乾陵石刻化学风化研究

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乾陵石刻化学风化研究’

和玲甄广全

一、引言

乾陵系唐高宗李治与女皇武则天夫妇的

合葬墓。由于盛唐的繁荣中国历史上唯一女皇的显赫,陵园地形地貌建造风格及周围设施之别致,使乾陵为世人所瞩目。现唯一

能看到是的宽阔的神道及两旁的石人、石马、

石狮、石碑及文武官员雕像,它们特具唐代雕刻艺术之魅力,体现了帝王陵墓的气势。神

道两旁现存石刻件历经多年的风雨变迁,历史的沧桑已清楚地印在了每一座

石雕上表面早已不是昔日的浑圆光滑而是坑坑凹凹裂隙发育错综醒目苔鲜地衣布满全身雨水冲刷出深浅宽窄不等的沟槽阴暗部黄色锈物斑斑更有甚者残缺不全,面目全非。如何保护好这些石雕具有非常重要的历史及科学意义。

经查证乾陵所在地梁山出露的中奥陶世灰岩主要有两种类型①一类为浅灰色调

的以隐晶状方解石为主的灰岩由于其中含泥质、灰质及铁质物较少因而呈浅灰色称

微晶灰岩另一类为深灰色灰岩其中含大量的碳酸盐泥晶以及一定量的生物骨屑。就

两种灰岩本身来说导致其风化的因素不外

乎两个方面一是岩石本身的物理化学性质孔隙度、膨胀系数、吸水率、化学稳定性

等以及组成岩石的矿物种类、岩石的结构

及构造,即内在因素二是岩石所处的自然环境气温变迁、降雨及地下水活动、大气

污染及生物侵蚀等,为岩石风化的外界因

素。乾陵神道两旁石刻经历了上千年的户外

影响表面已被严重风化。那么什么因素使

得岩石风化,它们又以怎样的形式对岩石起破坏作用呢这是我们应该弄清楚的一个问题,它的理解对如何采取保护措施是必不可

少的。

就神道两旁石雕而言,化学风化因素主要有以下几点水或湿气。包括大气中

水蒸汽、雨水、雾、霜、雪及地下毛细水,水的冲刷、浸蚀和融冻作用使岩石风化。盐

分。其实盐分也与水有关,它是借水来迁移的盐的浸蚀、溶解、结晶、热膨胀等对岩

石有破坏作用。大气中的污染成分。主要是硫化物的影响。附着生物分解出的酸和盐这一点在乾陵石雕尤为突出。

换句话说,湿气与盐分是乾陵石刻化学风化的最突出因素。本文通过系列样品的一射线衍射及可溶盐含量分析,给出乾陵石

雕的现存风化程度对石雕的化学风化原因及机制进行分析探讨为乾陵石刻的科学保

护提供依据。

二、采样与分析

样品来源

就风化表面现象的差异针对雕像风化

状况分别在黑色凹凸面、雨水冲刷面、黄

本工作系国家文物局科研项目“乾陵石刻化学保护”的一部分。

一一

色锈物面及东西不同方向、不同部位等取得

表面刮样。样品分别在一对石人及一对石马

上采取。为了进一步了解风化岩石与新鲜岩石的差异,每组样品都取有新鲜岩样,位置

分布见表一。

表一刮样位盆表

样品编号雕像名称采样位置

西侧第七石人‘西侧第七石人西侧第七石人基座新鲜岩样东向刮样正面刮样西向刮样背面刮查

西侧第二石马西侧第二石马西侧第二石马基座新鲜岩样表皮刮样腹部及腿部黄色锈蚀犷尹一护

东侧第四石马东侧第四石马东侧第四石马东侧第四石马东侧第四石马基座新鲜岩样黑色凹凸表破背部黑色刮样腹部黄色锈物白色沉积物产扩尹

东侧第七石人东侧第七石人东侧第七石人东侧第七石人东侧第七石人新鲜岩样裂缝处黄色锈物身部刮样头部刮样肩部刮样林井称,】亡门}门且二

,神道南北走向雕像从北向南数起。

表二一射线衍射分析结果

样品位置矿物组成

称西第七石人新鲜样样方解石一石英一,

称西第七石人东向样样方解石石英白云石长石・・长石

西第七石人西向样方解石白云石石英

一一

样品位置矿物组成注

西第二石马新鲜样方解石一”写石英一

林西第二石马表皮样方解石纬石英

称西第二石马黄色锈物物方解石石青石英。・长石水碳铜镁石石膏

东第四马新鲜样方解石白云石石英

东第四石马粗糙面方解石白云石石英英

称东第四马背部刮样样方解石白云石石英长石水草酸钙石

林东第四马黄色锈物石膏方解石石英

东第四马白色沉积物方解石石英水草酸钙石。水碳铜镁石

东第七人新鲜样样方解石一”石英一纬

东第石人裂缝处黄色方解石石青写石英锈物长石枯土万东第七人身部刮样方解石”石英

称东第七人头部刮样样方解石纬石英微斜长石钠长石粘土东第七人肩部刮样方解石石英滑石

表三可溶盐分析结果

重量体积一犷录

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一一

重量体积十一于爱

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分析内容

一射线衍射分析简称一分析

对表面刮样进行一定量分析以获得现存风化物的存在形式。

可溶盐含量分析就所采的个样品

分析取用去离子水提取

其中的可溶成份。室温下溶解小时并不断

搅拌使可溶于水的组份充分溶解过滤溶液

并配制成定量浓度。用美国公司生产

