子石摩崖造像保护区岩层倾向250°～270°,倾角9°～13°,单斜状产出,岩体共发育三组构造裂隙,第一组倾向30°～45°,第二组近乎垂直,倾向320°。第三组倾角73°～79°,倾向352°～337°,是保护区内主要的一组构造裂隙,纵向延伸较好。

岩矿鉴定结果(见图5)表明，弹子石摩崖造像砂岩为细中粒砂状结构,块状构造,接触式、孔隙式胶结,胶结物主要为黏土矿物和钙质。岩石由砂级碎屑、填隙物组成。砂级碎屑成分为石英(Qtz)、斜长石(Pl)、钾长石(Kfs)、黑云母、白云母(Ms),安山岩(Ane)、硅质岩、石英岩、云母片岩等岩石碎屑及其分解物,粒径主要集中于0.25～0.50 mm,约占岩石总量55%,其次粒径0.05～0.25 mm,约占岩石总量25%,粒径0.5～1 mm,约占岩石总量10%;填隙物,主要成分为粒径<0.05 mm的岩石矿物碎屑、泥质、钙质、铁质等,约占岩石总量10%。

表1 地层特征表Tab.1 Stratigraphic characteristics

图5 岩矿鉴定结果Fig.5 The result of identification of rock and minerals

2 病害类型

根据精细化病害勘察,弹子石摩崖造像本体主要病害有机械裂隙、粉末状剥落、片状剥落、孔洞状风化、石质缺失、石质断裂、风化裂隙、烟熏、水泥修补开裂等(见图6)。其中,造像表层以粉末状剥落、片状剥落、风化裂隙为主,而石质残缺与断裂多集中于造像鼻尖与耳垂处。此外,造像承重部位如台座、文殊菩萨坐骑等,多表现为卷曲状剥落与机械裂隙,详细病害类型与分布如下。

1)机械裂隙

典型机械裂隙主要发育在文殊菩萨手肘、普贤菩萨左臂、龛壁及造像鼻子等处(见图6A)。张开度约5～12 mm,石膏、碎石充填。

2)粉末状剥落

表面粉末状风化主要分布于毗卢遮那与释迦牟尼造像面部、胸部及腹部等位置(见图6B),主要是岩石颗粒间黏结力丧失导致的颗粒状脱落,表面粗糙,手摸造像表面即粉化剥落。

3)片状剥落

表层片状剥落发育在卢舍那造像右臂、胸部、台座,毗卢遮那造像胸部、台座,文殊菩萨腹部等处(见图6C,D,E)。其中卢舍那造像胸部主要为多重剥落,台座多呈卷曲状,文殊菩萨腹部则表现为鳞片状剥落。

4)孔洞状风化

普贤菩萨坐骑赋存岩体存在泥岩夹层等软弱结构面,在风化侵蚀作用下形成连续分布的溶蚀孔洞,表现为孔洞状风化(见图6I)。

5)石质断裂与缺失

断裂通常是石质文物缺失的主要原因。石质缺失主要分布于五佛殿造像鼻尖、耳垂等处,而普贤菩萨左手及文殊菩萨右手北向临空,缺失体量较大(见图6F,G)。典型断裂发育在毗卢遮那造像手腕和文殊菩萨右手处(见图6H)。

6)风化裂隙

室外大佛造像风化裂隙发育较多,多呈细小条带状(见图6J)。如造像下颚及左肩沿层理方向发育的浅表性风化裂隙,宽约2 mm。

7)烟熏

烟熏病害主要分布于大佛造像面部及五佛殿造像东西两侧岩壁上(见图6K)。主要是香烛燃烧产生的细颗粒物、硫酸雾、硝酸雾并混合空气中粉尘以干湿沉降方式附着于造像表面造成污染。

8)水泥修补开裂

历史上大佛造像曾使用水泥材料修复,在各种自然营力的长期作用下,造像腹部、裙摆及腿部等水泥材料呈片状剥落,造像左膝及左手呈线状开裂(见图6L),张开度为0.5～1 mm。

A 机械裂隙；B 表面粉化剥落；C 表层片状剥落；D 表层片状剥落；E 表层片状剥落；F 局部缺失；G 局部缺失；H 断裂；I 孔洞状风化；J 浅表性裂隙；K 烟熏；L 水泥修补开裂图6 弹子石摩崖造像风化病害Fig.6 Weathering diseases of Danzishi cliffside figure

3 风化特征与程度

3.1 微观风化特征

在造像表面粉末状风化严重区域,轻轻刮取粉末进行室内SEM与EDS测试分析,结果如图7所示。

在SEM不同放大倍数下观察,弹子石摩崖造像砂岩颗粒结构主要以片状、团块状结构为主,片层聚集且排列无序,颗粒表面发育细小溶孔及微裂隙,裂隙边缘粗糙且不规整,结构松散、胶结性能差。通过进一步EDS能谱分析,发现典型微斜长石颗粒,其中钾长石表面发育短小微裂隙,裂隙边缘平滑,张开度约0.18 μm,延伸长度约4.77 μm;钠长石风化则表现为明显球状风化,表面凹凸不平,孔洞发育特征明显,直径约0.64 μm,形状不规则,团块状结构明显。

