云岡石窟鹽類析出物與石雕表面風化破壞形式的關系研究

任建光，黃繼忠，任志偉，胡翠鳳

(1.云岡研究院，山西大同 037007；2.上海大學，上海 200444；3.山西大同大學，山西大同 037000)

0 引 言

云岡石窟位于山西省大同市西郊武周山南麓，依山開鑿，東西綿延1 km，為我國規(guī)模最大的古代石窟群之一，距今已有1 600年的歷史。現(xiàn)存大小窟龕252個，雕像51 000余尊，雕刻面積達18 000 m2，雕刻內(nèi)容豐富。云岡石窟是皇家授意興建的第一座佛教石窟群，為中國佛教石窟藝術高峰期的經(jīng)典杰作，在承襲來自南亞和中亞地區(qū)佛教石窟藝術影響的同時，賦予佛教石窟藝術以明確的中國特征和地方精神，對其后的中國乃至東亞地區(qū)的佛教石窟藝術有著深遠的影響，具有極高的文物價值。云岡石窟1961年被公布為全國重點文物保護單位，2001年被列入《世界遺產(chǎn)名錄》，2007年被評為國家5A級旅游景區(qū)。

云岡石窟處于溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)域，年平均氣溫7～10 ℃，1月最冷，7月最熱；年平均降水量432.8 mm，雨季集中在7～9月，月最高降水量達到100 mm以上；年平均蒸發(fā)量1 748 mm，其中6月最大蒸發(fā)量為801.8 mm，12月蒸發(fā)量為74.9 mm；年積雪在20 mm左右，凍結(jié)期為10月下旬至次年4月，平均凍結(jié)深度1.5 m，全年無霜期120 d。云岡石窟頂部北屬高臺地構(gòu)造剝蝕低山丘陵區(qū)，南臨十里河，窟區(qū)被南北向自然大沖溝(東谷、西谷)分割為東、中、西三部分，出露中侏羅統(tǒng)上部和第四系地層，云岡佛像開鑿于中侏羅統(tǒng)上部云岡組(J2y) 砂巖透鏡體上[1]。十里河為區(qū)域內(nèi)唯一較大季節(jié)性河流，地下水主要有風化殼網(wǎng)狀裂隙潛水、第四紀沖洪積層孔隙潛水以及上層滯水等類型[1]，云岡石窟四周被煤礦包圍，環(huán)境條件較差。

千百年來，由于自然和人為因素的摧殘破壞，云岡石窟風化病害十分嚴重，主要破壞形式有以下幾種：1)粉狀風化。在許多石雕表面產(chǎn)生一層白色粉末狀或絮狀風化產(chǎn)物，手觸即落。2)片狀風化。在石雕表面呈薄片狀剝落，薄片厚度隨巖石中礦物顆粒的粗細而不同，粗砂巖形成的薄片厚度為3～4 mm，細砂巖形成的薄片厚度為0.5～1 mm；薄片常翹起卷曲，往往有多層重疊，在片與片或片與巖體間常有白色粉末狀或雪花糊狀物。3)帶狀、洞穴狀風化。這是指與巖體層理大致平行，凹凸相間呈帶狀或洞穴狀的風化形態(tài)，大小不一，深度10～30 cm，它是與巖性有關的差異性風化。4)板狀風化，是指開挖洞窟造像后，在窟內(nèi)拐角及高大佛像突出的部位，形成大致平行壁面的卸荷裂隙，逐漸呈板狀剝落，板厚在2～4 cm。上述的粉狀與片狀風化破壞形式普遍存在于石雕上。

另外，在云岡石窟洞窟內(nèi)各壁分布著各種形態(tài)的鹽類析出物。較為普遍的是棉絮狀，質(zhì)白而疏松，少數(shù)淺黃色，干涸后呈黃褐色，有的富集成團，也有連成片狀；其次為鐘乳狀，灰白色，較堅硬，突出于壁面的顆粒直徑約1～2 mm，若連在一起便呈泉華狀；還有少數(shù)呈皮殼狀的薄膜覆蓋于巖石的表面，干涸后發(fā)生龜裂、翹起。鹽類形成的自然因素主要是水對砂巖的溶濾作用，使巖層中含有鈣、鎂碳酸鹽的膠結(jié)物及黃鐵礦結(jié)核被水氧化、水解[2]；另外，云岡石窟石雕上的鹽類析出也有人類活動引起的因素，如人類圈養(yǎng)牲畜是洞窟內(nèi)下部鹽類的來源之一，也曾在維修中不恰當使用普通水泥造成了鹽類聚集，還有環(huán)境污染造成的鹽類的增加等[3]。鹽類的運移和堆積與水的運移條件有很大的關系[2]，云岡石窟石雕表面的主要鹽類礦物有：水碳鎂石(三水菱鎂礦)、六水瀉鹽、多水菱鎂礦、水菱鎂礦、石膏、瀉利鹽、赤鐵鹽、硅鈣石、無水芒硝、天然堿等十多種[2，4]。

