1、石窟水分来源探查的新技术2012-10-23 黄继忠曾经有一位专家说过，“水是万物之源，然而，对于石质文物而言，水是万恶之源”。此言虽然有些夸张，但是却说明了水与石质文物的各种病害都有着直接或间接的关系，比如说石质文物的风化不论是化学风化（直接的溶蚀等作用），还是物理风化（冻融作用等），甚至生物风化（促进微生物或者植物的生长等作用），均与水有密切关系；石窟岩体的裂隙发育、洞窟的坍塌也可以在水的参与下加速；而各种环境污染物在水的参与下对石质文物的影响变得更加明显。可见水对石质文物的影响是广泛而严重的，解决石窟雕刻继续风化的根本出路是准确探测石窟内部水分的进入通道、运移规律、水量水质以及可溶盐的分
2、布与运移规律。“石窟水分来源综合探查技术研究”课题以云冈石窟为例，在砂岩裂隙导水通道研究、凝结水监测与控制技术、石窟水分盐分聚散规律研究、石窟山体水汽循环转化研究方面取得新的突破。引起世界文化遗产云冈石窟雕刻风化的水分来源问题一直是国内外学者关注的焦点，很多专家也进行过一些针对性的研究，但限于各种条件，相关研究工作还不够深入系统。“十一五”国家科技支撑计划项目“石质文物保护关键技术研究”专门设置了“石窟水分来源综合探查技术研究”课题。课题的目标就是以云冈石窟为例，在已有工程物探、水文地质测绘和水文地质勘探的调查资料的基础上，采用计算机空间建模技术，开发裂隙岩体三维导水通道模拟识别系统，形成三维
3、导水通道模型；利用六氟化硫(SF6)混合气体钻孔压入技术，开展石窟渗水通道与规律研究。研究开发洞壁凝结水量的测量技术及石窟凝结水形成环境综合监测技术，探究洞窟内岩壁表面凝结水形成的环境因素，研发凝结水治理技术。调查及研究石窟山体降水入渗和水分盐分聚散规律，盐分在石窟岩壁的分布规律和破坏机理,为盐分治理提供科学依据。采用钻孔中的温度、湿度、气流连续密集监测，开展大气降水、空气中的水汽在气候因子驱动下的循环转化规律的研究。通过以上研究，最终形成石窟水分来源综合探查技术。该课题由黄继忠研究员、万力教授主持，云冈石窟研究院、中国地质大学（北京）、中国地质科学院岩溶地质研究所、建设综合勘察研究设计院、中
4、国科技大学等单位共同参与完成。历时三年，课题组通过跨学科联合攻关，开展了石窟外部围岩裂隙测量、六氟化硫(SF6)注气试验、孔隙结构特征研究、新型凝结水测量装置的制作和测试、石窟文物保存环境无线监测系统研发、文物保存环境无线远程控制除湿系统研发和岩体水分立体监测网络构建等 18 项工作；利用科技手段查明了云冈石窟围岩裂隙渗水和凝结水形成转化的规律，对石窟周边整体环境中的水分来源进行了综合探查，确定了降水入渗和大气中的水汽迁移转化过程对云冈石窟的影响，取得了四个方面的成果，研发出了探查石窟水分来源的新技术。砂岩裂隙导水通道研究新成果云冈石窟围岩具有两个重要特点，一是发育裂隙但明显的断裂较少，二是厚
5、层砂岩夹有多个不连续分布的泥岩层。构造节理和风化裂隙可以成为导水通道，而泥岩则可以改变地下水的流动方向。裂隙和泥岩的分布本身变异性较大，两者的组合导致导水通道更加复杂。当洞窟壁面与裂隙网络和泥岩夹层相互交叉时，导水通道的渗出点并不意味着水源区就在垂直渗出点的山体顶部，也不意味着只有一个水源区。在对已有的物探、勘探资料进行深入分析和详细的裂隙测量的基础上，课题组采用中国地质大学（北京）研发的 Joint-OKY2 裂隙分析系统进行三维裂隙网络模拟，结果表明切割云冈石窟顶面和侧面的主要是北东向和北西向的交叉节理，显著裂隙（切割长度大于石窟宽度一半）数量在顶面一般不超过 8 条，在侧面一般不超过 5