A 1 000x；B 2000x; C 5000x图7 不同放大倍数下砂岩样品微观结构特征Fig.7 Micro feature of sandstone samples under different Magnification

3.2 宏观风化特征

3.2.1 表面回弹测试 与传统工程地质上施密特锤相比,里氏硬度计具有便携、冲击能量小等优点,近年来逐渐应用于文物保护领域。本文采用TH110,D型里氏硬度计对弹子石摩崖造像本体进行表面回弹测试,对数据进行离散型分析(见图8)，并绘制造像表面硬度云图(见图9)。

回弹测试结果表明,位于一级平台的大佛造像表面硬度均值最大,为427 HLD,文殊菩萨硬度均值次之,为336 HLD,五佛殿造像自西(文殊)向东(普贤)表面硬度逐渐降低。回弹测试结果离散性较大,分析原因认为,造像表面差异风化,出露的砂岩本体相对残留地仗、彩绘层硬度大,局部粉化、裂隙发育部位硬度值较低。

表面硬度云图与造像表层病害发育程度相关性较好。由图9可得,普贤菩萨表面硬度自上而下逐渐降低,尤以左臂斜向下至象鼻处硬度值较低,分析原因认为,普贤菩萨左臂至右脚卸荷裂隙发育,结构疏松,多以粉末状风化剥落,因此硬度较低。卢舍那佛自西向东表面硬度逐渐减小,180～220 HLD范围内相对集中,面部及上腹部彩绘起翘，片状剥落严重,硬度值较低。毗卢遮那与释迦牟尼佛风化程度较低,保存现状较好,表面硬度自上而下呈先增后减的规律。文殊菩萨束带下部粉末状风化剥落,左臂肘部发育卸荷裂隙,硬度值低于200 HLD,结合云图观察,文殊菩萨自上而下表面硬度先增加后降低。

大佛造像整体风化程度较低,束带以上区域表面硬度较低,在300～360 HLD范围内,原因为束带上部出露砂岩本体,沿层理面等软弱结构面浅表性风化裂隙发育,硬度值相对较低。束带以下残存水泥修补材料,与砂岩本体结合紧密,硬度值大,在400～500 HLD范围内较为集中。

图8 弹子石摩崖造像表面硬度箱式图Fig.8 Box plot of surface hardness of Danzishi cliffside figure

图9 弹子石摩崖造像硬度云图Fig.9 Hardness nephogram of Danzishi cliffside figure

3.2.2 弹性波速测试 使用Pundit Lab波速仪,采用平测方式,设置自动增益,两传感器间路径长度为5 cm,对卢舍那与释迦牟尼佛进行表面波速测试并绘制弹性波速云图(见图10)。其中,卢舍那佛面部、胸部及台座处波速值较低,集中在400～600 m/s范围内,相反,左肩及腹部风化程度低,硬度和波速均较高,分析原因认为卢舍那佛面部、腹部及台座处彩绘地仗层片状剥落,出露砂岩本体粉化严重,风化程度相对较高。释迦牟尼佛砂岩胶结较好,表面波速分布均匀,主要集中在600～800 m/s,整体风化程度低于卢舍那佛。

图10 弹性波速云图Fig.10 Elastic wave velocity nephogram

3.2.3 钻入阻力测试 阻尼抗钻在有效测试范围内其稳定钻入阻力与岩体表层风化层厚度具有较好相关性,本文分别以五佛殿西侧岩壁粉化剥落、片状剥落与空鼓病害发育位置与大佛造像东侧为试点,进行钻入阻力测试,绘制钻入阻力-钻进深度曲线(见图11),记为Z1～Z4。

对4段钻入阻力-钻进深度曲线分析,Z1曲线表现为振荡上升后稳定,钻进4.7 mm时达到稳定钻入阻力,平均钻入阻力为2.89 N;Z2曲线振荡上升后下降,平均钻入阻力为4.35 N;Z3与Z4曲线均为振荡上升,平均钻入阻力分别为1.44 N与0.8 N。大佛造像东侧平均钻入阻力4.35 N,岩体结构相对致密,表层风化程度较五佛殿造像东、西立面低。五佛殿西侧岩体(Z4)空鼓病害发育形成空腔,颗粒间胶结能力降低,结构疏松,平均钻入阻力只有0.8 N,较其余3个测点低。对比分析钻进深度,Z1测点钻进深度为4.7 mm时钻入阻力趋于稳定,表明该点风化层厚度为4.7 mm;Z2测点钻进深度达7. 2 mm时钻入阻力略有降低,分析原因认为表层岩体不均一性、各项异性以及微裂隙的发育使岩体结构疏松、致密程度降低。Z3测点表层岩体片状与粉末状剥落,结构疏松,风化程度高,曲线呈振荡上升,风化层厚度大于10 mm;Z4测点因空腔及实测量程限制,钻进深度只有10 mm,曲线呈振荡上升。

