云岡石窟風化特征與風化產物研究

鄧 云，王金華

（復旦大學文物與博物館學系，上海 200433）

云岡石窟位于山西大同市西約16 km的武州山南麓，原名武州（周）山石窟寺，明代改稱云岡石窟。為佛教向東傳播后，新疆以東最早出現的大型石窟群，云岡石窟佛教藝術按開鑿時間及風格[1]分為早期、中期、晚期3個階段，是皇家開鑿石窟的典范，與其他早期石窟在風格和規模上均有較大差異。云岡石窟目前暴露于窟外壁的雕像與題記更是全部消失[2]。在所消失的雕像中，被盜的雕像約1 000余尊，而風化破壞才是造像消失的主要原因。關于云岡石窟風化形態的研究自20世紀60年代已經有較多研究成果，本文通過對風化特征的分類及風化產物的研究進行梳理和總結，為防止風化進一步破壞提供參考。

1 云岡石窟開鑿與地質條件的關系

云岡石窟洞窟開鑿規模、方式等均與地質條件有著密切關聯，云岡石窟位于大同侏羅紀沉積盆地西緣，東側距離位于盆地東緣的青磁窯約8 km，窟區內的地質構造情況較為單一[3]。云岡石窟及其雕刻品均雕刻在長石石英砂巖層，向東西兩側變薄形成透鏡體，長石石英砂巖層不僅在厚度上變化較大，同時還有巖性上的變化，而石窟的風化程度、類型等均在一定程度上受巖性的控制。嚴紹軍副教授將云岡石窟劃分為11層（表1）。

表1 云岡石窟地層劃分一覽表

由此可見，云岡石窟的開鑿大小和位置與地層分布有較大關聯，云岡石窟主要砂巖地層為第2、3、5、7層，上述地層是石窟主要開鑿和頂板部位，從巖石均勻性來看，3、5層是石窟造像開鑿較好地層，也是石窟的主要分布層位，如1、2窟在東部，此處厚為8～15 m，故洞窟高度均在8 m左右，較厚之處為第5～16窟，故該段的洞窟規模最大。而西部石窟厚度逐漸變為5 m左右，因此西部的洞窟一般規模較小。當透鏡體厚度較高時，各窟一般為大型洞窟；而當透鏡體厚度較薄時，則一般開鑿為小型窟龕。由此可見，地質構造是窟型大小的最主要控制因素之一，也反映了古人因地制宜、因勢利導的聰明智慧。

2 云岡石窟風化特征及成因

云岡石窟開鑿于鈉質膠結的長石石英砂巖上，抵抗風化能力較弱，并且膠結能力較差，這是窟內普遍遭受風化的內在條件[5]，但具體的影響有下列幾個方面。

在巖性不均一，粗細粒砂巖相互成層的情況下，一般是粒度較小的巖石要比粒度粗的巖石風化得更加強烈些，第二窟西壁鋸齒狀風化巖石，第三窟后室南壁鋸齒狀風化巖石均可見此種現象。若中粗粒砂巖中含暗色礦物的條帶時，因暗色礦物多為黑云母類，極易風化，若暗色礦物的條帶較密集，也易于導致整體巖石風化加劇，暗色礦物條帶所在處，因風化較劇烈而向壁面內深凹形成深坑，這一問題在東部和中部窟群中出現較多。在含長石石英砂巖礫石中大部分為粉砂巖，因粉砂巖易于風化，常常迅速被破壞，僅殘余空洞，這在各窟均可發現。若巖性較均一，但交錯層理較發育時，往往可以在巖石的原生構造處風化較劇烈，而形成溝槽。

由上可知，巖石的礦物粒徑大小、成分組成以及原生構造對巖石的風化程度均有較大影響。前述的受巖性控制的各種風化形態大部分都是因為巖性差異而引起的差異風化的結果，另外，巖石本身的孔隙率和吸水性等也會對風化產生影響。

黃克忠先生曾將石雕分為粉狀風化、頁片狀（波殼狀風化）、帶狀洞穴狀風化、板狀風化[6]。另外，《大同云岡石窟巖石風化調查報告》[7]根據控制巖石風化的內在因素，將風化類型分為：①發育在砂巖巖石中的風化類型，包括刷落狀風化、頁片狀風化、鋸齒狀風化、洞穴狀風化、網格狀風化；②發育在裂隙中的巖石風化類型，包括板狀風化、磚塊風化、圓塊風化；③發育在粉砂質巖石中的風化類型，包括碎塊狀風化、劈柴狀風化、波狀風化等。之所以出現分類的差異，主要是因為分類的標準和角度不同，將形態、發育部位和形成原因等雜糅在一起。然而據筆者實地考察，認為部分風化類型雖命名不同，但其所指相同，本文結合已有的分類標準，對不同分類標準中同一類型但不同稱謂的風化進行合并描述。將云岡石窟風化類型歸納為以下幾種。

