高原大溫差環(huán)境下西藏巖畫風(fēng)化試驗(yàn)研究

葉唐進(jìn) 安 陽 張永昇 顧學(xué)穎

（西藏大學(xué)工學(xué)院 西藏拉薩 850000）

高原大溫差環(huán)境下西藏巖畫風(fēng)化試驗(yàn)研究

葉唐進(jìn) 安 陽 張永昇 顧學(xué)穎

（西藏大學(xué)工學(xué)院 西藏拉薩 850000）

西藏地區(qū)擁有非常豐富的露天巖畫文物。由于露天巖畫日曬雨淋，并受到凍融循環(huán)、鹽風(fēng)化及熱力風(fēng)化等作用，巖畫受到損壞。文章通過對(duì)西藏巖畫樣品，在室內(nèi)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)、波速測(cè)試和單軸壓縮試驗(yàn)，得到了巖畫風(fēng)化的主要成因、風(fēng)化速度及風(fēng)化機(jī)理。

巖畫；風(fēng)化機(jī)理；風(fēng)化速度；凍融循環(huán)

引言

西藏是藏傳佛教圣地，板巖和花崗巖上刻畫各種經(jīng)文和佛像的現(xiàn)象較為常見。在海拔高、紫外線輻射強(qiáng)、晝夜溫差大、反復(fù)凍融循環(huán)破壞嚴(yán)重及鹽害作用明顯的西藏高原露天環(huán)境，各種風(fēng)化作用較為強(qiáng)烈，巖畫不斷受到侵蝕損壞。從圖1可看出，巖畫風(fēng)化受損，佛像已經(jīng)模糊不清；從圖2可清晰看到巖畫發(fā)生鱗片狀剝落較為嚴(yán)重，尤其是1#、2#和3#部位，巖畫損壞較為突出，導(dǎo)致巖畫表面圖像難以辨識(shí)。

關(guān)于巖畫風(fēng)化的研究，張曉霞[1]在賀蘭山巖畫風(fēng)化狀況調(diào)查中，對(duì)巖畫附近巖石進(jìn)行劈裂、單軸、三軸及剪切力學(xué)試驗(yàn)并進(jìn)行X射線、電子顯微鏡掃描，得到溫度變化、風(fēng)沙剝蝕使巖石表面疏松多孔、風(fēng)化嚴(yán)重的結(jié)論。郭宏等[2]對(duì)花山巖畫的保存現(xiàn)狀和環(huán)境溫濕度及風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行了調(diào)查，運(yùn)用XRD分析、偏光顯微分析和化學(xué)全分析，指出巖畫物理風(fēng)化的最主要原因是高濕度環(huán)境，風(fēng)向、風(fēng)速、光輻射、溫差為次要因素。丁梧秀等[3]對(duì)龍門石窟圍巖的風(fēng)化特征和風(fēng)化作用進(jìn)行了調(diào)查研究，認(rèn)為研究區(qū)對(duì)巖畫的破壞以熱脹冷縮、冰劈作用的物理風(fēng)化和根劈作用的生物風(fēng)化為主，化學(xué)風(fēng)化影響相對(duì)較小。

這些研究雖然取得了一定的成效，但對(duì)于西藏的高海拔、晝夜溫差、紫外線、反復(fù)凍融循環(huán)及鹽害作用對(duì)巖畫風(fēng)化的影響方面的研究，目前無人涉及。因此，本課題采用實(shí)地風(fēng)化狀況調(diào)查并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)巖樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)、波速測(cè)試和單軸壓縮試驗(yàn)，分析了西藏巖畫風(fēng)化的主要因素、風(fēng)化速率及風(fēng)化機(jī)理。

圖1 風(fēng)化的巖畫照片

圖2 風(fēng)化剝蝕的巖畫照片

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

巖畫屬于室外不可移動(dòng)的石質(zhì)文物，基本都是就地或就近取材經(jīng)過雕琢而成。巖石的力學(xué)性質(zhì)是由組成巖石的成分、裂隙、結(jié)構(gòu)層理和賦存條件等所決定，因此不同巖石的力學(xué)強(qiáng)度相差較大。巖石礦物成份及性質(zhì)、裂隙以及結(jié)構(gòu)面的斷裂程度在某些自然因素作用下會(huì)繼續(xù)發(fā)育、逐步擴(kuò)大，導(dǎo)致巖石的力學(xué)性質(zhì)變?nèi)鮗4]。因此，本文采用凍融循環(huán)機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行加鹽凍融循環(huán)不同次數(shù)，運(yùn)用CTS-25型非金屬超聲波檢測(cè)儀測(cè)試樣品的波速，采用SANS微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)試樣品的力學(xué)性能。

1.2 試樣制備

西藏巖畫幾乎都刻畫在花崗巖和板巖之上，因此在巖畫附近選取花崗巖和板巖相似的石材，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用鉆孔取芯機(jī)制作試樣。標(biāo)準(zhǔn)樣品尺寸為：高×直徑=100mm×50mm,完全滿足《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范要求L(高度)：D(直徑)=2：1的試樣尺寸要求。將花崗巖編號(hào)為A系列，板巖編號(hào)為B系列，A、B系列各5組，每組各3種樣品，共計(jì)30種樣品。

