綜合物探法在大足石刻圓覺洞窟保護中的應用

趙宏欣, 張 晶,2, 魏子賀, 許 鵬, 馬駿驊

(1.遼寧有色勘察研究院有限責任公司,沈陽 110000;2. 遼寧工程技術大學,阜新 123000)

0 引言

大足石刻集釋(佛教)、道(道教)、儒(儒家)“三教”造像之大成,具有鮮明的民族化、生活化的特色,在中國石刻中獨樹一幟,寶頂山石刻作為大足石刻的重要代表,在我國摩崖石刻藝術中占有舉足輕重地位,同時也是中國晚期石窟藝術歷史的重要見證。

近年來,水體侵蝕加劇了寶頂山文物本體及周邊圍巖體的巖石風化剝蝕[1],造成了頂板失穩險情等一系列病害。水體的流通往往發生在巖體破碎裂隙發育區,精確探測文物所處巖體隱伏裂隙破碎發育情況是消除病害至關重要的一環。

常規地質災害調查手段只能了解文物所處巖體表面的病害,無法掌握巖體內部病害的發育情況;鉆孔探測會破壞巖體完整性,增加文物毀壞風險,故而無法應用。而地球物理勘探方法[2-6]作為一種無損檢測技術,能夠在不破壞巖體的情況下對巖體內部結構進行探測,查明巖體不良地質發育情況,為后期病害的治理提供寶貴的資料。

筆者利用超聲橫波成像技術[7]和地質雷達[8]對地層淺部進行探測,推斷解釋了防水混凝土保護層厚度及破碎位置,結合利用微電極高密度電阻率法[9-10]對地層深部的探測能力,推斷解釋了裂隙延伸發育情況,為后期病害的治理提供了參考依據。三種物探方法的綜合利用[11-17]在本次勘探中取得了良好的效果,對類似工作具有借鑒意義。

1 圓覺洞概況

圓覺洞位于寶頂大佛灣南崖西部,是寶頂山摩崖造像中最具有代表性的作品之一。洞口有作奔突怒吼狀石獅一只,窟內正壁刻“三身”(法身、應身、報身),窟內兩側刻有十二圓覺,左右各六尊,下有基座,

六個基座相連形成整體。洞內石雕刻畫細膩、造型優美,裝飾性強,袍袖飄舞輕柔婉轉,如娟似綢。地處四川盆地丘陵地區與川東平行嶺谷交接地帶,屬低山和深丘地區,常年氣候潮濕。

根據調查資料得知圓覺洞第四紀覆蓋層為回填土,厚度未知,一般以黃褐至黑褐色砂土或粉土為主,其中普遍包含有一定量的青瓦、紅磚碎片及砂巖塊石,土體粘性差、結構松散。1998年修繕資料顯示,圓覺洞洞頂區域曾經做過地面防滲處理,對基巖裂縫進行過1∶4環氧樹脂修補,并鋪設150 mm厚1:5灰土找坡防水。同時,上覆雨布防水層,最后覆300 mm厚耕植土,種植草皮。但目前看已有多處大型喬木生長,對圓覺洞頂板防滲極為不利。圓覺洞頂板全部位于侏羅系下段J3Ps-1上部砂巖層,巖層層厚約15 m～20 m為淺褐至灰綠色細粒長石石英砂巖,呈水平狀,多數在層面上含有大量白色片狀云母碎片,局部含有大型薄層狀斜層理,含多條泥巖薄夾層。下伏地層為J3Pl-2下部泥巖層,紫灰色粉砂質泥巖,含綠色鈣質條帶,泥巖表面風化裂隙發育,層理發育不明顯,與上覆砂巖界面處風化形成凹槽,影響圓覺洞整體穩定性。

圓覺洞洞窟現狀如圖1、圖2所示,從圖1可以看出,圓覺洞洞身所處巖體破碎(紅色閉合圈所示)、節理裂隙較發育(黃色線條所示)、巖體完整性差;從圖2可以看出,圓覺洞窟內洞頂巖體有分層剝蝕(綠色線條所示),水澤侵蝕(紅色閉合圈所示)和縱橫交錯節理裂隙發育(黃色線條所示)表現。巖體破碎、節理裂隙等不良地質構造容易形成水體流通通道,危害文物本體,查明洞窟所處巖體不良地質構造發育情況是后期開展治理工作的前提。

圖1 圓覺洞洞口全景圖Fig.1 Panorama of Yuanjue Cave entrance

圖2 圓覺洞窟內全貌Fig.2 Panorama in Yuanjue Cave

為此,在圓覺洞窟洞頂進行物探勘測以期查明洞窟頂板防水混凝土保護層是否存在風化侵蝕破壞現象以及隱伏節理裂隙等不良地質構造發育情況。

表1為研究區內主要巖體物理性質的統計情況。本次勘測任務主要分布在洞窟頂板處,結合地質調查及前期資料可知,該處巖體為砂巖及其上部防水混凝土層。混凝土和砂巖的橫波波速、電阻率值和介電常數存在一定的差異,為地球物理方法開展提供了基礎。根據超聲橫波成像技術和地質雷達反射界面的情況,可以推斷出混凝土層的厚度,再結合其橫向連續性可以推斷防水混凝土層是否存在破損情況。根據微極距高密度電阻率反演斷面圖(圖7)可以推斷巖體內破碎裂隙發育情況,結合防水層的破損位置可以推斷出水蝕通道。

