陜西境內遺址表面CaSO4·2H2O產生之水鹽運移規律研究

王永進,紀 娟,石美榮,甄 剛,張 剛,相建凱,董少華

(陜西省文物保護研究院,陜西西安 710075)

0 引 言

土遺址是指以土作為主要建筑材料的人類歷史上生產、生活等各種活動遺留下來的遺跡[1],具有價值高、數量多、分布廣的特點,其突出的歷史內涵和文化價值是中華民族文明與文化發展史的珍貴物證[2]。遺址的保護、展示、利用是一個世界性難題,特別是地下遺址的保護工作經歷了從露天展示、回填保護,保護房防護到全封閉地下式等保護階段,隨著保護技術的不斷進步,如今我國遺址的保存環境已經得到了較大改善,但遺址類病害并沒有完全終止。目前遺址常見的問題是遺址發掘后不久表面就會出現大量的白色物質,為不影響展示只能由工作人員定期清掃,長期勢必會對遺址造成破壞。由于遺址所處的環境不同,其表面白色物質組成也不同,南方土遺址地下水位淺,周邊海水湖泊多,發掘后外圍的水反滲使遺址直接浸泡在水里,遺址土壤濕度為60%以上,其表面白色物質主要為NaCl或Na2SO4。本工作主要研究陜西境內的土遺址,地下水埋深較深,遺址土壤相對濕度保持在30%～40%之間。這類土遺址表面白色物質的主要成分為CaSO4·2H2O[3],并隨著時間逐漸增多,以往的經驗認為遺址表面生成白色物質是由于遺址原始保存環境的改變造成的,只要創造與遺址被發掘前的環境就能抑制表面白色物質的產生[4]。現實情況是遺址的原始保存環境非常復雜,以現有的條件完全模擬出相同的環境比較困難,遺址表面產生CaSO4·2H2O的問題一直沒能解決。近年來相關文獻對遺址表面產生的白色物質組成研究成果較多,而對遺址出土后到表面產生白色物質的過程研究未見相關報道。本研究通過土柱實驗模擬遺址從出土后到表面生成白色物質CaSO4·2H2O的過程,并實時監測各階段土壤水分及可溶鹽的變化,結合土壤中可溶性離子的含量分析,揭示遺址出土后表面產生CaSO4·2H2O的本質。

1 實驗材料與方法

1．1 土柱模擬實驗

實驗采用土柱分析法,供試土壤取自漢陽陵東闕門遺址探方塌落土塊,碾壓粉碎后,揀出土壤內的石塊、雜草等物,然后放入105 ℃的烘箱內烘干24 h,冷卻至室溫后過40目的篩子。將篩好的土慢慢倒入定制的有機玻璃柱,柱高35 cm,直徑25 cm,底部鋪0.3 cm厚的PP棉材料使土與水不直接接觸,PP棉透水性好且不會發霉。柱子底部鉆孔,孔直徑0.1 cm,孔間距為2 cm,水通過底部小孔進入土柱,同時在土柱的底部(A)、中部(B)、表面(C)安置土壤溫/濕度/TDS(總可溶性固體,反應水中可溶鹽的含量)一體傳感器用來監測土壤環境各項參數的變化(圖1),三個位置分別代表遺址表面,遺址中部和遺址底部與地下水接觸的部位。土柱制作好后,將其放入盛水容器中,容器中的水位保持與土柱底部剛剛接觸,隨著土柱對水的吸收需不斷加水保持水位基本不變。為了對比與南北方遺址的不同,同時對兩處南方遺址的表面白色物質、地下水及土壤進行分析。土柱中的原始土壤和實驗用水以及南方土遺址的可溶性離子分析結果見表1,表中的地下水來自各館自來水(館內自打井)。

圖1 土柱實驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of the soil column experiment

表1 樣品離子色譜分析Table 1 Ion chromatography results of the samples (mg/g)

1．2 表面白色物質分析

土柱實驗模擬遺址出土后發生變化的全過程,隨著實驗的進行土柱表面產生白色物質,采集土柱表面白色物質進行XRD分析。

1．3 土柱可溶鹽分布梯度分析

遺址表面白色物質的生成與可溶鹽的含量有直接關系,不同深度的土壤可溶鹽含量不同。因遺址病害常發生在表層,通常遺址表層CaSO4·2H2O的覆蓋層厚度為1～2 mm,要想得到鹽的分布梯度,采樣的深度間隔越小越好。土柱實驗開始20天后表面出現白色顆粒物,隨著時間的推移表面白色物質不再明顯增加,同時水鹽的變化幅度在±0．1個數量級,說明鹽析過程已經達到平衡,故鹽析過程達到平衡后在土柱表層10 mm高度從上往下采用切片式的方法用手術刀每隔2 mm采集一層土壤樣品[5],共采集表層樣品6個,樣品編號為土柱(0),土柱(2),土柱(4),土柱(6),土柱(8),土柱(10),采集后的樣品進行離子色譜分析。

