云岡石窟頂部土層水鹽分布特征研究

2020-08-24 08:17:48孫文靜黃繼忠任建光

文物保護與考古科學 2020年3期

劉成，孫文靜，，黃繼忠，任建光

（1.上海大學土木工程系，上海 200444；2.上海大學文化遺產保護基礎科學研究院，上海 200444；3.云岡石窟研究院，山西大同 037007）

0 引言

據統計，作為世界文化遺產之一的云岡石窟在歷史上有大小佛像約十萬尊，現僅存五萬一千余尊。鹽分對石窟的破壞是造成這種狀況的主要原因，學者們對此做了相關的調查和研究。

張贊勛等[1]發現造成石刻風化的可溶鹽主要為硫酸鹽和碳酸鹽。李黎等[2]用浙江龍游石窟石材進行反復浸泡-干燥循環試驗，證明了SO2-4和Cl-能夠加速砂巖風化。LEHMANN[3]于1971年提出了鹽分的積累會對石質文物造成破壞。田秋林等[4]提出鹽分的積累與土中水分的遷移密切相關：鹽分在水的作用下，由覆蓋土層遷移至石質文物內部。郭芳[5]的研究表明，云岡石窟巖體內部的硫酸鹽是通過雨水進入巖土體內部的，進而導致巖體的破壞。JIANG等[6]的研究表明，石窟中的鹽源于土壤覆蓋層，在水的作用下，鹽分經過砂巖風化帶，最終在石窟中富集。黃繼忠[7]的研究表明，石雕表層可形成結晶水的鹽類在干燥環境下失去結晶水，在梯度作用下，表層鹽分不斷增加，當石雕表面的空隙和微裂隙中鹽分積累至一定量時，鹽分在低溫或高濕時又吸水膨脹產生壓力，加速了礦物顆粒間連結的破壞和裂隙的擴張，從而促使石雕表層的剝落。王金華[8]以及張兵峰[9]研究了重慶大足石刻的可溶鹽破壞機理：風化作用生成的石膏、芒硝等可溶性鹽聚集在巖石孔隙中，潮濕時吸水結晶膨脹，失水時收縮。膨脹收縮反復作用，破壞效應積累，導致巖石結構遭到破壞。

由此可見，石質文物的破壞離不開水和鹽的共同作用，為防治石窟文物表面的鹽害，非常有必要研究石窟頂部土層的水鹽分布特征，從而更有針對性地開展石窟頂部的防滲工作。

在水鹽分布特征方面，楊善龍等[10]研究了榆林窟崖體礫巖中水鹽分布特征，許健等[11]闡釋了水鹽分布規律及黃土邊坡鹽蝕剝落病害的機理，李小倩等[12]研究了潛水埋深對土體水鹽分布的影響。但是目前，將土體滲透性、植被覆蓋率以及地勢等因素與土體水鹽分布特征研究相結合還較少。因此，本研究針對上述因素開展了對云岡石窟頂部土層水鹽分布特征的研究，為云岡石窟頂部土層增強防滲提供重要的數據支撐和理論依據。

1 取樣情況

1.1 取樣位置和取樣方法

云岡石窟頂部土體為第四紀覆蓋層，其中：第3窟頂土體屬中更新統，主要成分為亞黏土，厚度約1～3 m；第5窟和第18窟頂土體屬上更新統，主要成分為輕亞黏土，厚度約0.5～1.5 m；第42窟頂土體屬全更新統，主要成分為亞黏土，厚度約0.4～1 m[13]。第3窟、第5窟、第18窟和第42窟包含了所有類型第四紀覆蓋層。此外，第18窟屬曇曜五窟之一，是云岡的第一期石窟；第5窟為云岡第二期石窟；第3窟為云岡石窟空間最大的洞窟，其洞窟開鑿于北魏，但雕像為唐代所雕鑿，位于曇曜五窟以東；第42窟為云岡第三期石窟，位于曇曜五窟以西[14]。所有取土位置均靠近土壤含水率監測裝置，故取第3窟、第5窟、第18窟和第42窟頂作為取樣部位，取土位置分布如圖1所示，具體位置和取土深度詳見表1。本次試驗采用人工取土方式進行取樣，取土類別分為環刀樣和碎散土。