云岡石窟風化砂巖巖面上鹽類分布最廣泛、最常見，其以礦物結(jié)晶和水合作用對巖面造成了嚴重的破壞[5]。黃克忠[2，4]、曲永新[4]、黃繼忠[1，3，5]等就云岡石窟鹽類的存在形態(tài)、種類、來源及對巖石的破壞原理做了較詳細的探索，但已有的研究對鹽類析出物與石雕風化破壞形式的關系沒有進行深入探討。本工作將采用XRD法礦物組成的半定量測試、酸堿中和法CO2含量測定、鹽類礦物和硅酸鹽礦物的定性鑒定等方法，探析云岡石窟風化砂巖的破壞形式與其巖面所伴生的鹽類析出物的關系，研究成果不僅對于世界文化遺產(chǎn)云岡石窟的風化病害及鹽害的治理，而且為我國同類型石窟文物保護中認識風化砂巖的破壞形式與鹽害關系提供了科學的方法和手段，對于我國石窟文物保護具有重要意義。

1 鹽類樣品采集及制備

選取云岡石窟常見的粉末狀和片狀風化破壞形式進行研究，作者于冬季2月初分別在云岡第9窟前室北壁、第10窟前室北壁和第3窟后室南壁進行了鹽分樣品采集，共計5個樣品，及時送至中國科學院地質(zhì)研究所進行鹽分成分測試。

經(jīng)觀察，所采集樣品具有兩種類型，一類為軟質(zhì)絮狀氈狀粉狀物和伴生的薄巖片，另一類為軟質(zhì)粉狀絮狀物與風化巖屑。通過篩分處理，先分別將>0.25 mm的巖屑、巖片和中粗砂粒及<0.25 mm粉狀物相分離，并分別碾細至<0.074 mm(過200目篩)，對前者進行全巖XRD法礦物組成的半定量測試和酸堿中和法CO2含量測定，對后者則進行鹽類礦物和硅酸鹽礦物的定性鑒定。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 鹽類所伴生的巖片、巖屑顆粒的礦物成分測定

風化巖片、巖屑XRD法礦物半定量測試結(jié)果表明(表1)，這些樣品的主要礦物為石英(44.5%～69.4%)、鉀長石(8.6%～22.3%)、高嶺石與云母(13.6%～28.5%)。

表1 風化巖片、巖屑全巖XRD法礦物半定量測試及酸堿中和碳酸鹽(CO2)測定結(jié)果Table 1 Weathered rock fragments and cuttings whole rock XRD method mineral semi-quantitative test and acid-base neutralized carbonate (CO2) measurement results (%)

酸堿中和法CO2含量測定結(jié)果顯示(表1)，這些巖石樣品中含有少量碳酸鹽，如白云石(7.7%)、菱鐵礦(0.9%～4.7%)，但沒有檢測出斜長石、方解石(含量<1%)，表明石雕表面的方解石可能遭到了水的強烈溶解，而斜長石可能在云岡石窟砂巖的成巖過程中普遍遭受酸性地下水蝕變作用，已普遍轉(zhuǎn)化為自生高嶺石。另外，不同樣品中，風化小巖片、巖屑中雖普遍含有碳酸鹽(CO2)礦物，但含量高低明顯不同，含量高低與石雕表面巖石破壞形式似乎有關。

2.2 對<0.25 mm質(zhì)粉狀、絮狀細粒物進行XRD法礦物組成的半定量測試和硅酸鹽礦物的定性鑒定

對<0.25 mm軟質(zhì)粉狀、絮狀細粒物質(zhì)XRD測試結(jié)果表明(圖1)，它們并非全部為鹽分礦物，其中仍然含有較多細粒石英、高嶺石、伊利石(云母)和長石。第一類鹽分礦物即為巖片伴生的析出物。主要鹽類為六水瀉鹽(MgSO4·6H2O)，同時伴生少量石膏(CaSO4·2H2O)；而第二類礦物主要鹽類為石膏。六水瀉鹽是不穩(wěn)定的鹽類礦物，在潮濕環(huán)境下吸水可轉(zhuǎn)化為瀉鹽(MgSO4·7H2O)，而瀉鹽在干燥環(huán)境下失水后也可轉(zhuǎn)化為六水瀉鹽。

圖1 對<0.25 mm軟質(zhì)粉狀、絮狀細粒物進行XRD法礦物組成的定量測試Fig.1 Quantitative test of mineral composition by XRD method for soft powdery and flocculent fine particles <0.25 mm

