臨洮哥舒翰紀功碑巖層礦物分析

［摘要］臨洮哥舒翰紀功碑保存至今已有1200年左右的歷史，現為省級文物保護單位。由于一直采取戶外半露天保存，長期日曬雨淋，碑體表面風蝕、風化嚴重，急需采取加固保護措施。在前期現狀調查基礎上，本研究工作運用偏光顯微鏡、X-射線熒光、X-射線衍射、掃描電子顯微鏡能譜分析，通過對石碑材質及臨洮砂巖礦物組成、構成及化學成分，巖石物理、水理與力學性質相關參數的測定，巖層構造結構、形態綜合分析。分析結果表明：石碑材質為砂巖，與臨洮地表砂巖礦物組成基本相同，顯然制作原料為就地取材；臨洮砂巖屬于細粒長石石英砂巖，礦物成分主要包括石英、長石（斜長石、少量的K-長石）、綠泥石、黑云母和含鈣質為主的膠結物，其中，含石英54%，斜長石16%，鈣質膠結物20%；石碑巖層孔隙度較大、吸水性高，石碑巖層鈣質膠結物含量高，易受外部環境因素影響和侵蝕，表面巖層易發生風蝕、風化；保存環境因素溫濕度頻繁變化，即溫濕度日較差值波動較大，致使石碑巖層結構易發生凍融、風化病害。總之，研究工作中運用多種測試、分析手段，所得出的實驗數據、分析結果與相關現狀調查結果相互印證，可以為后期方案的制定和實施提供信息和技術支撐。

［關鍵詞］ 哥舒翰紀功碑；砂巖；礦物；文物保護

［中圖分類號］G262 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1005-3115（2012）02-0114-03

哥舒翰紀功碑位于甘肅省臨洮縣城南大街，據《舊唐書·玄宗本紀》載，隴右節度使哥舒翰于天寶八年（749）攻克被吐蕃占據的石堡城，天寶十二年（753）又大破吐蕃于洮河流域，遂置洮陽郡，“置洮陽郡，筑神策、宛秀二軍”，故哥舒翰紀功碑應立于天寶十二年至十三年（753~754）。此外，臨洮地理位置特殊，自古為隴上名邑，絲路重鎮。歷代中原王朝和西北少數民族地方政權為爭臨洮這塊戰略要地，沖突不斷，甚至不惜兵戎相見，雖歷經多次戰火，但各民族始終能長期和睦、共建家園。哥舒翰紀功碑作為這段歷史見證的重要實物，能夠保存至今，實屬難得，為地方考古學、歷史學的綜合研究提供了十分珍貴的歷史信息和難得的實物資料，具有極高的文物價值。

從目前哥舒翰紀功碑保存現狀看，石碑距今已有1200多年歷史，方位坐北朝南，有三面磚壁維護（清代所建），頂部為硬山頂仿木結構屋檐。碑體由碑額、碑身兩部分組成，通體由整塊巨石雕琢，高約7.57米。原碑文據傳為唐明皇李隆基御筆，隸書，12行，現大部分已剝落，清《隴右金石錄》注錄時尚有99字，今僅存67字。由于是戶外半露天保存，碑體碑身部分與碑座巖層表面風蝕、風化程度嚴重，多呈片狀脫落且分層、層狀剝落，腐蝕病害有向巖體內部延伸、發展趨勢，急需實施搶救性加固保護。

2011年7月，受臨洮縣文化廣播影視局委托，甘肅省博物館就省級文物重點保護單位——臨洮哥舒翰紀功碑編制修復保護方案。在編寫方案期間，甘肅省博物館文物保護中心委派專業保護人員赴臨洮對哥舒翰紀功碑的保存情況進行了實地考察，開始收集有關文物的基本信息，并采集了石碑碑身、碑座、碑亭墻磚及建筑用材相關樣品6個；另外，采集了臨洮中鋪地區地表與石碑碑身、碑座相類似砂巖原生礦物2個。研究工作對這8個樣品的礦物組成、成分進行了偏光顯微鏡薄片鑒定分析、X-射線熒光分析（SRF）、X-射線衍射分析（SRD）、掃描電鏡（SEM）圖譜分析，對砂巖原生礦進行了礦物偏光顯微鏡觀察、薄片鑒定和顯微照相，對礦物物理、水理性能參數進行了測定；另外，綜合礦物分析結果，對分析數據、結果進行了對比、討論。本文著重介紹此次采集樣品的實驗測試情況及分析結果。