圖1 取土位置標識Fig.1 Map of soil sampling locations

表1 取土位置與取土深度Table 1 Soil sampling locations and depths

1.2 取樣位置地勢分析

利用百度地圖繪制取樣位置周邊等高線圖，并計算得到取樣點坡度值，如圖2所示。圖中橙色標記點為取樣位置，取樣位置坡度值在圖左上角，粗實線表示山谷，虛線表示山脊，箭頭方向為地勢降低方向。從圖2中可以看出，所有取樣位置的坡度都在15°以內，相對比較小，各取樣位置處坡度從小到大排序依次為第3窟、第5窟、第42窟和第18窟。蒙寬宏等[15]提出隨著坡度增大，土壤穩滲率下降，達到穩滲所需時間逐漸增長。因此，坡度越大，雨水的入滲量越小，土體內部含水率降低，隨水下滲到土體內部的鹽分間接減少。

圖2 等高線圖及取樣點坡度Fig.2 Contour plots and slopes of sampling points

1.3 取樣位置植被覆蓋率

圖3 為取樣位置處的植被覆蓋率，圖左上角注有取樣位置和植被覆蓋率。對圖片進行二值化處理，通過計算即可確定植被覆蓋率，相關公式為：

式中，VGC（visual grading characteristics）為視覺分級特征。

圖3中第3窟和第42窟頂部植物為野牛草，第5窟頂部植物為狗牙根，第18窟頂部植物為艾。雖然取樣部位植物種類不同，但根據吳宏偉[16]的研究，植物的蒸騰作用是造成土體含水率變化的主要因素。而本次取樣時間為2018年7月下旬，夏季多雨，取樣前該地已多次降雨，植物吸收水分充足，且空氣相對潮濕，植物蒸騰作用很小，故可忽略植物蒸騰對土體水分變化的影響。由圖3可知，第18窟植被覆蓋率最大，第42窟植被覆蓋率最小，第5窟與第3窟植被覆蓋率介于兩者中間。植被會使地表徑流雨水流速減小，增加下滲到土體內部的雨水。若下滲的雨水中含有鹽分，會間接增加土中鹽分含量。

圖3 取樣位置處的植被覆蓋率Fig.3 Vegetation coverage ratios of sampling points

2 試驗概況

2.1 試驗用土

將取自云岡石窟頂部土層的試驗土樣風干后過2 mm篩，采用《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999）的比重瓶法、液塑限聯合測定法以及擊實試驗測定土樣的基本指標（表2）。

表2 土的基本物理指標Table 2 Basic physical indexes of soil

2.2 孔隙比、飽和滲透系數測定試驗

將云岡石窟頂部采集的原狀土環刀樣稱重，記錄其質量m，然后去除環刀，環刀體積V為60 cm3，稱取環刀質量m0，將其環刀樣放入柔性壁滲透儀進行固定水頭壓的飽和滲透試驗，試驗采用氣壓控制水頭壓，試驗儀器見圖4。環刀樣孔隙比的計算公式為：

式中，e為孔隙比；ρ為土樣顆粒密度。

圖4 柔性壁滲透儀Fig.4 Flexible-wall permeameter

2.3 鹽分測定試驗

土體含水率采用烘干法測定，土體可溶鹽含量通過離子色譜法（IC）測定。試驗所用儀器為ICS-1100離子色譜儀，測量精度可達0.01 mg/L。

含鹽量測定試驗操作步驟[17]如下：1）采用精度為0.0001 g電子天平稱量5 g粒徑小于2 mm的烘干土樣，將其置于干燥的200 mL錐形瓶中，并注入50 mL去離子水；2）將盛有土樣和去離子水的錐形瓶放在振蕩器上振蕩12 h；3）用注射器將錐形瓶上部上清液抽出，插上濾膜孔徑為0.45μm的過濾頭，將溶液擠壓入離心管中，過濾滲出液需要20 mL；4）將過濾液倒入色譜儀器配套容器中，放入儀器進行檢測。