2.1 粉狀（刷落狀）風化

主要發育于中粗粒砂巖表面間或在細砂巖及粉砂巖上的一層粉末狀或絮狀風化產物，粉狀風化部位的巖性一般比較均勻。主要表現為沿崖壁呈不規則的分布，風化處的表面一般也較為平坦，與層理關系較小，在表層常有白色粉末，礦物顆粒間疏松不密實，部分已脫落，殘留的礦物一般凸于巖石表面上，白色粉末手觸之即落[8]。多見于石窟下部及東部窟群，且多風化強烈。其中粉狀物是由不同類型的鹽組成，它的分布和成因均與水有密切關系。而石窟外部的凝結水、窟內的滲水和底部的毛細水與空氣中的CO2、SO2、O2等，長期對石窟表面的長石、膠結物中的鈣質以及黏土類礦物發生水合溶濾反應，同時水又將鹽類帶到石雕石窟的表面而形成聚集的鹽。當膠結物被淋濾之后，此時石窟表面則僅剩沒有膠結物的石英顆粒，即為粉狀物或絮狀物（圖1）。

2.2 頁片狀（波殼狀、鱗片狀）風化

頁片狀風化主要存在于石窟的表面，表現為薄片狀剝落，薄片的厚度與礦物顆粒粗細大小密切相關，粗砂巖形成的薄片厚度在3～4 mm，細砂巖形成的薄片厚度在0.5～1 mm。頁片的表面常常翹起或卷曲，且一般多層重疊。在片與巖體或片之間常有白色粉末狀或雪花糊狀物（當到達片內一定深度時減少或消失），關于頁片狀風化的成因，可能是水深入巖石以后，經過長期的溶蝕及溫差作用而導致的巖石表層發生漲縮所致。其產物多為碳酸鹽和硫酸鹽的水化物，質較堅硬，均勻的附于頁片的背面。其成因系多種因素造成。由于地下水沿裂隙通道和層理滲透至表層，經過水的蒸發后可溶性鹽析晶，并且由于鹽在表層的聚集，孔隙逐漸被堵塞，使水只能沿薄弱面滲出。另外，云岡石窟所處的大同地區溫差較大，礦物的膨脹系數不同（石英的體積膨脹系數約是長石的一倍），產生不同的漲縮應力，便造成平行壁面的裂隙（圖2）。

2.3 帶狀（洞穴狀、蜂窩狀）風化

指與層理平行，凹凸相間成洞穴狀或帶狀的風化形態[9]。帶狀風化常分布于含大量粉砂巖或砂質頁巖的礫石和透鏡體的粗粒砂石中粒砂巖上，由于其抗風化的能力較弱，導致差異風化。一般表現為不規則的洞穴。

帶狀風化是與鹽性有關的差異性風化。因為云岡石窟砂巖的層理交錯發育，含有泥、粉砂巖夾層及大小礫石，礫石風化后則形成不同大小的洞穴，其中薄夾層或透鏡狀的粉砂巖，由于含泥量較高，經水的分解后，帶狀凹槽深度可達到10～30 cm。另外由于砂巖中膠結物泥質與鈣質的比值不同，在水的侵蝕作用下，其風化形態也不相同。此類風化對石窟的破壞較嚴重，水滲透出露位置的洞穴往往比較大[10]（圖3）。

2.4 板狀（磚塊狀、圓塊狀）風化

板狀、圓塊狀、磚塊狀風化在形態上不同，但由于其均主要是受應力重分布作用而形成的，故將其劃為一類。這些風化類型都發生在裂隙發育的砂質巖石中，常形成與壁面平行的減荷裂隙，呈板狀剝落。板厚為2～4 cm，然而在有地下水流長期作用的位置，分布高度大多都在1.5 m以下，如圖4所示。

雖然板狀、圓塊狀、磚塊的形態不同，但上述風化形態的形成原因都與裂隙有關，并且礦物間的微裂隙十分發育，水則沿裂隙通道活動，導致石窟表面鹽類聚積。裂隙是造成水進入窟內侵蝕石雕的通道，危害較大的主要有3種：第一種為岸邊減荷裂隙，它平行崖壁排列，離崖壁30 m范圍是其發育帶，愈近崖壁密度越大，間距為1.5 m、5 m、8 m等。裂隙上寬下窄，平均裂隙寬度0.5～2 cm。第二種是構造裂隙，裂隙面平整閉合延伸遠，每組裂隙間距小。第三種是風化裂隙，普遍存在于窟頂部5～10 m范圍內，大多呈樹枝狀和毛發狀。

如前所述，各種風化類型都是在不同因素的影響下風化過程不同的表現。但不同風化類型之間也存在一定的聯系。在各種風化類型中，以粉狀（刷落狀）風化類型為主，其他風化類型大部分是在刷落狀風化的基礎上派生的，因此，可將以上風化類型歸結為由于刷落狀風化受到某些特殊因素影響而表現為其他形態。

關于刷落狀與頁片狀風化的關系，在巖壁比較平坦的情況下，往往可以發現：在刷落風化巖石的某一部分尚疊加有頁片，同時在頁片與壁面之間，通常充填有白色粉末。由此現象可以初步推斷部分刷落風化巖石的表面原應有頁片的覆蓋，當頁片下墜以后，就使壁面呈現刷落狀風化的形態。