一、文物保存現狀及病害狀況

從目前哥舒翰紀功碑當前的保存現狀看，由于石碑坐北朝南，易受日曬雨淋。石碑基本結構組成分為碑體、碑座和碑亭三部分，其中，碑體包括碑額和碑身；碑座依下而上為四層砂巖巖石壘砌而成；碑亭為清代狄道州知州田自福修建，在外圍對碑體起到維護作用。由于一直采取戶外露天半露天保存，長期遭受環境影響、侵蝕，碑身、碑座巖層表面風化、風蝕特征明顯，碑文大部分已脫落，脫落邊緣漫漶不清，而且文字脫落隨著表面風化有蔓延的趨勢。從石碑病害狀況看，巖層表面多為片狀脫落，局部變現為分層、層狀剝落，風化層厚度為1~2厘米，石碑保護形勢嚴峻，刻不容緩。此外，1996年在對石碑進行維護時，曾采用水泥材料對碑身、碑座局部殘缺、縫隙部位實施加固、修補等措施，不同程度地改變了石碑原貌，石碑保存現狀及病害狀況（見表1）。

二、石碑及砂巖礦物組成測定

（一）石碑材質

石碑制作材質為砂巖，制作原料為就地取材。因為在臨洮中鋪一帶的地表含有較豐富的砂巖地層。從砂巖礦層形成看，砂巖屬于沉積巖，通常由石粒經過水沖蝕沉淀于河床上，經千百年的堆積變得堅固而成，后因地球地殼運動從而形成礦山；從砂巖組成及化學成分看，砂巖由石英顆粒（沙子）形成，結構穩定，通常呈淡褐色或紅色，主要含硅、鈣、黏土和氧化鐵；從砂巖巖層結構、形態看，砂巖作為沉積巖，主要由砂粒膠結而成的，其中砂粒含量要大于50%，絕大部分砂巖是由石英、鉀長石組成。

此外，從碑體巖層礦物組成、成分分析結果對哥舒翰紀功碑制作材質得到了印證，分析結果表明：哥舒翰紀功碑材質屬于細砂巖，主要礦物成分為石英、斜長石和鉀長石。石碑及臨洮砂巖巖石礦物組成對比分析結果（見表2）。

（二）砂巖礦物組成

研究工作對礦物構成進行了實驗測試，測定結果表明：臨洮地表砂巖為細粒長石石英砂巖，其礦物組分包括石英、斜長石、鉀長石、黑云母、綠泥石和電氣石等碎屑物，砂粒粒度主要介于0.05~0.25毫米，以次棱角狀-圓狀為粒狀碎屑物的主要形態，而膠結物中鈣質的含量高，易與酸能強反應。實驗測定結果（見表3）。

（三）砂巖礦物化合物測定

研究工作采用日本理學ZSX Primus ⅡX熒光光譜儀對砂巖礦物化學成分進行了定量測定，儀器隸屬國土資源部蘭州礦產資源監督檢測中心（甘肅省中心實驗室），測定條件：端窗式Rh靶，高頻變頻，額定電壓60千伏，電流150毫安，測試時間200秒。臨洮地層砂巖礦物化學成分測定結果（見表4）。

（四）物理性質

研究工作對臨洮砂巖巖石物理、水理與力學性質相關參數進行了實驗測定，實驗結果表明，臨洮砂巖的孔隙度較大，吸水性強，抗風化能力較差。實驗測定結果（見表5）。

三、巖層礦物結構與形態分析

（一）薄片偏光顯微分析

巖石薄片分析是通過偏光顯微鏡來鑒定巖石和礦物。一般是將礦物或巖石標本磨成薄片，在偏光顯微鏡下觀察礦物的結晶特征，來確定巖石的礦物成分，研究其結構、構造及風化特征。薄片實驗儀器隸屬于國土資源部蘭州礦產資源監督檢測中心（甘肅省中心實驗室），分析采用德國蔡司Zeiss Axioskop 40型偏光顯微鏡。