凍融循環(huán)試驗(yàn)是通過控制巖體所處環(huán)境溫度，反復(fù)進(jìn)行凍結(jié)和融化，模擬試樣在天然氣象條件下發(fā)生的凍融過程。根據(jù)西藏多年最高氣溫（29.4℃）和最低氣溫（-16.5℃），確定樣品凍融循環(huán)試驗(yàn)的凍融溫度分別為30℃和-20℃。將樣品在蒸餾水和NaCl溶液中浸泡飽和后進(jìn)行凍融循環(huán)，先凍12h，再融12h。如此反復(fù)凍融不同次數(shù)，再測(cè)試其波速和力學(xué)性能，具體凍融試驗(yàn)方案見表1。

表1 凍融試驗(yàn)方案

1.4 波速測(cè)試試驗(yàn)

圖3 聲波測(cè)試示意圖

1.5 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計(jì)

單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石試樣抵抗單軸壓力時(shí)保持自身不被破壞的極限應(yīng)力，是巖石力學(xué)最基本的指標(biāo)之一[6]。為了分析試樣經(jīng)過凍融循環(huán)后的力學(xué)性能，文章采用單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)試樣品的單軸抗壓強(qiáng)度，運(yùn)用SANS微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，采用位移控制的加載方式，加載速率為0.002mm/s，垂直方向最大載荷1000KN，垂直方向最大位移5mm，水平方向最大位移2.5mm。單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)見圖4。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 波速的變化

根據(jù)超聲波測(cè)試數(shù)據(jù)，得出花崗巖和板巖各試樣凍融不同次數(shù)的波速和波速差，見圖5。

從圖5可以看出，板巖和花崗巖凍融后的波速比凍融前的波速明顯降低，凍融次數(shù)越多，波速差就越大。鹽水飽和浸泡凍融后的波速比蒸餾水飽和浸泡后的波速低，板巖凍融前后的波速差值比花崗巖凍融前后的波速差值低。表明，凍融循環(huán)及其次數(shù)、是否浸泡鹽水、巖性等對(duì)樣品的波速均有較大影響，在同等工況條件下，花崗巖比板巖波速下降快。

以學(xué)生為中心的教學(xué)改革是教育思維模式的顛覆性變革，“關(guān)鍵是將教與學(xué)的重心真正地轉(zhuǎn)變到以學(xué)生為中心的教育上來，實(shí)現(xiàn)從以教為中心到以學(xué)為中心的轉(zhuǎn)變”［1］。把這一理念落實(shí)到教學(xué)實(shí)踐中并不是一件容易的事，這既涉及到教師的教學(xué)習(xí)慣，又與學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣有關(guān)。就教學(xué)本身的目的而言，這一理念也應(yīng)運(yùn)用于指導(dǎo)成人教育。我們這里提出的“以學(xué)習(xí)者為中心”，不僅強(qiáng)調(diào)在教學(xué)中要以學(xué)生為中心，更要明確指出，教育教學(xué)的一切工作都要以學(xué)生為中心，真正地把提高學(xué)生的核心能力作為成人教育的中心任務(wù)。

圖4 巖心單軸抗壓試驗(yàn)照片

圖5 花崗巖和板巖凍融前后波速及波速差

圖6 花崗巖風(fēng)化等級(jí)圖

圖7 板巖風(fēng)化等級(jí)圖

2.2 風(fēng)化等級(jí)分析

式中VP0為新鮮巖石縱波速度（m/s）；VP為風(fēng)化巖石縱波速度（m/s）。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》得出西藏巖畫在各種工況下的風(fēng)化等級(jí)。

花崗巖和板巖各組試樣經(jīng)凍融循環(huán)試驗(yàn)后風(fēng)化等級(jí)見圖6和圖7。

根據(jù)圖6可得，花崗巖試樣在凍融30次和60次情況下，浸泡鹽水比浸泡蒸餾水的風(fēng)化等級(jí)高，表明在凍融循環(huán)中巖石內(nèi)部鹽分將加深花崗巖風(fēng)化程度，加快風(fēng)化速率。試樣在浸泡蒸餾水條件下，凍融30次與60次后風(fēng)化等級(jí)差別不大；在浸泡鹽水條件下，凍融30次與凍融60次后風(fēng)化等級(jí)差別也很小。這并不表明凍融60次與30次巖石內(nèi)部劣化效果是一樣的，恰恰說明了巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化的加深。究其原因是試樣內(nèi)部的微裂隙和孔隙中的水凍結(jié)成冰充滿空腔，產(chǎn)生巨大的凍脹力，使部分微裂隙和孔隙隨著凍融次數(shù)的增加逐漸擴(kuò)大、貫通。因超聲波在水中傳播速度約為1450m/s，大于空氣中340m/s的傳播速度，凍融60次與30次的風(fēng)化等級(jí)差別反而不大[8]。