的直读式分光光度计测其中的可

溶盐离子浓度。

阳离子一、、,、,

阴离子一、犷、一、牛

三、分析结果及讨论

一一射线衍射定量分析

所用仪器型号一旧本里学

株式会社生产分析条件电流电

压铜靶石墨单色器。

一分析结果见表。就每组样品综

合分析评估可以给出风化产物的初步结论。

西侧第七石人“一“岩石矿物的

主要组成为方解石约占一

仅含少量硅石。由于化学风化方解石被分

解溶蚀或转化其残留表面中方解石成分减

少,而为白云石及长石等取代西向样品中

方解石转为白云石东向转为白云石及长石。神白云石

方解石、、、〔〕长石

但东、西向的情况是大不相同的,如西向有的方解石被白云石取代而东向仅有

的方解石被白云石及长石取代。可以说西

向的风化程度远大于东向。这与当地的环境有关,梁山较周围地面高,四周空旷西北

风经常侵袭雕像,西向受到的影响远大于东向加之雨水等也以西北走向浸刷石雕致

使西向风化较为严重。

东侧第七石人“一这一组样品的分析结果可以说明石雕随高度的风化情

况。其矿物组成也以方解石为主身部风化较轻肩部次之头部最为严重。肩部的风

化产物为滑石而头部的风化产物为长石并

且含量高达巧。

分〔〕滑石

方解石、、、〔〕长石

裂缝内的黄色锈物为石膏旦斗・石膏

无凝一来自雨水、地下水及大气污染。而且在许多石雕的凹面或阴暗部位都有黄色锈

物存在。

西侧第二石马“一“石马岩石的矿

物组成与石人相似。腿部黄色锈物为石膏

,与石人裂缝内的黄色锈物的结果相

同。

东侧第四石马“一“此石马通体

较黑矿物组成与其它类似。背部的黑色刮

样分析结果表明此处残留表面方解石被白云

石、长石及水草酸钙石取代。白色片状物“分析结果说明其为有机矿物水草酸

钙石及水碳铜镁石,理应是苔鲜地衣及微生物风化的结果。黑色坑凹状表面“属风

化严重区,此处相当量的白云石存在。腹部的黄色锈物“为石膏。黄色锈

物为石膏被这一结果得到完全证实。直丛酸水草酸钙石及水碳铜镁石

综合以上讨论,乾陵石雕由灰岩雕刻而

成灰石的主要组分为方解石。方解石风化

后的产物分别为白云岩、长石、滑石、石膏

及有机矿物等。在错综复杂的风化过程中,白云石、长石、滑石、石膏等中的离子主要来自外界,即来自雨水、地下水、大气等。水中溶解的、‘、在风化的过程中与溶解作用最终形成白云石。而长石、滑石有可能是与可溶盐作用的结果,也有可能是灰尘、土壤附

着在岩石表面后久而久之与表面矿物结合形成的风化产物。也就是说水及水中的可溶盐对风化起着重要作用。它们以怎样的形式使方解石风化将在后边讨论。

二可溶盐分析可溶盐分析结果见表。结果表明至

及一含量较小主要是氯化物及硫酸盐其中硫酸盐最突出钙化物的含量较高。可

溶盐的存在对岩石起着破坏作用它会使岩

石表面结壳、脱落、产生裂缝等。对乾陵石

刻来说主要是硫酸盐的破坏作用。已有文

献报道可溶盐是最有效的岩石风化剂②盐的活动以水作载体可以分散在岩石内部也

可以聚集在一起它们的存在形式多种多样以不同的结晶梯度以风化物及次风化物存

在于岩石的表皮及表皮下边有时也以可溶盐的形式存在于溶液中。

在此我们主要讨论这些盐对乾陵石雕

造成的危害。三讨论

从表看出,尽管各种离子的浓度不是

很大,最大的圣浓度为,但这些

盐的作用过程是日积月累的,应考虑它的宏

观效果。盐对岩石的风化作用可用湖泊中盐

的形式为例来说明风化岩石淋流出的盐被

地下水传送流入大海湖泊久而久之盐就

会聚集。当水分蒸发时溶液即浓缩此时如

有某一相达到过饱和时这一盐分就会析出。

在多相盐共存的系统中,依其溶解度及离子

的活泼性,盐按一定的顺序从溶液中析出,当

盐以大块大块的形式分散在一定的面积内它

们就局部浓缩。乾陵石刻盐风化也有类似的

过程,由地表地下、空气污染及生物新陈代谢出的盐分以水溶液的形式在岩石孔隙内活动,当水蒸发时,盐分聚集浓缩,达到过饱和时在毛细端口结晶出来,并以风化物的形式局部浓缩在岩石表面,以次风化物的形

式沉积在表面下边图一。结晶在表面或表面下层的盐会施加结晶力及水合力于岩石的

孔隙或其它洞孔中打破了物体的原有结构和平衡使岩石遭受一种外来的分解力而最

终被破坏。

乾陵岩石风化的最主要盐分是硫酸盐,

它除了在岩石表面结壳外还会使岩石产生裂缝其产生裂缝的过程简述如下盐

在孔隙内结果。随着晶体慢慢的长大,晶

体会超过孔隙的尺寸逐渐地与其它孔隙沟

道重迭盐形成簇状孔隙尺寸被晶体撑大对垂直的孔隙壁产生一种压力结果会在

平行于已被结晶盐填满的孔隙的岩石表面上

产生小裂隙。结晶在裂隙处聚集只要

晶体被溶液覆盖和填满晶体就会继续生长,

晶体的生长使裂隙撑大变宽裂隙的扩展会变得越来越宽最终成为裂缝。雨水的冲刷也

促使裂缝变宽。

裂缝在乾陵石雕上表现较为突出当然它的产生与岩石本身的物理性质及周围环境

也有关系盐结晶的影响只是一个方面。