1．4 儀器設備

2 結果與討論

土柱實驗從9月4日開始,全程監測水鹽變化值,直到水鹽變化幅度為±0．1個數量級實驗結束,整個實驗分為前期、中期和后期,前期為土壤潤濕期,中期為土壤水鹽穩定期,后期為表面鹽析期,每期的水鹽變化趨勢不同,土柱實驗的中后期土壤濕度變化趨于穩定,類似于遺址剛出土后的狀態,中期對應的是遺址剛出土時的狀態,后期對應的是遺址發掘展示后表面析出白色物質的狀態。

2．1 土柱各階段可溶鹽、濕度變化分析

1) 土柱潤濕期

土柱浸入水槽中,水從柱子底部的小孔緩慢滲入土柱,在毛孔力的作用下土柱潤濕面逐漸上升。此過程柱中土壤顆粒遇水后發生形變并形成新的孔隙結構,土壤濕度變化不規律,整體水鹽運移變化如圖2～3,土柱A、B點土壤濕度幾乎同步變化,且A、B處的濕度曲線上升過程中出現多次交叉,C點濕度變化滯后約2個小時,三條曲線逐漸增大到頂部變的平緩,濕度不再快速增加,形成A濕>B濕>C濕的濕度曲線,前3個小時可溶鹽變化趨勢為A鹽>B鹽>C鹽,第4個小時B鹽反超A鹽,到第5個小時C鹽反超A鹽,5個小時內可溶鹽的變化趨勢為B鹽>C鹽>A鹽。

圖2 土柱濕度變化(前期)Fig.2 Humidity change of the soil column (earlier stage)

圖3 土柱可溶鹽變化(前期)Fig.3 Soluble salt change of the soil column (earlier stage)

2) 水鹽穩定期

實驗開始9天后土柱全部潤濕,A點土壤濕度達到極限基本為一條水平線,B、C點土壤濕度穩步上升(圖4),最終B點交匯于A點不再增大保持平穩,C點濕度在平衡線來回波動,此時各層土壤達到最大持水量,濕度變化為A濕>B濕>C濕,各點可溶鹽的濃度不斷增大(圖5),A鹽、B鹽增速變緩,C鹽還在不斷增大,形成C鹽>B鹽>A鹽的可溶鹽梯度。

圖4 土柱濕度變化(中期)Fig.4 Humidity change of the soil column (middle stage)

圖5 土柱可溶鹽變化(中期)Fig.5 Soluble salt change of the soil column (middle stage)

3) 表面析鹽期

實驗開始15天后,土壤吸水量達到飽和,A、B點的土壤濕度基本不再發生大的變化,圍繞平均線上下波動,C點因表層土壤水分蒸發,受外界環境影響濕度波動幅度大,濕度變化趨勢為A濕>B濕>C濕(圖6),A、B點由于土壤濕度基本不變,可溶鹽變化為恒定的直線,C點由于水分蒸發使土壤溶液濃度越來越大,首先達到飽和的可溶鹽離子相互結合形成結晶析出,土壤溶液濃度下降,曲線回落,地下水及時補充使土壤溶液濃度又逐漸升高,曲線上升,可溶鹽的結晶與地下水的補充是同時進行的,反應在圖7中就是C處的可溶鹽曲線上下波動,最后形成C鹽>B鹽>A鹽的可溶鹽梯度(圖7)。

圖6 土柱濕度變化(后期)Fig.6 Humidity change of the soil column (later stage)

圖7 土柱可溶鹽變化(后期)Fig.7 Soluble salt change of the soil column (later stage)

2．2 土柱表面白色物質分析

土柱表面白色物質經XRD分析(圖8),與漢陽陵遺址博物館13號坑遺址表面的白色物質為同一類型[6-7],其主要成分為石英、云母、長石和CaSO4·2H2O。

圖8 土柱表面白色物質XRD分析Fig.8 XRD pattern of the white material on the soil column surface

2．3 土柱可溶鹽分布梯度分析

土柱表層土壤中的離子分析見表2。圖9反映了土柱表層10 mm范圍內不同土層土壤中可溶鹽濃度(TDS)變化,從圖中可以看出可溶鹽濃度從外層向內層逐漸下降,表層0 mm處到2 mm處可溶鹽濃度發生明顯變化由48.9 mg/g降低到16 mg/g,說明土柱表層累積了大量的可溶鹽。

圖9 土柱表層可溶鹽含量變化Fig.9 Variation of the soluble salt content on the soil column surface

表2 土柱表層土壤離子分析Table 2 Ion analysis results of the column surface soil (mg/g)

圖10 土柱表層不同土層離子含量比較Fig.10 Comparison of ion contents in different layers on the soil column surface

圖11 實驗前后土壤離子濃度比較Fig.11 Comparison of ion concentrations in soil before and after the experiment

3 結 論

土遺址的主體是土壤,與普通的土壤最大的區別是土遺址載有人類歷史活動的信息,是人類研究歷史的重要依據,保護好土遺址對研究先人的生產生活方式及社會發展有重大意義。然而土遺址的本體土壤又與普通土壤有共性,遺址由于長期深埋地下其與周邊土壤沒有區別,土壤中的水分和可溶鹽保持穩定的狀態,遺址出土后改變了其原始保存環境,由原來的土壤-土壤環境轉換為土壤-空氣環境,在與新環境達成平衡的過程中勢必發生物質或能量的變化。本研究通過土柱實驗得出以下結論。