6、 条。采用 Monte Carlo 随机模拟方法，分析识别了典型石窟顶部贯通节理（单个节理贯通式切割砂岩顶面与石窟顶部）的发生概率。这些贯通节理可以构成直接的导水通道（见图、表）。采用六氟化硫(SF6)混合气体进行了石窟岩体示踪试验（见图），B7（垂直孔）投放SF6 气体，ZK6 (水平孔) 抽放并取样测到了 SF6 气体，说明 ZK6 (水平孔)和 B7（垂直孔）之间岩体存在气体渗透通道，也可以称为导水通道。同时也说明六氟化硫(SF6)混合气体试验适用于石窟围岩渗流通道的探查。选择 CO2、N2 作为吸附剂对云冈多孔砂岩表面吸附渗透特征进行了分析。表明云冈砂岩的吸附性能介于普通石英砂岩和泥页
7、岩之间，气体吸附量与细小孔隙的比表面积、孔容成正比，岩石风化越强，其吸附气体的能力越强。随着温度的增加，气体吸附能力降低；温度减低，气体吸附能力增加（见图）。凝结水监测与控制技术的新提高在夏季，云冈石窟洞窟内部温度低于窟外温度，当空气湿度较大时，温度低的窟内壁面上往往会有水汽凝结，形成凝结水，使岩壁湿润加重风化。这种凝结水形成过程与洞窟空气动力学、热力学环境存在密切的关系。为了全面了解洞窟内岩壁凝结水形成的环境，课题组采用无线传感网络技术作为实时、动态信息采集的手段，结合太阳能技术等构建了石窟区的环境监测系统（见图）。该系统能够对云冈石窟文物保存环境的窟内空气温湿度、岩体表面温度、土壤温度、土
8、壤含水率等各项参数进行实时监测；同时可将监测采集的数据通过无线方式传输到数据处理中心，使得研究人员可以随时随地掌握洞窟内部环境情况，并对是否处于凝结期作出准确判断。为了准确监测石窟表面形成的凝结水量，课题组对以往开发的比较简单的凝结水测量装置进行了系统改造，使密封仓实现了较大的采样面积,使干燥剂、流量计、湿度计、风机形成了一体化的封闭回路测量系统。新装置拓展了设备应用范围、提高了工作效率和观测精度。该装置 2011 年获得国家新型实用专利授权（专利号：ZL2011 20012623.2）。为了解决洞窟内部凝结水的控制技术，课题组研发了文物保存环境无线远程控制除湿系统。本系统主要针对洞窟环境相对
9、湿度进行适时调节，为洞窟内石刻文物保护工作的实施提供了网络化、智能化实时监控的自动除湿系统，从而为凝结水的治理工作提供了技术支撑。石窟水分盐分聚散规律研究的新进展云冈石窟山体覆盖层成分多样，厚度变化较大，透水性的差异也很大，增加了水源的不确定性。与之相对应的是，石窟围岩顶板也是高低起伏。这些特征都可使降水入渗之后经历较为复杂的渗流-蒸发-聚集过程，导致水分聚集区的分布存在不确定性，难以明确各个石窟对应的水源区及其对降水的响应时间。石窟壁面和岩体裂隙中的可溶盐不仅来自砂岩本身，还可能来源于覆盖层盐分的淋滤下渗。考虑到盐分对岩石表面的破坏存在重要的作用，查明水源所对应的盐分特征有利于更充分的判断石
10、窟岩壁吸湿环境的影响因素。为此，课题组对云冈石窟山体覆盖层和水分聚散特征进行了系统的研究。研究表明，夏季强降雨和春季积雪的融化是石窟山体地下水的主要补给来源，但入渗水进入砂岩的方式受到山顶覆盖层的强烈影响。在石窟顶部进行的人工入渗试验表明，地面积水产生的湿润峰面可以在 48 小时内穿透厚度 1 米左右的土层（图），因此土层厚度小于 1 米的区域是云冈石窟主要的入渗水形成区。利用氢氧同位素的方法进行了云冈石窟区地下水来源的判断，证实了地下水来源为大气降水，而且降雨在补给地下水之前经历了一定程度的蒸发作用引起了同位素的富集。不同类型的水化学特征差异，反映了水的运移途径和经历的水文地球化学过程和环境
11、的不同，并显示本区是富硫的环境。利用高精度的自动化监测设备，完整地记录了云冈石窟二窟寒泉的水文、水化学长时间尺度变化，掌握了窟区上层滞水的水化学动态。使用无损检测方法，研究了洞窟的湿度(水分)特征，揭示了水分的来源，为洞窟水害治理提供了依据。课题组从覆盖层土壤入手，探讨了云冈石窟盐分的形成过程，现场测量了土壤剖面含水量、电导率、温度三个参数，表明石窟顶部积水或者汇水区电导率较大，盐分聚集。对窟顶土壤样品进行的分析结果显示，土壤理化性质和可溶盐成分与土壤覆盖层所处的位置和深度有关。一般土壤下部含盐量高于上部，容易汇水区也较高，是盐分长期累积的结果。利用钻孔土壤可溶盐分析了盐分的垂直变化,并在石窟