薄片鑒定結果表明，巖石結構為細粒砂狀結構的塊狀構造，碎屑物中的礦物成分成熟度較高，巖層礦物組分分布均勻，具有長軸無定向性。石英碎屑晶面亮凈，但普遍消光不均勻；斜長石的聚片雙晶細密；鉀長石屬格子雙晶發育的微斜長石，晶面相對亮凈。此外，礦物中膠結物組分較復雜，而且在局部較富集，主要以鈣質為主，含少量硅質和鐵質；鈣質膠結物完全以晶面亮凈的亮晶方解石的形態分布于碎屑物顆粒之間，方解石的顆粒大小為0.02~0.3毫米；硅質膠結物主要以石英碎屑的自生加大形態存在；微量鐵質膠結物以隱晶質集合體的形態分布在碎屑物的邊緣，從而使巖石整體外觀顏色呈褐色。

礦物結構薄片結果，碎屑物主要包括石英（Q）、斜長石（Pl）、鉀長石（Kf）和黑云母（Bi），膠結物主要為鈣質方解石（Cal）形成基底式—孔隙式膠結類型。

（二）礦物X-射線衍射分析

分析工作采用德國Bruker AXS D8型X射線衍射儀，儀器隸屬于蘭州理工大學材料學院，其測試條件為：Cu·Ka靶，管壓40千伏，管流40毫安，寬度0.02度，掃描速度2.0度/米。

實驗對采自臨洮砂巖與石碑碑身、碑座、墻磚及墻體所用建筑材料樣品進行X-射線衍射分析，分析結果表明：臨洮砂巖與石碑碑身、碑座的巖石礦物及墻磚黏土礦物組成基本相同，而墻磚礦物成分以硅酸鹽類黏土礦物為主；另外，在早期修建碑亭時，曾經使用石灰石作為碑墻墻體的建筑用材，目前這種建筑工藝一直在使用而且較為普遍。樣品X-射線衍射分析結果（見表6）。

（二）礦物電鏡分析

分析工作對臨洮地層砂巖礦物結構進行了電鏡分析，采用日本電子JSM-6700掃描電鏡對滲透加固前后的結構進行觀察和研究，儀器隸屬蘭州理工大學材料學院，測定條件：高倍模式圖像采集（LEI），加速電壓5.0千伏。

臨洮砂巖巖層SEM分析結果表明：巖石巖層結構中的碎屑物和膠結物分布均勻，礦物碎屑物中長石、石英砂粒與鈣質等膠結物結合較好，巖石砂粒結構清晰，層次分明，且立體感強烈；巖層礦物間或礦物內密布有微孔隙與空洞十分發育，這些孔隙和空洞的存在保證砂巖巖石具有良好的吸水性能，同時水能沿孔隙通道活動，造成石碑表面鹽類的聚集。另外，由于巖層結構具有較高的孔隙度，若外部保存環境因素溫濕度頻繁變化時，尤其是溫濕度日較差值波動較大時，容易發生凍融現象，使巖層結構遭到破壞。

四、結論

本研究工作對哥舒翰紀功碑材質及臨洮砂巖礦物組成、化學成分及物理性質與結構進行了實驗測定和儀器分析，分析結果表明：石碑材質屬于砂巖，與臨洮地層砂巖礦物組成、構成成分基本相同；石碑巖層孔隙度大、吸水性高，而且含鈣質膠結物含量高，易遭受外部不存環境侵蝕，材質表面巖層易發生風蝕、風化；當前一直采取戶外保存方式，保存環境因素即溫濕度日較差值變化、波動較大，致使石碑巖層易發生凍融、風化病害。此外，分析工作運用X-衍射分析、X-熒光分析、偏光顯微鏡與掃描電鏡現代測試技術，對石碑及臨洮砂巖礦物結構、形態進行了科學測試和嚴謹分析，使實驗數據、分析結果與前期現狀調查結果得到相互印證，為后期保護方案制定、實施提供信息資料和技術支撐。