3 結果及分析

3.1 孔隙比與飽和滲透系數

表3為測得的環刀樣孔隙比和飽和滲透系數，圖5為根據表3數據繪制的孔隙比e與飽和滲透系數k的關系圖。由圖5可知，不論取樣在哪個部位哪個深度，土樣的孔隙比與滲透系數在雙對數坐標系中基本呈線性關系。因原狀土樣中含有石塊或土樣中有較大孔隙，導致部分數據偏離線性關系。不同土樣10 cm處的滲透系數由低到高排序為第5窟、第3窟、第18窟、第42窟。第42窟10 cm處土樣滲透數據，按插值法計算。董佩等[18]測定云岡石窟頂部第四紀覆蓋層土體滲透系數集中在10-4cm/s左右，與本試驗結果基本吻合。

圖5 土樣lg e-lg k關系Fig.5 lg e-lg k relationship of soil samples

3.2 含水率變化規律

表4為云岡石窟頂部不同位置不同深度處土樣含水率的測試結果，其中黑體內容為云岡土壤含水率監測裝置所測得數據。圖6為含水率與深度關系圖。對含水率測試結果進行分析，得到不同位置同一深度以及同一位置不同深度土樣的含水率變化規律。據此分析土樣含水率差異的原因。

表4 含水率測試結果Table 4 Test results of water content

圖6 含水率和深度關系圖Fig.6 Relationship between water content and depth

3.2.1 不同位置同一深度土樣的含水率由圖6可見，相同深度處，如10 cm處，土樣含水率從低到高為第42窟、第5窟、第3窟、第18窟。不同取土位置頂部土體的植被覆蓋率不同。由1.3節可知，土樣取土部位植被覆蓋率從低到高為第42窟、第5窟、第3窟、第18窟。結合植被覆蓋率和不同部位相同深度的土樣含水率變化規律可知，植被覆蓋率與土樣含水率之間的相關性較大，植被覆蓋率越大，土樣含水率越大。

從圖6中還可得知，在1 cm、10 cm和20 cm深度處，第3窟頂部土層含水率均大于第5窟。結合1.2節地勢分析結果和1.3節取土位置處植被覆蓋率結果可知，兩者取土位置植被覆蓋率基本相同，但第3窟頂部土層取土位置坡度小于第5窟的，引起雨水下滲量高于后者，從而不同深度的含水率均大于后者。因此，除植被覆蓋率外，坡度也會對土體含水率產生一定影響，當植被覆蓋率相近時，坡度越大，土體內部含水率越低。第42窟頂部土層取樣位置植被覆蓋率最小，坡度亦較大，因此，第42窟頂土層不同深度土樣的含水率均為最小。

3.2.2 同一位置不同深度土樣的含水率由圖6可知，除第42窟頂1 cm和10 cm土樣外，同一部位不同深度的土樣含水率，隨著取土深度的增大，土樣含水率逐漸減小。出現該現象的主要原因在于云岡石窟地處半干旱區域，土體含水率低，降雨量小。降雨后，表層土體會吸收大部分雨水，下層土體吸收水分逐漸減小，植被生長需吸收水分，也會將土中水分吸引到土體上層。而第42窟頂1 cm至10 cm土樣含水率異常的原因為：第42窟頂土樣植被覆蓋率最小，地表水分受蒸發作用影響大，會在較短時間內減少，較深部土樣受蒸發作用影響小。其余取土部位植被覆蓋率都比較高，土樣受蒸發作用的影響較小。因此，土體含水率分布規律較統一，即隨深度的增大而減小。

3.3 土樣鹽分含量結果及分析

土體水分是土體鹽分運移的載體，土體孔隙比會影響水分的下滲速率，同樣也會影響鹽分的濃度和遷移速率，孔隙比與土體的滲透特性相關。因此，需結合各取樣點土樣的含水率、孔隙比和飽和滲透系數的變化規律分析窟頂土層鹽分分布規律。