12、区及外围调查了盐分的空间分布，分析了土地利用方式对土壤含盐量的影响，表明表层土壤盐分主要影响因素为地质背景和地下水水位埋深。采用硫同位素研究确定了云冈石窟区硫的来源（见图 6）。云冈石窟环境的 34S 均为正值。雨水的 34S 最低，并且与煤层中的黄铁矿硫最接近，认为雨水中的硫主要来自于煤的燃烧。雨水经过包气带后溶解了包气带中的 SO42-，硫同位素值显著增加，滴水的硫同位素介于雨水和土壤的硫同位素值之间。在土壤蒸发的过程中硫酸盐会形成石膏沉淀，重的硫富集在土壤中，轻的硫随降水入渗，所以地下水和地表水中的硫同位素比土壤的硫同位素稍轻。石窟内部砂岩表面的盐类以 MgSO4 为主，其硫同位素值一般
13、在滴水和土壤之间，在盐分沉积结晶的过程中发生同位素分馏，使得盐类晶体中的硫同位素值高于滴水。风化壳的 34S 值最高，达 16.87CDT。因本区周围的煤矿富含硫，因此硫的主要来源是煤开采、运输和燃烧过程的硫沉降。虽然该地层有黄铁矿结核，但砂岩的黄铁矿大部分已经氧化成褐铁矿。云冈石窟环境中硫的活动构成一个大的循环，石窟内部砂岩表面的盐分直接来源于包气带，是渗水带来的。石窟山体水汽循环转化研究的新突破石窟周边整体环境是否还存在其他水分来源在开展本次研究之前尚不明确。虽然水分只能最终来自降水和大气中的水汽，但是水分进入石窟的方式是复杂多样的。目前比较明确的几种方式是否涵盖了所有的水分进入途径？石窟
14、山体包气带的空气与大气之间是否存在水汽交换？国内外对这种现象的认识也明显不足，缺少相关的理论和监测手段。课题组经过反复论证，建立了由自动化气象站、覆盖层监测系统、石窟围岩监测系统（水平孔和垂直深孔）和石窟内部环境监测系统组成的山体水汽循环监测体系（见图），实践证明这套监测系统应用于研究石窟岩体与外界水汽交换的研究是可行的。应用新建立的山体水汽循环监测系统监测结果表明，云冈石窟所在山体含有一定量的空气，与外界存在密切的水汽交换关系。在钻孔中一般深度超过 0.6 米时，孔内空气的相对湿度就可以达到 90 % 以上, 这说明石窟山体包气带相当于一个含有饱和水汽的空气储藏室。石窟砂岩山体深部的温度常年
15、稳定在 910之间，气压也较大气压更为稳定。山体的温度、气压与大气的温度、气压存在季节性的大小轮换变化。受大气压夏季低、冬季高的季节性波动影响，山体空气对流驱动力也存在夏季向上而冬季向下的季节性变化。石窟开挖深入到山体内 1025 米，与大气交换强烈，石窟空气压强和温度的变化也必然引起岩体包气带的气温和气压变化，并与山体的宏观空气运动发生相互作用，对包气带水汽运移会产生一定的影响。在某些行业，水也许算不了什么，而对于历经成百上千年的石窟，无论水的多少，无论是干燥的北方还是潮湿的南方，水都是影响其益寿延年的至关重要的因素。“石窟水分来源综合探查技术研究”课题组综合了水文地质、岩溶地质、化学、地球物理、气象、计算机、文物保护等多个学科知识，将各个不同专业领域的科技优势、资源优势整合起来，以石窟水分来源探测技术为主线，以解决石窟水分来源为核心目标，开展了石窟围岩裂隙网络导水通道的综合探查技术研究，石窟内壁凝结水形成环境的监测和控制技术研究，石窟山体覆盖层水分聚散的探查试验研究以及石窟山体整体水分循环的前瞻性监测技术研究。本课题针对石窟水分来源探查问题展开的研究既有技术上的新进展，也有理论上的新突破，其研究成果不仅对于世界文化遗产云冈石窟的保护具有重要意义，而且为我国同类型石窟文物保护中水源探测提供了科学的方法和手段，对于我国石窟文物保护具有重要意义。
