龍門石窟鮞粒灰巖劣化試驗

嚴紹軍 田世瑤 陳建平 竇彥 方云

內容摘要：龍門石窟鮞粒灰巖自然破壞相對嚴重，且自身存在相對特殊風化現象。為研究該類巖石風化機理，在室內設計了酸劣化及凍融試驗。通過試驗表明，在相對恒定的酸性、水體流動環境條件下，鮞粒灰巖風化明顯，出現類似現場的風化現象。在風化影響因素方面，pH值影響明顯，H+離子濃度越高，風化速度越快。溶蝕后不溶物在一定程度上會降低鮞粒間鈣質成分的溶蝕，形成局部相對封閉的環境，降低溶蝕速度。而凍融這種物理風化對鮞粒灰巖影響不是太明顯，這一現象應該與鮞粒自身與基質間熱力學性質相對一致、鮞粒灰巖吸水性低有關系。

關鍵詞：龍門石窟；鮞粒灰巖；劣化試驗

中圖分類號：P589.1 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2018）03-0038-06

Abstract： The natural damage to cave structures sustained by the oolitic limestone at the Longmen Grottoes is relatively extensive and exhibits a unique pattern of erosion. Acid deterioration， freezing， and thawing deterioration experiments were designed to study the weathering mechanism of this limestone， the results of which show that in an environment of constantly flowing， acidic water， the oolitic limestone weathering process is remarkably similar to natural conditions. Among all the factors of erosion， the influence of the pH value is obvious，wherein the higher the H+ ion concentration is， the faster the weathering speed will be. During the erosion simulation it was shown that indissoluble reaction products can to some extent reduce the disolution speed of the calcite between oolites and form a relative isolation environment. The effect of physical weathering on the oolitic limestone is not particularly obvious because the thermodynamic properties of the oolite is relatively equal to that of the underlying substrate and has a low degree of water absorption.

Keywords： Longmen Grottoes； oolitic limestone； deterioration test.

1 前 言

鮞粒灰巖是在龍門石窟廣泛分布的巖石類型，具有非常特殊的風化現象。一般認為，鮞粒是環境溫度高、海水蒸發量大的時候，在海水的攪動下，CO2氣體溢出、過飽和的碳酸鈣包裹懸浮的碎屑物質條件下，形成的一種特殊的灰巖粒狀物質。也有人認為鮞粒灰巖的形成是一個復雜的生物過程[1]。豫西地區鮞粒灰巖的分布受當時古地貌環境控制，具有一定時空規律性[2]。總的說來，目前對鮞粒灰巖的研究一般集中于鮞粒灰巖的現象、成因、地質環境等，對龍門石窟這種特殊灰巖本體的風化破壞機理缺乏足夠的認識。前期將其視作普通灰巖進行過相關工作[3]，但針對性不強。因此，本次工作主要通過對龍門石窟鮞粒灰巖特征進行詳細研究，并開展相應的風化模擬試驗，來探討這類巖石在石窟環境下風化的控制因素。

鮞粒灰巖在龍門石窟南段寒武紀地層中發育。野外觀察鮞粒普遍呈黑色顆粒狀，基質顏色稍淺，鮞粒呈帶狀富集，總體含量在50%以上，鮞粒的形成與該地層總的沉積環境密切相關。造像風化程度明顯較非鮞粒灰巖段要強，風化后顆粒感強，另外出現類似砂巖風化的砂糖狀。

龍門石窟鮞粒粒徑在250—500？滋m之間，主要類型為薄皮鮞，含有少量橢形鮞、放射鮞及橢形放射鮞（圖1）。研究區鮞粒多發生重結晶作用及壓溶作用，使其內部結構不明顯。各層均可見球形殘余顆粒，可以看到破碎的鮞粒，部分鮞粒內部發生交代作用，可看到自形白云石結晶。鮞粒的核心多由磨圓的碎屑及有空蟲等生物碎屑組成，鮞粒的形狀多受核心的形態影響[4]。

從電子探針測試可以看出（圖2），鮞粒的主要礦物成分為白云石，膠結物主要為灰巖，這種礦物成分組合關系在鮞粒灰巖中是比較少見的，但在龍門石窟卻非常普遍。白云石成為鮞估計與當時的特殊氣候環境或者后期交代有一定關系。

在調查中發現，雨水沖刷區和凍融區的巖石風化非常嚴重，為研究這種鮞粒巖石的風化過程，本次研究設計了酸溶蝕試驗和凍融試驗。

2 酸溶蝕模擬試驗

2.1 試驗設計

以該地區典型的鮞粒灰巖為材料，開展模擬酸雨作用下的溶蝕破壞試驗。受環境條件影響，龍門石窟酸雨在歷史上比較嚴重，近年來有所好轉。另外石窟區頂部目前植被茂盛，一般土壤中生物形成CO2濃度為大氣中100倍，加上植物有機酸溶解于雨水中。因此，降雨期間沖刷石窟表面的水體為具有良好溶蝕能力的酸性水體[5]。本試驗配置了pH值為3、4、5酸性緩沖溶液，用于模擬降雨形成的表面流對巖石表面的沖刷溶蝕作用，研究動水條件下，不同溫度、不同pH值環境中鮞粒灰巖的質量、尺寸、微觀形態的變化規律，以及反應殘留物對溶蝕過程的影響[6]。整個系統為開放系統，不考慮CO2分壓，每次反應時間為12h，試驗溫度設置為35℃與15℃，每個溫度下，配制3組不同pH值的緩沖溶液，每組分別有3個樣品，樣品質量為7—8g，片狀方形。編號及配制方法如附表所示。