表1 主要巖體物性參數統計表Tab.1 Statistics of the main media's physical properties parameters

2 方法原理

2.1 超聲橫波成像技術

超聲橫波成像技術[17-19],主要是使用超聲波探頭測量超聲波脈沖在介質中的傳播速度、首波幅度和接收信號的主頻率等聲學參數,并根據這些參數及其相對變化來判斷介質的內部情況。超聲波遇波阻抗差異的界面時會發生強反射,根據其幅值可以推斷地層的變化,本次測試采用儀器設備為ACSYS公司研制生產的MIRA A1020型超聲波斷層掃描成像儀,運用合成孔徑聚焦和陣列式超聲(SAFT-C)技術。通過斷層掃描儀的天線陣的測量對采集到的信息形成數據陣列,最后生成被測物體的橫截面視圖(圖5)。

2.2 地質雷達

地質雷達探測技術是利用高頻電磁波在地下電性界面的反射,以探測有關目標物的一種物探方法[20-21]。地質雷達的發射和接收天線緊貼地面,由發射機發射的短脈沖電磁波經發射天線輻射傳入大地,電磁波在地下傳播過程中遇到介質的分界面后便被反射或折射,反射回地面后被接收天線接收到回波,回波信號因傳播路徑、電磁場強度及波形在傳播過程中介質的電性差異及幾何形態的不同而發生變化如圖3所示,通過雷達主機精確記錄回波信號的運動特征,便可獲得地下介質的斷面掃描圖像,根據掃描圖的波形及反射波的強度特征,可追蹤圖像中同相軸等灰度線或等色線,結合其他勘探資料,即可識別地下目標物。

圖3 典型目標雷達回波圖Fig.3 Geological radar operation

電磁波的反射信號強度主要取決于上下層介質的電性差異,差異越大反射信號越強。雷達波穿透深度與地下介質電導率和中心頻率相關,即電導率越高,穿透深度越小; 中心頻率越低,穿透深度越大。電磁波在分界面上的反射系數主要與介電常數有關,在兩層介質的分界面上,當介質的介電常數存在差異時,才會發生反射,分界面兩側的介電常數差異越大,反射能量越強。

2.3 微極距高密度電阻率法

常規高密度電阻率法電極距一般都在1.0 m以上,難以滿足探測要求,本次探測采用0.1 m微電極距,裝置類型為溫納裝置,基本原理是:電極按供電正極-測量正極-測量負極-供電負極的布極方式,等比例排列在剖面上,獲得某一深度的視電阻率值。根據設計要求和場地地形實際情況確定每排列一次性布設60根電極,供電電壓為180 V,供電時間為100 ms,斷電時間為50 ms。測量時AM=MN=NB為一個電極間距,A、B、M、N逐點同時向右移動,得到第一條剖面線(即第一層);接著AM、MN、NB增大一個電極間距,A、B、M、N逐點同時向右移動得到另一條剖面線,這樣不斷掃描測量下去得到倒梯形斷面。

3 探測結果與地質解釋

水體侵蝕洞窟內部文物本體及巖體需要穿過頂板巖體上部防水混凝土保護層,結合現場調查資料可以推斷混凝土保護層存在破損情況。為了查明保護層破損位置及巖體破碎裂隙發育情況及可能的水蝕通道路徑,采用超聲橫波成像技術、地質雷達及微極距高密度電阻率法,對洞窟頂板巖體進行探測。為了防止第四紀覆蓋層干擾實驗結果,在數據觀測前鏟除圓覺洞窟頂部所有的第四紀覆蓋層,然后在其上布設縱橫相交的測線。這里選取其中一條測線,在該條測線上進行了三種方法的數據觀測。由于客觀條件及探測原理所限,不同方法的數據覆蓋長度各不相同,如圖4所示,微電極高密度電阻率法測線長度為7.5 m,電極距為0.1 m;超聲橫波成像技術和地質雷達測線長度為7.0 m。