3 討 論

根據(jù)以上的測試結(jié)果，對采集鹽分樣品與云岡石窟巖面不同風化破壞形式的關系進行探討。風化砂巖巖片、巖屑中雖普遍含有碳酸鹽(CO2)礦物，但含量高低明顯不同，含量高低與石雕表面巖石破壞形式有關，含量高者(YG9-1、YG9-2、YG10-1)對石雕表面起明顯的膠結(jié)作用，而成巖片狀分布，阻止鹽分析出表面，因此鹽類析出物形成聚集和鹽脹作用使之裂開(翹起)，形成片狀風化破壞形式。而碳酸鹽含量低的(YG3-1、YG3-2)膠結(jié)作用弱，風化巖屑與鹽分混雜共存，以粉狀破壞形式存在于石雕巖面上。

另外，按鹽類礦物的溶解度大小，它們沉淀次序是方解石(CaCO3)、白云石[CaMg(CO3)2]、菱鐵礦(FeCO3)形成在前，石膏居中，瀉鹽形成在后，即碳酸鹽的膠結(jié)作用在前，硫酸鹽形成在后，并產(chǎn)生鹽脹作用，是產(chǎn)生片狀破壞的原因之一。鹽類礦物成分不同與石雕表面巖石破壞形式特別是碳酸鹽膠結(jié)作用強弱關系，是此次測試研究的新進展，也是今后深入研究的問題之一。

石雕表面風化破壞形式與其所伴生的鹽類礦物是瀉鹽還是石膏，就云岡砂巖而言，不完全取決于云岡石窟的風化巖片、巖屑和全巖，而是由其洞窟內(nèi)的微環(huán)境起決定作用。片狀風化及瀉利鹽和石膏出現(xiàn)頻次最大在進深小，受外界影響大，環(huán)境變化劇烈的洞窟，而粉狀風化和石膏結(jié)晶多出現(xiàn)在內(nèi)部進深大，環(huán)境較為潮濕、穩(wěn)定的洞窟。

在云岡石窟，許多洞窟后壁及所雕琢的石雕表面是粉末狀風化破壞形式大量出現(xiàn)的地方，而粉狀物是以石膏為主的鹽類，其形成和分布都與水的活動密切相關。石窟內(nèi)的滲水、外部的凝結(jié)水和底部的毛細水與空氣中的氧氣、二氧化碳、二氧化硫等長期對石雕表面長石、膠結(jié)物中的鈣質(zhì)、黏土類礦物進行水合作用和溶濾作用，同時水將鹽類帶到石雕面集聚而成含水鹽類礦物，這些鹽類與風化產(chǎn)物被淋濾掉落后，石窟表面往往只剩下一些石英顆粒，手觸即落。

而石雕表面的片狀風化破壞形式多出現(xiàn)在洞窟內(nèi)前部和洞窟外立壁，其薄片常翹起卷曲，往往有多層重疊，在片與片或片與巖體間常有白色粉末狀或雪花糊狀物，多為碳酸鹽和以六水瀉鹽為主，伴生少量石膏的硫酸鹽水化物，此類風化在日照、通風較好的地點更為明顯。

4 結(jié) 論

1) 云岡石窟砂巖風化巖片或巖屑中碳酸鹽礦物的含量不同，其所伴生的鹽類礦物也不同，片狀破壞形式的風化砂巖碳酸鹽含量高，鹽類析出物以六水瀉鹽為主，且含有少量石膏；而粉狀破壞形式的風化砂巖巖屑中碳酸鹽含量卻很低，其鹽類析出物為石膏。

2) 碳酸鹽礦物含量高者對石雕表面起明顯的膠結(jié)作用，碳酸鹽含量低的膠結(jié)作用弱，鹽類礦物成分不同與石雕表面巖石破壞形式特別是碳酸鹽膠結(jié)作用強弱關系，是此次測試研究的新進展，也是今后深入研究的問題之一。

3) 按鹽類礦物的溶解度大小，方解石(CaCO3)、白云石[CaMg(CO3)2]、菱鐵礦(FeCO3)沉淀在前，石膏居中，瀉鹽形成在后，即碳酸鹽的膠結(jié)作用在前，硫酸鹽形成在后，并產(chǎn)生鹽脹作用，是產(chǎn)生片狀破壞的原因之一。

4) 云岡石窟風化砂巖破壞形式與其所伴生的鹽類礦物析出受洞窟微環(huán)境控制，片狀風化及瀉利鹽和石膏出現(xiàn)頻次最大在進深小，受外界影響大，環(huán)境變化劇烈的洞窟，粉狀風化和石膏結(jié)晶多出現(xiàn)在內(nèi)部進深加大，環(huán)境較為潮濕、穩(wěn)定的洞窟。