2.2 結果分析

首先從形態上可以看出，在酸性環境下，鮞粒灰巖基質風化明顯強烈，方解石晶體溶蝕后形成次生粉末狀物，而鮞粒的風化程度相對要弱一些，白云石晶體間殘留的方解石出現局部的溶蝕現象（圖3）。隨溶蝕不斷發育，鮞粒與基質之間的界限逐漸清晰，鮞粒形態更為明顯，在鮞粒外周形成一圈白色的溶蝕環。形成溶蝕環的現象應該與鮞粒方解石表皮礦物成分相關。在低濃度的（pH=5）的樣品中，溶蝕環發育更為明顯（圖4），這種現象應該與pH值高的溶液中，白云石與方解石的差異風化比較明顯有關系。

本次試驗采用相對恒定的pH值進行溶蝕，模擬動態水體沖刷作用，樣品的溶蝕速度主要受樣品表面尺寸、pH值及溫度等因素影響。

pH值對該類巖石的溶蝕速度的影響非常明顯（圖5），總的說來，pH值越低，溶蝕速度越快。在pH值為3的溶液中，巖石表面迅速溶蝕，并產生大量的次生產物，覆蓋在樣品表面，隨著不溶物的增加，反應速度逐漸減緩。而pH值為5的樣品反應比較緩慢，在動蕩（類似自然流水）環境條件下，次生產物隨水流失，反應速度基本保持不變。文物表面風化產物的抗溶蝕能力一般遠遠大于石窟巖體本身，這種次生的“污染物”在一定程度上隔離了酸性水體對文物的侵蝕。因此，對于龍門石窟文物表面的污染物，也應該辯證地看待，一些不合理的清理，可能會加劇文物本體的風化。

試驗表明，龍門石窟鮞粒灰巖溶蝕與溫度有一定關系。在pH值為3、4的樣品中，15℃環境下樣品溶蝕速度較35℃時明顯要快一些，而在pH值為5條件下，兩種溫度環境對樣品的溶蝕速度的影響就不是太明顯。形成這種現象的原因如下：鮞粒灰巖溶蝕是以粒間灰巖為主，高溫環境下，巖石與溶液接觸后，產生的次生不溶物速度過快，迅速擠滿顆粒間的溶隙，在裂隙局部形成了相對封閉的環境條件，減緩了后續反應發生。在粒間裂隙被填充后，主要反應發生在鮞粒本身，而鮞粒結構密實，成分以白云石為主，這種情況下，鮞粒控制溶蝕速度。而在相對低溫環境下，反應速度稍慢，鮞粒間的次生產物能夠較好流失，整個反應以顆粒間方解石溶蝕為主，速度較快。PH值為5的溶液中，H+濃度低，初期反應速度慢，導致鮞粒間阻溶現象并不明顯，溫度對溶蝕速度的影響并不顯著。

通過上述試驗，可以得出，石窟區鮞粒灰巖砂糖狀風化，主要是因為鮞粒間方解石風化速度遠大于鮞粒本身形成，而要減緩該灰巖風化速度，其關鍵是控制粒間物質的溶蝕。

圖6為樣品體積損失曲線。測試結果與質量損失規律基本一致，但pH值為3、4時，在不同溫度下體積損失幅度差別不大，這是因為次生的溶蝕產物結構疏松，在一定程度上抵消了質量流失導致的體積變化。另外，這種鮞粒溶蝕還是以粒間損失為主，雖然質量損失已經比較明顯了，但是在鮞粒脫離樣品之前，體積仍然得以維持。

3 凍融模擬試驗

3.1 試驗方案

據現場監測，龍門石窟崖壁表面溫度波動幅度非常大，特別是冬季，存在一定凍融現象[7]。從前面的分析看，鮞粒灰巖鮞粒與基質間存在明顯的差異性，這種差異性為水體滲入提供了條件。另外在熱脹冷縮的過程中，不同成分及結構的礦物形成差異性變形，形成擠壓作用而產生內因力，導致巖石結構破壞，出現物理風化。龍門石窟所在地區夏季炎熱，最高溫度可達40℃，尤其西山石窟日間受太陽直射，巖石表面溫度更高；冬季最低溫多低于-5℃，最低可達-10℃，以極值溫度來確定凍融循環溫度，設置為-15℃～35℃，以24h為一個循環周期。試驗步驟如下：（1）清洗試樣表面，在105℃下烘干24h，測量試樣質量、直徑、高度，為每個試樣拍照；（2）將試樣浸泡于蒸餾水中48h，使其自然飽水，然后放入真空飽和缸中，抽氣2h，注水后，繼續抽氣6h，真空飽水，測量飽水后的質量、波速；（3）將試樣取出放于托盤上，放入低溫冷凍箱中8h，溫度設置為-15℃；（4）將試樣浸泡于35℃的蒸餾水中16h，溫度由恒溫箱控制，取出后擦干試樣，測量試樣的質量、波速，一個循環為24h；重復步驟（3）、（4），試樣循環到次數30、60、80、90、100；（5）將試樣進行單軸抗壓強度測試，研究試樣強度變化規律。

