基于地气活动的酥碱带形成机制

李红寿

[1． 敦煌研究院敦煌石窟监测中心，甘肃酒泉 736200； 2． 国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心(敦煌研究院)，甘肃酒泉 736200； 3． 古代壁画保护国家文物局重点科研基地(敦煌研究院)，甘肃酒泉 736200； 4． 甘肃省敦煌文物保护研究中心(敦煌研究院)，甘肃酒泉 736200]

0 引 言

酥碱是指在水分的参与下，建筑物中的盐分因干湿交替而反复结晶和溶解，造成建筑表层酥软脱落、粉化的一种病害[1]，通常在民用建筑、建筑遗产和土遗址上普遍发生[2]。酥碱是典型的水分作用下的盐风化(salt weathering)[3-4]，属于典型的水-盐病害。在建筑近地面部分尤为明显，通常呈现带状分布，有明显的高度界限(图1)。酥碱带的病害不只是酥碱一种，它包含了许多其他水-盐病害，如粉化、疱疹、霉变、空鼓、起甲、龟裂等。一般来说，建筑保存时间越长，盐分含量越高，酥碱危害越严重，甚至发生酥碱掏蚀下的坍塌[5]，故有“君子不立于危墙之下”的谚语。年代久远的土墙富含N、P、K盐而常常作为农家肥料，称之为“粪土之墙”。因其墙体酥朽，难以抹泥修复，故孔子有“粪土之墙不可圬”的名言。可见墙体酥碱在两千多年前就已有充分的认识。

目前，对于这种在近地面一定高度发生的病害，学术界普遍认为是不饱和水运移引起的[6-8]。其形成机理是土壤或建材经毛细作用将地下水提升到一定高度[8-9]，然后通过蒸发使墙体变得干燥[1，7-9]，并将盐分滞留于墙体内[9]。而毛管水的反复运移引起墙体干湿交替和盐分频繁结晶-溶解最终导致酥碱带形成。在寒冷地区还包括毛管水在冻融交替下的风化作用[10]。然而，笔者发现在半干旱、干旱地区，发生酥碱的部位水分含量很低，通常没有毛管水存在，即水分含量达不到存在毛管水的程度。特别是位于极干旱地区的敦煌莫高窟，洞窟围岩和地仗的含水量极低[11]，常年处于极干旱环境，只存在结合水分，即结晶水、吸湿吸附水和薄膜水。然而调查发现，下层洞窟近地面壁画也普遍存在明显的带状酥碱病害，局部地仗层已经完全脱落，露出了围岩(图1c)。对此，通常解释是：在不饱和毛管水反复运移和干湿交替影响下，盐分的反复结晶-溶解改变了壁画和地仗层的结构，使地仗层膨胀脱落，在近地表一定高度形成严重的酥碱病害[1，7，12]。因此，笔者推测毛细作用形成机理在干旱、半干旱区存在问题。酥碱病害一直是建筑及文保领域防治的重点和难点[13]。正是由于形成机理悬而未决，给根治带来了很大的困难。

图1 近地面酥碱带Fig.1 Salt weathering belts near the ground surface

笔者长期在敦煌莫高窟从事戈壁深埋潜水蒸发[14]和洞窟水分来源[15]研究，发现戈壁[15-16]和洞窟[17]存在来自深层潜水的蒸发，并通过水分同位素的检测示踪得到了印证[18]。为了研究方便，笔者将地下土壤内的空气称为“地气”[19]。地气与大气相连，形成了统一的连续体。从潜水面到地表的包气带空气受外界大气压波动的影响，上下波动：当外界大气压上升时，地气体积被压缩，有大气进入土壤；当外界的大气压下降时，地气体积膨胀露出地表，有地气进入大气[20-21]。研究表明地气的活动使该戈壁区的蒸发量增大了3个数量级，对潜水蒸发产生了重要影响[22]。地气活动机理和水分来源研究为近地面酥碱带形成机理揭示奠定了基础。

本研究根据地气活动的基本原理，通过对莫高窟戈壁土壤温湿度和气压的监测，应用地气的日/年活动规律和活动数量揭示近地表酥碱带的形成机制，为建筑、土遗址、古墓葬和珍贵壁画等的保护提供科学依据和理论指导。

1 地气活动的基本原理

首先，将潜水面以下区域当作水分饱和的不透气地层。潜水面以上到地表的包气带空气看作封闭系统和理想气体。在日常大气波动过程中，100 km内的地气整体活动[23]，在大气压由P1转变为P2的过程中不考虑侧向水平移动，并忽略土壤温度变化影响，地气的体积由V1转变为V2。根据玻意耳定律，P1V1=P2V2，则