從圖7可看出，板巖試樣在凍融30次和60次情況下，浸泡鹽水比浸泡蒸餾水風(fēng)化等級(jí)要高，風(fēng)化速度更快，表明鹽分在板巖凍融過程中加劇了風(fēng)化作用。板巖試樣在浸泡蒸餾水條件下，凍融60次與30次風(fēng)化等級(jí)差別不大；在浸泡鹽水條件下，凍融60次與凍融30次風(fēng)化等級(jí)相差較小，究其原因是與花崗巖凍融循環(huán)情況相似、原理相同。

2.3 單軸抗壓強(qiáng)度分析

通過試驗(yàn)，將兩類巖石各組3個(gè)巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度取平均值。兩類巖石各組試樣單軸抗壓強(qiáng)度見圖8。

圖8 花崗巖和板巖單軸抗壓強(qiáng)度平均值

根據(jù)圖8可以看出，花崗巖和板巖在未經(jīng)凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)抗壓強(qiáng)度最大，分別為29.25Mpa和12.93Mpa；經(jīng)過凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度逐漸減小，表明凍融循環(huán)及其次數(shù)對(duì)巖石的風(fēng)化破壞十分顯著。試樣分別在浸泡蒸餾水條件下凍融30次、浸泡鹽水條件下凍融30次、浸泡蒸餾水條件下凍融60次、浸泡鹽水條件下凍融60次之后，單軸抗壓強(qiáng)度逐漸減小，但減小幅度較小。表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，巖石的風(fēng)化破壞程度逐漸加深。同時(shí)，浸泡鹽水加劇巖石強(qiáng)度的減小。

從圖8可以看出，板巖的單軸抗壓強(qiáng)度普遍比花崗巖小，這是由花崗巖和板巖的巖性決定的。花崗巖和板巖經(jīng)過同等條件凍融循環(huán)試驗(yàn)后，花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度減小幅度比板巖大，表明在相同的環(huán)境下花崗巖的風(fēng)化速率較板巖快。

3 結(jié)論

通過對(duì)西藏巖畫風(fēng)化現(xiàn)狀調(diào)查，采用凍融循環(huán)、超聲波測(cè)試以及單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)巖畫風(fēng)化機(jī)理及風(fēng)化速率進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

①凍融循環(huán)及次數(shù)是巖畫風(fēng)化的主要作用因素，鹽分的存在加劇了風(fēng)化速度。

②在同等凍融循環(huán)條件下花崗巖比板巖風(fēng)化速率快，且與兩種巖石的巖性及結(jié)構(gòu)面等特性有關(guān)。

[1][4]張曉霞.賀蘭口巖畫風(fēng)化機(jī)理研究及其保護(hù)材料探索[D].銀川：寧夏大學(xué),2014.

[2]郭宏,韓汝玢,黃槐武,等.廣西花山巖畫物理風(fēng)化機(jī)理及其治理[J].文物科技研究,2004(00)：97-106.

[3]丁梧秀,陳建平,馮夏庭,等.洛陽龍門石窟圍巖風(fēng)化特征研究[J].巖土力學(xué),2004,25(1)：145-148.

[5][8]蘇偉.凍融循環(huán)對(duì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)及邊坡穩(wěn)定性影響的研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙礦山研究院,2012.

[6]周宇翔.西藏高海拔地區(qū)凍巖凍融循環(huán)過程中劣化規(guī)律研究[D].成都：西南交通大學(xué),2015.

[7]孟田華.云岡石窟風(fēng)化的綜合分析研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2014.

Study on theweathering testof rock paintingsunder the large temperature variation in the Tibetan Plateau

Ye Tang-jin An Yang Zhang Yong-sheng Gu Xue-ying
(SchoolofEngineering，TibetUniversity，Lhasa850000，Tibet)

There aremany open rock painting cultural relics in Tibet.The rock painting have being damaged constantly in Tibet due to the effect of the sun and rain,freeze-thaw cycles,salt and thermalweathering.The main causes ofweathering rockpainting,weathering speed and weatheringmechanism were obtained by field investigation,the freeze-thaw cycle test,wave velocity testand uniaxial compressive test.

rock painting;weatheringmechanism;weathering speed;freeze-thaw cycle

10.16249/j.cnki.54-1034/c.2016.02.005

O347

A

1005-5738（2016）02-031-006

[責(zé)任編輯：索郎桑姆]

2016-07-15

2016年度西藏自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于西藏高原大溫差環(huán)境下不同巖石類型石質(zhì)文物（巖畫）的風(fēng)化速率及風(fēng)化機(jī)理研究”（項(xiàng)目號(hào)：2016ZR-15-7）；2015年度西藏自治區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“西藏巖畫的風(fēng)化速率和風(fēng)化機(jī)理研究”（項(xiàng)目號(hào)：2015QCX029）階段性成果。

葉唐進(jìn)，男，土家族，貴州銅仁人，西藏大學(xué)工學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害。