3.2 結果分析

衡量凍融對巖石的破壞主要通過質量損失、強度衰減及微觀結構等來判斷。

圖7為樣品的質量衰減曲線。從試驗結果可以看出，得到的測試結果在圖中表現出較強的離散性，但整體呈減小的趨勢。在凍融100次以后，試樣質量變化都在1g以內，且多數小于0.5g，相較于試樣本身質量，小于0.1%，其變化為一個很小的值。從樣品破損形態看，破損部位具有一定離散性，一般出現在局部凸出、裂隙發育等部位，樣品鮞粒與基質之間并未出現明顯的破裂。圖8為凍融100次前后樣品的照片。除了10號樣中微觀裂隙（圖中黃色部位）有輕微擴展、延伸更為清晰外，鮞粒本身及基質并無明顯的破損。

為分析凍融過程中，樣品強度變化，采用超聲波測試樣品凍融過程中的波時，結果如圖9。從測試結果看，巖石在初期基本上無明顯的衰減，各樣品在凍融40次以后，略微有波時增加，波速降低現象。

對不同循環次數巖石進行抗壓強度測試，巖石強度無明顯的衰減，強度變化與凍融次數基本無相關。這種強度差異主要是巖石樣品的不均勻性而形成。

也就是說，在凍融100次測試結果內，巖石的強度基本無損失（圖9），質量損失率在1%以下，這種變化基本可以忽略。本次試驗結果與已有成果結論有所出入，初步分析本次凍融試驗設置以巖石所處真實環境為前提，凍融劣化效應雖然比較符合實際，但劣化程度要弱而致。

龍門石窟鮞粒灰巖整體強度極高，一般大于90MPa，屬于堅硬巖。在這種環境條件下，鮞粒本身與基質之間的熱力學性質差異并不容易形成巖石的結構性破壞，加上吸水率又很低，一般小于1%。因此一般的物理風化對本鮞粒灰巖影響不是很明顯。凍融效應應該與酸劣化疊加時，才更為顯著。

4 結 論

張夏組鮞粒灰巖差異風化嚴重，主要表現為片狀風化、鮞粒剝落，特別是以砂糖狀風化最為明顯。在龍門石窟造像中，鮞粒灰巖石窟相對于其他地層石窟風化更為顯著。

鮞粒的主要成分以鎂質的薄皮鮞為主，表皮及基質以鈣質為主。鮞粒本身結構比較致密，而基質結晶較好，屬于亮晶灰巖。

鮞粒灰巖抗溶蝕能力很差，基質與鮞粒抗溶蝕能力具有顯著差異性。這種溶蝕作用主要順鮞粒間基質首先發育，而過快形成次生礦物可能降低鮞粒灰巖的溶蝕速度。鮞粒本身以白云巖為主，其抗溶蝕能力明顯好于基質。

龍門石窟鮞粒灰巖強度高，吸水性低，具有良好的抗凍融能力，因此單獨的凍融作用對巖石的破壞基本可以忽略。

從本次研究可以看出，對于鮞粒灰巖的次生溶蝕污染物，在沒有良好的保護技術的情況下，不宜無差別地清洗。鮞粒灰巖防風化措施，建議以防具有溶蝕能力的表面流為主。

參考文獻：

[1]梅冥相.鮞粒成因研究的新進展[J].沉積學報，2012，30（1）：20-32.

[2]齊永安，楊小偉，代明月，等.豫西登封地區寒武系第三統鮞粒和鮞粒灰巖演化及其意義[J].古地理學報，2014（1）：55-64.

[3]王曉東.CO2對龍門石窟碳酸鹽巖體表面劣化作用的模擬試驗研究[R].2011.5.

[4]竇彥，嚴紹軍，王磊，陳嘉琦，張新鵬.龍門石窟張夏組鮞粒灰巖特征及溶蝕試驗研究[J].文物保護與考古科學，2017，29（3）：60-66.

[5]曹建華，潘根興，袁道先.檸檬酸對石灰巖溶蝕動力模擬及巖溶意義[J].中國巖溶，2001（1）：4-7.

[6]Chou L，Garrels R M，Wollast R.Comparative study of the kinetics and mechanisms of dissolution of carbonate minerals[J].Chemical Geology，1989，78（3/4）：269-282.

[7]丁梧秀，徐桃，王鴻毅，陳建平.水化學溶液及凍融耦合作用下灰巖力學特性試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2015（5）：979-985.