ΔV=V2-V1=V1(P1-P2)/P2
=V0(P1-P2)/P2

(1)

式中，ΔV为地气的体积变化量(正值表示地气体积增大，有地气进入大气；负值表示地气下降，有大气进入土壤)；V1为气压为P1时的地气体积，通常视为与地表持平，即初始体积V0。那么，单位面积的地气体积为

V0=tn

(2)

式中，t为包气带厚度；n为土壤孔隙度。那么，地气在土壤(或建筑)中上升/下降的高度(h)为

h=ΔV/n=V0(P1-P2)/nP2=tΔP/P2

(3)

式中，ΔP为大气压由P1转变为P2时的大气压变化量。

2 研究区域状况与方法

研究区域位于莫高窟窟顶戈壁(40°02′14″N，94°47′38″E)，海拔1 350 m。该区潜水埋深(t)约为200 m，孔隙度约为25%。该区属于极端干旱气候，年降水量42.2 mm，潜在蒸发量为3 479 mm。太阳辐射强度可高达1.1 kW/m，年日照率71%；年平均相对湿度(RH)32%，年平均温度11.23 ℃，年平均风速为4.1 m/s。土壤富含盐分，0～50 cm含盐量在2.2%～9.2%之间，其中芒硝(Na2SO4)占50%以上。3.0 m以下空隙内空气RH常年保持100%，土壤含水量在1.0%左右；土壤通常只包含吸湿吸附水、结晶水和膜状水[14-19]。

为了研究该区深埋潜水蒸发和地气活动，笔者对该区域土壤内10、20、30、40、50、100、200、300、400、500、600 cm及地上200 cm的气压、温度、相对湿度(RH)、绝对湿度(AH)等进行了每10 min一次的长期监测。笔者选用2013年全年土壤内外大气压和2009年未受强降雨影响下的土壤温度、RH、AH，说明土壤内的温湿度梯度及气压的基本状况和变化规律，说明莫高窟壁画酥碱带的形成机理(2012年6月百年一遇的44.8 mm强降雨，2019年7月6日遭遇较强降雨40.2 mm导致10 cm以下土壤空气的RH一直保持在100%)。

3 结果与酥碱形成机理分析

3．1 地气年活动规律

土壤内外大气压年变化如图2所示。地气压强与外部大气压曲线几乎重合，整体随同步波动。说明地气与大气具有良好的联通性，互为一体。气压冬季较高夏季较低，呈“V”字形变化趋势，根据变化趋势线年变化量约为16 hPa。这意味着整体而言，从冬到夏有地气冒出地面，从夏到冬有大气进入地下。大气压年平均为861.2 hPa，在天气过程中，气压的变化幅度可达10～30 hPa。

图2 大气压与地气压强的年变化Fig.2 Annual variation of atmospheric pressure and earth-air pressure

3．2 地气活动对酥碱带形成的影响

在代表性晴朗天气下，大气压及土壤内RH、AH和温度如图3所示。

图3 监测数据Fig.3 Monitoring data

通常土壤内RH随深度的增加而增高。在浅层较大温度变化(图3d)影响下，RH和AH随温度变化：温度升高，土壤释放水汽，导致RH和AH升高，有时浅层AH甚至高于深层的[24]；反之，则降低。为了方便说明地气活动在近地面酥碱带形成中的作用，笔者忽略温度影响，以土壤RH(图3b)向下稳定递增为基本背景，以墙体结构为模型(图4)，说明地气升降对酥碱带形成的影响。

当大气压上升时，虽然地气压强也随之上升，但地气整体会被压缩，有干燥大气进入土壤，而土壤水分会迅速进入干燥大气使之转化为较潮湿的地气(图4a)；当大气压下降时，地气上升，有部分潮湿地气进入大气，但因外部大气较强烈对流、扩散影响而消散于无形(图4b)。如不考虑外部影响，将墙体看作理想的透气材料，且孔隙度与下层土壤一致，那么理论上根据公式(3)，地气在墙体中的运移高度为h。

图4 近地面墙体中地气的上升(a)和下降(b)示意图Fig.4 Schematic diagram of the rising earth-air (a) and falling earth-air (b) in the wall near the ground surface

反过来，若墙体两侧表层不透气，那么，根据公式(3)，由于它增加了一个墙体的高度而使包气带厚度增大，因此地气波动幅度将增大，在墙顶的出入量高于地表。而事实上，在透气性适当或墙体不太厚的情况下，墙体的透气性和蒸发会在下一次地气上升前释放完上升地气带来的水分，达成动态平衡。通常地气频繁上升的高度就是墙体内潮气活动的高度，也是酥碱发生的高度。