探索各種風化類型的關系，實際上也是了解各種因素的影響下巖石風化過程的重要方面，這不僅對保護維修工程有意義，同時對掌握巖石風化過程的規律也是有意義的。

3 云岡石窟風化產物

巖石風化產物最典型的就是絮狀物質，一般分布在被風化的長石周圍，初步推斷絮狀物質可能為長石以及砂巖的膠結物風化而成。其白色、疏松、少數干燥后成淡黃色，多填充于壁面上巖石孔隙附近，如巖石表面有窪坑時可大量集中成團狀。絮狀粉末物質分布在呈刷落狀風化的巖壁表面，另外也可分布在頁片狀風化巖石的小頁片間，往往在揭開頁片后，均可發現有絮狀物質的充填。

絮狀物質加鹽酸后，一般起泡微弱，甚至不起泡。其成分多為水化物，SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O等含量均比新鮮巖石要大大減少，Fe2O3則稍有增加，其余，Na2O、CaO等則變化不大（表2）。上述化學成分可以說明，絮狀物質為巖石風化的產物。

表2 風化產物與新鮮巖樣的化學成分對比

砂巖顆粒成分主要為石英和長石，風化巖樣中含有大量的黏土礦物及少量的石膏，通過對不同風化程度的樣品進行分析，由于碳酸鹽膠結物對酸作用非常敏感，而石英對酸作用不敏感，可以通過建立碳酸鹽膠結物與石英的比值評估風化程度。因此云岡石窟巖石風化不但與膠結物的破壞有關外，砂巖顆粒中的長石黏土化也是一個重要的原因。反應如下：

除此之外，水巖反應是另一導致風化的重要原因，其中碳酸鹽膠結物溶解較早發生且對巖體強度軟化影響最大，而長石等礦物的水解則導致巖石力學強度降低，可溶鹽類礦物結晶削弱了已風化巖石表面顆粒間的作用力；而含鐵膠結物由于受浸水的影響，在赤鐵礦發生轉變的過程中，其力學強度也受到了極大破壞。

可溶鹽發育可以看作是導致風化破壞的另一重要不利因素，也是伴隨風化破壞的衍生產物，其破壞作用主要體現在文物表層富集，導致文物表層粉化，導致造像模糊、壁畫脫落等；同時，可溶鹽在反復結晶與溶解的過程中，產生非常巨大的結晶擠壓力，導致巖石內部結構破壞，強度降低。另外，當可溶鹽在巖石結構面富集時，將會導致擠壓作用，加上尖端應力集中，加速局部危巖體的發育。

云岡石窟可溶鹽集中在較高含水量的巖體中。在長期滲水部位雖然也有短期可溶鹽的富集，但水體沖刷將可溶鹽溶解帶走。目前可溶鹽發育比較集中的主要在兩個部位：一個是上部，頂部平臺雨水入滲導致巖體表面泛鹽；另一個是底部，地下毛細水上升導致石窟底部約1.5 m高范圍大量析出可溶鹽。

云岡石窟可溶鹽主要為石膏、六水瀉鹽、七水瀉鹽等硫酸鹽。其主要反應過程如下：

長石高嶺土化過程中，形成的K+、Na+離子可以與SO42-離子進一步形成K2SO4和Na2SO4.10H2O芒硝。上述鹽類均具有水合能力，在干濕交替的環境下，特別容易在巖石的微孔隙內產生結晶壓力而導致巖石損壞[4]。

云岡石窟處于干燥氣候條件，無論是瀉利鹽、石膏或者芒硝，在干燥氣候條件下，容易失水。而一旦空氣潮濕，就又向高水鹽轉化。在晶體形成與轉換過程中，不斷向巖石微小孔隙滲入、結晶，結晶過程產生巨大的擠壓力導致巖體結構破壞，強度降低。

由此可見，云岡石窟風化產物主要為礦物的高嶺石化和膠結物的流失，以及其產物與SO42-離子的反應產生可溶鹽。

4 總結及展望

研究石窟巖石風化問題，不僅是對文物保護有重要的意義，而且其成果對其他類似的建筑工程也有著一定的參考價值，甚至還可以對巖石風化理論提供一定的資料。

在今后的工作中，應將風化特征分類詳細化和規范化，除概略性分類外，還需對各部石窟內不同部位、不同巖性上巖石風化特征及形成原因進行深入探討，并關注風化程度在一定時間內的變化。需要對不同窟型、同一洞窟不同位置進行全面的監測，包括溫濕度、滲漏水情況、窟底潛水面變化情況、窟區外圍地下水動態、氣體類型及含量等，探討風化的影響因素。另外對窟內不同部位、不同巖性、不同風化類型巖石進行系統的礦物組成以及巖石的孔隙度、滲透率、含水性等性質的研究也至關重要。總之，風化問題的研究是一個較復雜也較為重要的課題，還需要長期的研究和探討。