石窟水分來源探查的新技術

1、石窟水分來源探查的新技術20121023黃繼忠曾經有一位專家說過，“水是萬物之源，然而，對于石質文物而言，水是萬惡之源”。此言雖然有些夸張，但是卻說明了水與石質文物的各種病害都有著直接或間接的關系，比如說石質文物的風化不論是化學風化（直接的溶蝕等作用），還是物理風化（凍融作用等），甚至生物風化（促進微生物或者植物的生長等作用），均與水有密切關系；石窟巖體的裂隙發(fā)育、洞窟的坍塌也可以在水的參與下加速；而各種環(huán)境污染物在水的參與下對石質文物

2、的影響變得更加明顯?？梢娝畬κ|文物的影響是廣泛而嚴重的，解決石窟雕刻繼續(xù)風化的根本出路是準確探測石窟內部水分的進入通道、運移規(guī)律、水量水質以及可溶鹽的分布與運移規(guī)律。“石窟水分來源綜合探查技術研究”課題以云岡石窟為例，在砂巖裂隙導水通道研究、凝結水監(jiān)測與控制技術、石窟水分鹽分聚散規(guī)律研究、石窟山體水汽循環(huán)轉化研究方面取得新的突破。引起世界文化遺產云岡石窟雕刻風化的水分來源問題一直是國內外學者關注的焦點，很多專家也進行過一些針對性的研究

3、，但限于各種條件，相關研究工作還不夠深入系統(tǒng)。“十一五”國家科技支撐計劃項目“石質文物保護關鍵技術研究”專門設置了“石窟水分來源綜合探查技術研究”課題。課題的目標就是以云岡石窟為例，在已有工程物探、水文地質測繪和水文地質勘探的調查資料的基礎上，采用計算機空間建模技術，開發(fā)裂隙巖體三維導水通道模擬識別系統(tǒng)，形成三維導水通道模型；利用六氟化硫(SF6)混合氣體鉆孔壓入技術，開展石窟滲水通道與規(guī)律研究。研究開發(fā)洞壁凝結水量的測量技術及石窟凝結

4、水形成環(huán)境綜合監(jiān)測技術，探究洞窟內巖壁表面凝結水形成的環(huán)境因素，研發(fā)凝結水治理技術。調查及研究石窟山體降水入滲和水分鹽分聚散規(guī)律，鹽分在石窟巖壁的分布規(guī)律和破壞機理為鹽分治理提供科學依據(jù)。采用鉆孔中的溫度、濕度、氣流連續(xù)密集監(jiān)測，開展大氣降水、空氣中的水汽在氣候因子驅動下的循環(huán)轉化規(guī)律的研究。通過以上研究，最終形成石窟水分來源綜合探查技術。該課題由黃繼忠研究員、萬力教授主持，云岡石窟研究院、中國地質大學（北京）、中國地質科學院巖溶地質研

5、究所、建設綜合勘察研究設計院、中國科技大學等單位共同參與完成。歷時三年，課題組通過跨學科聯(lián)合攻關，開展了石窟外部圍巖裂隙測量、六氟化硫(SF6)注氣試驗、孔隙結構特征研究、新型凝結水測量裝置的制作和測試、石窟文物保存環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)、文物保存環(huán)境無線遠程控制除濕系統(tǒng)研發(fā)和巖體水分立體監(jiān)測網統(tǒng)能夠對云岡石窟文物保存環(huán)境的窟內空氣溫濕度、巖體表面溫度、土壤溫度、土壤含水率等各項參數(shù)進行實時監(jiān)測；同時可將監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)綌?shù)

6、據(jù)處理中心，使得研究人員可以隨時隨地掌握洞窟內部環(huán)境情況，并對是否處于凝結期作出準確判斷。為了準確監(jiān)測石窟表面形成的凝結水量，課題組對以往開發(fā)的比較簡單的凝結水測量裝置進行了系統(tǒng)改造，使密封倉實現(xiàn)了較大的采樣面積使干燥劑、流量計、濕度計、風機形成了一體化的封閉回路測量系統(tǒng)。新裝置拓展了設備應用范圍、提高了工作效率和觀測精度。該裝置2011年獲得國家新型實用專利授權（專利號：ZL201120012623.2）。為了解決洞窟內部凝結水的控制

7、技術，課題組研發(fā)了文物保存環(huán)境無線遠程控制除濕系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要針對洞窟環(huán)境相對濕度進行適時調節(jié)，為洞窟內石刻文物保護工作的實施提供了網絡化、智能化實時監(jiān)控的自動除濕系統(tǒng)，從而為凝結水的治理工作提供了技術支撐。石窟水分鹽分聚散規(guī)律研究的新進展云岡石窟山體覆蓋層成分多樣，厚度變化較大，透水性的差異也很大，增加了水源的不確定性。與之相對應的是，石窟圍巖頂板也是高低起伏。這些特征都可使降水入滲之后經歷較為復雜的滲流蒸發(fā)聚集過程，導致水分聚集區(qū)的

8、分布存在不確定性，難以明確各個石窟對應的水源區(qū)及其對降水的響應時間。石窟壁面和巖體裂隙中的可溶鹽不僅來自砂巖本身，還可能來源于覆蓋層鹽分的淋濾下滲?？紤]到鹽分對巖石表面的破壞存在重要的作用，查明水源所對應的鹽分特征有利于更充分的判斷石窟巖壁吸濕環(huán)境的影響因素。為此，課題組對云岡石窟山體覆蓋層和水分聚散特征進行了系統(tǒng)的研究。研究表明，夏季強降雨和春季積雪的融化是石窟山體地下水的主要補給來源，但入滲水進入砂巖的方式受到山頂覆蓋層的強烈影響。

9、在石窟頂部進行的人工入滲試驗表明，地面積水產生的濕潤峰面可以在48小時內穿透厚度1米左右的土層（圖５），因此土層厚度小于1米的區(qū)域是云岡石窟主要的入滲水形成區(qū)。利用氫氧同位素的方法進行了云岡石窟區(qū)地下水來源的判斷，證實了地下水來源為大氣降水，而且降雨在補給地下水之前經歷了一定程度的蒸發(fā)作用引起了同位素的富集。不同類型的水化學特征差異，反映了水的運移途徑和經歷的水文地球化學過程和環(huán)境的不同，并顯示本區(qū)是富硫的環(huán)境。利用高精度的自動化監(jiān)測設