然而，如图3a，在连续气压下降(8．3 hPa)天气下，根据公式(3)，地气的上升高度可达1．9 m。在10～30 hPa的降压天气过程中，地气的上升高度可达2．3～7．1 m。显然，这样在波动幅度较大、频次较低的天气过程形成的高度应不是墙体酥碱带形成的高度，它应当受有规律、更稳定、更频繁的地气日波动的影响。

3．3 大气日变化与酥碱带高度

根据图2中大气压年变化，将每日不同时刻的气压(P)进行平均，即

(4)

式中，Pi(t)为每日在t时刻的气压；N为天数，这里为365天。那么，大气日变化如图5所示。

图5 大气压日变化Fig.5 Diurnal variation of atmospheric pressure

根据公式(3)，夜间和白天大气压下降时，地气在墙体中上升到的高度h分别为112 cm和28 cm。早晨和傍晚地气下降的深度分别为86 cm和54 cm。上升总高度与下降总高度相等，都为140 cm。这由地气活动机理决定的，地气“呼出量”与“吸入量”相等，整体上是平衡的。

3．4 地气活动与酥碱病害形成机制

在大气压日波动作用下，近地面墙体空气湿度干湿交替，使滞留盐分反复发生溶解-结晶。因温湿度状况、盐分种类不同，结晶体千变万化，有针状、簇状、块状等结晶破坏建筑结构，导致酥碱发生[25]。同时，与之相伴的还有孔隙内地气流动引起的风蚀和颗粒物冲击影响。下面结合图5和图3来做具体说明。

在22∶40～5∶00，大气压减小。根据公式(3)，地气上升28 cm(图3b)。潮湿地气进入墙体，墙体吸湿吸附水分，无水盐分结晶或有水盐分溶解。如莫高窟岩土富含芒硝，它在RH高于62.5%时发生潮解[25]，无水芒硝形成结晶，对墙体产生结构破坏，水汽转变结晶水。在更高RH下，部分结晶芒硝溶解变成液态。同时，在孔隙前端，之前因干燥而析出的部分结晶或失水盐分粉末会被地气吹出，成为土壤盐分排放的重要方式。在地气上升过程之中，墙体中上升的水汽会通过孔隙向外扩散蒸发。在地气下次上升之前，大部分来自地气的水分会扩散蒸发。蒸发量与孔隙度和地气上升高度之间存在微妙的平衡关系。通常在蒸发量一定的情况下，若孔隙度变大，地气上升不需要很高就可完成蒸发。反之亦然。如果孔隙度不变，外界条件使潜在蒸发量增大时，地气上升高度也会下降。

在5∶00～10∶50，大气压上升，地气压缩，干燥大气进入土壤86 cm。对于墙体而言，干燥上层空气的下移使得酥碱区湿度降低，结合水分迅速蒸发。同时，因为蒸发失水，芒硝溶液会形成结晶，已结晶芒硝变成无水芒硝粉末，并有少量盐分颗粒物随空气流动进入土壤。土壤水分的迅速蒸发使可溶盐分析出。部分盐分的结晶对墙体结构产生破坏。

在10∶50～17∶30，大气压下降，地气上升，在墙体内上升到112 cm。在此过程中，来自深层土壤的细颗粒物和上升气流首先会吹蚀土壤和墙体中粉末状盐分、风化墙体细颗粒物，对结晶盐分、墙体结构产生较强冲击，形成更多的颗粒物，最终对酥碱层产生重要的“风化”影响。另外，随着地气的上升，潮气到达酥碱病害层，未被吹走的粉状盐分会形成结晶，部分结晶盐分可能会溶解。

在大约6.67 h左右，地气上升112 cm，通常看来是相当缓慢的气体活动。但若将1 μm相当于1 m来计算对比的话，地气在墙体中的运动速度就相当于168 km的时速，在空隙中具有相当强的冲击和侵蚀力。若局部受“狭管效应”影响，流速则更快，破坏力更强。相比之下，水汽在墙体和土壤中的解吸附单纯扩散相当缓慢，不及地气运移的1%[26]。在该区10～30 hPa的天气过程中，地气活动的强度更大，对墙体的影响更强。通常地上发生沙尘暴时，气压波动较大，地下也在发生“飞沙走石的沙尘暴”。

在17∶30～22∶40，大气压上升，地气下降54 cm，干燥空气进入墙体和土壤。之前溶解的盐分就会结晶，而已结晶的盐分失水变成粉末，部分进入土壤。进入土壤的干燥空气会迅速得到土壤蒸发水分的补充，与5∶00～10∶50的地气下移相同，所不同的是运移速度和深度存在一定差异。之后，进入下一轮循环。