图11 钻入阻力-钻进深度关系曲线Fig.11 Drilling resistance versus depth curve

3.2.4 表面吸水率测试 表面吸水率测试又称卡斯滕量瓶法,可半定量地检测岩石吸水能力,反映表层岩体劣化状态。本文选取8处(K1～K8)表面相对平整处为测点,计算起始、终止吸水率及毛细吸水系数(ω),综合分析弹子石摩崖造像表层岩体吸水性能及劣化程度。测点位置及各项指标计算结果如表2所示。

图12为累计吸水量与时间关系曲线,通过横向对比分析,K3测点从试验开始至结束,累计吸水量近乎直线上升,起始吸水率为0.681,均高于其余测点,表明该处表层岩体结构疏松、粒间孔隙度大,风化程度高。K1、K2与K4测点曲线变化趋势相似,试验开始时起始吸水率较大,12 min后变缓,吸水接近饱和。纵向对比分析可得,图12B较图12A测点毛细吸水系数大,吸水历时短,仅用时1 min左右。分析原因认为,K5～K8测点泥质含量高,粉末状剥落严重,风化程度高,表层岩体疏松多孔,为水的快速渗透提供天然通道。因此,吸水曲线上反映为渗透速度快且增长率大,透水性能好。

表2 表面吸水率测试各项指标计算结果Tab.2 Calculation of ratios of surface water absorption rates

图12 表面吸水率测试曲线Fig.12 Test curve of surface water absorption rates

3.3 风化程度量化评估

现阶段,针对砂岩类石质文物尚未形成普适的风化程度量化分级标准,本文对钻孔得到的新鲜砂岩样品进行里氏硬度与弹性波速测试,结果作为未风化砂岩初始数据。通过计算五佛殿造像与大佛造像表面硬度与弹性波速衰减率,按公式(1)，(2)进行风化程度量化评估,分带界限如表3所示。

表3 风化程度分带界限Tab.3 The distinguish boundary of weathering intensity

HL′=(HL新鲜-HL风化)/HL新鲜

(1)

式中,HL为表面硬度值。

kv=[(Vp0-Vp)]2

(2)

式中,Vp0为新鲜岩样弹性波速值,Vp为风化岩样弹性波速值。

图13 风化程度量化柱状图Fig.13 The bar graph of weathering intensity

如图13A所示, 五佛殿造像和大佛造像均表现为中等风化且强风化带逐渐减弱。 其中, 五佛殿造像中等风化占比分别为普贤菩萨56.7%、 卢舍那佛65.5%、 毗卢遮那佛67.5%、 释迦牟尼佛69.7%及文殊菩萨68.8%, 半开放环境下大佛造像中等风化占比73.3%。 强风化带主要集中在普贤、 卢舍那和毗卢遮那佛,表现为造像本体起翘、 脱落及砂岩粉化剥落。 如图13B弹性波速测试结果所示,释迦牟尼佛为中等风化, 占比82.5%, 卢舍那佛中等风化，约占50%,与回弹测试结果相吻合。由于历史上有过水泥修补及半开放的环境条件,大佛造像整体上风化程度低于五佛殿造像,室内外环境差异可能是导致其差异风化的主要原因。

4 结论

1)五佛殿造像主要病害表现为机械裂隙、表层粉末状剥落、片状剥落、石质残缺、断裂、浅表性风化裂隙及孔洞状风化等;半开放空间大佛造像主要病害为烟熏、浅表性风化裂隙及水泥修补开裂。

2)弹子石摩崖造像颗粒结构主要以片状、团块状为主且片层排列无序。钾长石颗粒表面微裂隙发育,钠长石则表现为球状风化特征,表面凹凸不平,孔洞发育特征明显。

3)五佛殿造像表面硬度均值为37 HLD,大佛造像表面硬度均值为427 HLD,结合平均钻入阻力(大佛造像4.35 N,五佛殿造像1.71 N)与表面吸水率测试,半开放空间的大佛造像较室内五佛殿造像风化程度低。

4)弹子石摩崖造像以中等风化为主,其中五佛殿造像自东(普贤菩萨)向西(文殊菩萨)中等风化占比分别为56.7%、65.5%、67.5%、69.7%和68.8%,而大佛造像中等风化占比73.3%,风化程度低于五佛殿造像。室内与室外环境差异是造成其风化差异的主要原因。

致谢:现场工作中得到了中国文化遗产研究院张俊杰工程师、大足石刻研究院杨涛博士及兰州大学郭志谦博士、李卷强硕士的大力支持和帮助,在此表示诚挚的感谢!