圖4 實景測線圖 Fig.4 Scene line map

3.1 超聲橫波成像技術探測結果與地質解釋

圖5為超聲橫波成像技術反演剖面,對采集的數據通過專業反演軟件處理生成幅值色彩圖,縱向0.1 m～0.2 m區域有一明顯的強弱能量分界面如圖5紅色虛線所示。結合前期資料圓覺洞頂板上曾做防水混凝土保護層,考慮到混凝土與砂巖的波速間存在差異,其波阻抗不同,二者交界面會出現強反射,推斷紅色虛線以上為防水混凝土保護層。橫向0.2 m～0.7 m、1.8 m～2.8 m、4.3 m～4.8 m、5.4 m～6.2 m區域出現同相軸錯斷現象,考慮到防水混凝土保護層受風化侵蝕破壞后顆粒的膠結狀態發生變化,導致地層不均勻,從而在振幅圖上會出現同相軸錯斷現象推斷為防水混凝土保護層破損處,如圖5中P1、P2、P3、P4所示。防水混凝土保護層風化侵蝕破壞位置是地層薄弱處,更容易遭到水體的侵蝕形成水系侵蝕通道,是本次勘探工作的重要關注點。

圖5 超聲橫波成像技術反演剖面Fig.5 Section diagram of ultrasonic CT method

3.2 地質雷達探測結果與地質解釋

圖6為地質雷達斷面圖,該斷面縱向0.1 m～0.2 m區域有一明顯的反射界面,推斷為地層分界面,紅色虛線所示。考慮到防水混凝土保護層與原砂巖層電介電性存在明顯的差異,電磁波穿過時會產生強烈的反射,在地層交接處會出現反射界面,結合前期調查資料及圖5超聲橫波成像技術反演斷面可以推斷圖6中紅色虛線以上為防水混凝土保護層。橫向0.2 m～1.0 m、1.8 m～2.4 m、4.2 m～4.6 m、5.6 m～6.5 m區域呈現橫向不連續,這表明地層不均勻,推斷為防水混凝土保護層破損處,與圖5中P1、P2、P3和P4對應。

3.3 微極距高密度電阻率法探測結果與地質解釋

圖7為微電極高密度電阻率法反演斷面圖,該斷面整體視電阻率值較低不超過500 Ω·m,縱向0.1 m～0.2 m處有一相對高阻、低阻分界面如紅色虛線所示,虛線上方視電阻率值在150 Ω.m以上,虛線下方視電阻率值不超過150 Ω·m,局部區域低于50 Ω.m。結合調查資料可知該處曾做防水混凝土保護層,推斷虛線以上為混凝土保護層。該段面橫向1.2 m～2.3 m、4.0 m～4.5 m、5.8 m～6.1 m區域深部存在傾斜低阻體,視電阻率值呈相對低阻閉合圈橫向連續性中斷。根據以往經驗,電阻率值呈低阻閉合圈橫向連續性中斷常和含水層空洞、破碎裂隙地質體發育等有關,本次勘探結合地質調查資料,推斷該處為破碎裂隙發育,如LX1、LX2、LX3所示,對比圖5、圖6斷面圖與P2、P3和P4位置對應,這表明水體沿防水混凝土保護層破損處通過向地層深處侵蝕。

對比三種方法的同線探測結果,宏觀上探測結果存在結構一致性,都對覆蓋層厚度的反演良好,其中超聲橫波成像技術方法的覆蓋層顯示為0.10 m～0.15 m,地質雷達方法顯示為0.10 m～0.18 m,微電極高密度電阻率方法顯示為0.15 m～0.25 m。對于防水混凝土保護層破碎位置,超聲橫波成像技術和地質雷達法均有反應,微電極高密度電阻率沒有反應,其中超聲橫波成像技術方法的破損位置顯示為0.2 m～0.7 m、1.8 m～2.8 m、4.3 m～4.8 m和5.4 m～6.2 m四處區域;地質雷達方法顯示為0.2 m～1.0 m、1.8 m～2.4 m、4.2 m～4.6 m、5.6 m～6.5 m四處區域。對于裂隙超聲橫波成像技術和地質雷達法沒有反應,微極距高密度度電阻率法推斷解釋了三條主裂隙分別為Lx1、Lx2和Lx3。根據資料可知,防水混凝土保護層厚為0.15 m,對比勘探成果可知分辨率上,超聲橫波成像技術對厚度反應最大偏差為0.05 m,地質雷達法對厚度反應最大偏差為0.05 m,微極距高密度法對厚度反應最大偏差為0.10 m。

4 結論及問題

運用超聲橫波成像技術、地質雷達及高密度電阻率法對大足石刻圓覺洞頂板進行探測,對比分析探測結果得出以下結論:

1)三種地球物理技術探測圓覺洞頂板防水混凝土保護層厚度是有效的。其中,超聲橫波技術和地質雷達因為采用反射波探測理論,故而比高密度電法對頂板防水混凝土保護層的探測效果更佳,而反之高密度電法對陡傾角裂隙更為有效。

2)超聲橫波成像技術和地質雷達推斷解釋了混凝土保護層四處破碎部位,而對裂隙的發育情況沒有反應;微電極高密度電阻率法推斷解釋了三條主裂隙,對混凝土保護層破損位置沒有反應,分析可能是同一性質的地層物性差異不明顯的原因。

3)三種物探方法的綜合利用在本次勘探中取得了良好的效果,對類似項目有一定的借鑒意義。