4 讨 论

4.1 影响酥碱带高度的因素

酥碱带形成高度是本研究的重点之一[27]。根据公式(3)，地气波动的高度与气压波动幅度、海拔和包气带厚度成正比，与当地大气压成反比(海拔高度决定大气压的大小，海拔越高，大气压越小，因此酥碱高度与海拔成正比)。地气上升高度是一个相对概念，与时间尺度有关。在年尺度上，年气压存在16 hPa的升降变化(图2)，根据公式(3)，h=tΔP/P2=2 000×16/(861.2-16/2)=375(cm)，可引起的地气总升降达375 cm。前半年上升，后半年下降。平均每日有2.1 cm的升降幅度。但实际高度可能并不完全随年变化增大，使变幅达375 cm。考虑到地气日升降变化的具体过程，不应连续累积升高。因为高度主要取决于日变化幅度，即前一日与后一日的对比，只要增加相对增加量(2.1 cm)即可，并不累加。因此，前半年要高于后半年2.1 cm。通常，地气白天10∶00～17∶00在墙体中的上升高度就是酥碱带形成的高度(H)。这与洞窟内壁画酥碱带高度基本吻合。

根据公式(3)，地气上升高度与孔隙度无关。但这是理想气体状态下，实际上地表之上的墙体孔隙度、透气性和厚度[28]等对地气上升高度有明显影响，干旱地区通常达不到计算高度。另外，如果墙体较薄或其孔隙度和透气性较大(尤其是粗孔材料)，有可能在地气逐渐上升过程中水汽就已经大量扩散，类似于地表一旦冒出地面就消散于大气，达不到H高度。

另外，公式(3)中地气上升高度与孔隙度无关，是指在整个包气带土壤及墙体的质地均匀的情况下。如果下层的土壤孔隙度较高，而墙体的孔隙度较低，那么上升高度会增高；反之，会降低上升高度。它与地气活动量成正比，与孔隙度成反比，可根据ΔP和n计算。通常H与酥碱带基本一致，酥碱是墙体对地气活动的综合响应。而受水汽扩散及长期累积盐分的影响，老旧酥碱带高度会略高于H。具体情况需要具体分析。

4．2 温度对墙体水汽RH、AH和酥碱速率的影响

图4是在忽略温度影响下，以稳定的RH为基础，示意地气升降对墙体影响的。事实上，墙体中RH和AH受温度的影响，都随温度的升高而升高，随温度的下降而下降，如图3中浅层土壤所示。如10∶50～17∶30受太阳辐射影响，温度升高，墙体水分蒸发，RH和AH增大。此时受上升地气的影响，蒸发量迅速增加，结晶盐分迅速失水。另外，墙体受走向(如东西走向或南北走向)影响，墙体内温度将是图3d的变形，因此RH和AH也随之改变，它们的峰值在出现时间和强度上有所变化。蒸发量受两个独立因子控制：温度控制AH，大气压波动幅度控制地气活动量，两者共同决定墙体酥碱带的蒸发量(E=ΔV×AH)[22]。因此，除了大气波动影响的地气数量外，温度的变化幅度也决定着水分蒸发强度和酥碱的速率。

夜间来自下层的水汽在经过酥碱带时大部分会被墙体吸收。白天，随着墙体温度的升高和AH的增大(可大于地气的AH，图3c)，上升地气通过时会得到土壤蒸发水分的补充，而后直接排放到大气中。墙体除了白天蒸发水分通过夜间吸收水分来平衡外，另有来自地下的薄膜水的持续补充，来维持地下水和蒸发之间的平衡[22]。通常，墙体较为干燥，吸收水分的潜力巨大，在较大温度变化下，来自地气的水分对RH和AH的影响会淹没在吸湿和温度影响之中。

5 结 论

通过敦煌莫高窟地气活动规律，揭示了以墙体为模型的近地面酥碱带形成机制。在大气压波动影响下，地气随大气压的增大而下降，随大气压的减小而上升，引起地气在墙体中上下运移，致使空气干湿交替，引起易溶盐分反复溶解结晶，从而导致近地面酥碱带的发生。长期的水分蒸发使近地面盐分富集，高盐分含量加速了酥碱带的形成。地气平均日波动上升高度就是酥碱带形成高度。酥碱带高度与包气带厚度、海拔和大气波动幅度成正比，与当地气压成反比。同时与大气压波动频率、天气过程、墙体厚度、透气性、温度等有重要关联，它们对酥碱带形成和高度有重要影响。基于地气活动理论的酥碱形成新机制的揭示为建筑防潮、土遗址保护、古建维修提供了新的科学依据。