表5為土樣中可溶鹽離子濃度測試結果。可以看出，隨著取土深度的增加，第18窟和第42窟頂土層中鹽分含量基本都在增大，分別在最大取土深度20 cm和24 cm處酸根離子濃度達到最大，主要因為大同地區煤炭業發達，空氣污染嚴重，酸性降雨頻率高[19]。所測酸根離子中，硝酸根離子所占比例較大，其原因可歸為雷雨天氣中雷電釋放的巨大電能會將空氣中氮元素氧化成硝酸，隨雨水進入土壤[20]。

圖7為可溶鹽離子濃度與深度關系圖，可以看出，隨著取土深度的增加，第18窟和第42窟頂土樣鹽分含量基本都在增大。再結合圖5可知，第18窟和第42窟頂土樣滲透系數大于其他窟頂土樣滲透系數。由此可推測，土樣滲透系數越大，對應的孔隙比越大，含鹽的水分較容易下滲，使得下層土體鹽分含量越大。

表5 土樣中可溶鹽離子濃度Table 5 Concentration of soluble salt ions in soil samples

圖7 離子濃度與深度關系圖Fig.7 Relationship between ion concentration and depth

由圖7還可以觀察到，第18窟頂部土層20 cm深處土樣鹽分濃度大于第42窟頂18 cm深處的鹽分濃度。而由圖5可知，10 cm深處滲透系數卻是前者小于后者。再結合圖6可知，第18窟頂土體含水率大于第42窟頂土體含水率大，由此也會使得土體中鹽分含量增大。

由表5可以看出，第5窟頂部1 cm處土樣離子濃度大于10 cm處的，第3窟頂1 cm和10 cm處土樣鹽分含量基本相同，與第42窟1 cm至10 cm處土樣離子濃度分布特點不同。結合圖5和圖6進行分析，第3窟和5窟取樣點滲透系數較第42窟的小，含水率較第42窟的大。說明具有較小孔隙比的土體，對應的滲透系數較小，阻止了鹽分的下滲。滲透性是影響土體鹽分含量的主要因素。

3.4 土體水分和鹽分含量分布圖

根據取樣點土樣含水率及含鹽量規律做各層土在一定范圍內（10 m×10 m）的含水率分布圖（圖8）和含鹽量分布圖（圖9）。各圖左上角注釋了土層深度，不同色系代表不同水分或鹽分含量，所對應的水分和鹽分含量分別見圖8c和9c。同一色系的深淺程度代表土體水分或鹽分含量的高低，顏色越深，代表的水分或鹽分含量越高，反之越低。顏色的深淺程度代表的水分或鹽分差異均在0.3個單位內。

因為在該范圍內土體的植被覆蓋率和孔隙比相近，由植被覆蓋和孔隙比造成的土層含水率及含鹽量變化可忽略不計，再結合3.2.1和3.3節分析可知，土層含水率及含鹽量變化主要由地形變化引起。距離山谷越近越容易匯水，土體含水率越高，較多的水分會帶來大量鹽分，導致土體鹽分含量增加。而坡度越大，雨水下滲量越小，且對地面沖刷力較大，因而土體含水率和鹽分含量較小。比如：圖8b～8d中在山谷處（實線處）水分含量最高，越接近山脊處（虛線處）水分含量越低；圖9b～9d中在山谷處鹽分含量最高，越接近山脊處鹽分含量越低；圖8a中山脊線上側等高線稀疏地形較緩，雨水容易下滲，土體含水率高，山脊線下側等高線密集地形較陡，雨水較難下滲，土體含水率低；圖9a中山脊線上側地形較緩，雨水容易下滲，從而攜帶大量鹽分下滲，導致土體鹽分含量高，山脊線下側地形較陡，雨水較難下滲，不利于鹽分下滲，因此土體鹽分含量低。