浅析关中地区砂岩文物风化成因及保护方法

摘 要：陕西关中地区的砂岩质摩崖造像群、碑石文物分布众多，是民族的象征和该地区的文化标志。由于各地自然环境、地质条件千差万别，分布在不同环境中的砂岩石刻群、碑石文物处于迥然不同的赋存环境中，在物理、化学、生物等风化作用下，产生诸多病害，因此，应因地制宜的制定砂岩文物保护和防风化治理方法。

关键词：关中地区；砂岩文物；保护对策

我国的砂岩质石质文物多是在天然岩体上刻凿的摩崖造像群，分布较为广泛，且等级较高，规模之宏大是世界上罕见的。陕西关中地区的砂岩质摩崖造像群、碑石文物分布亦较多，最具代表性的是世界文化遗产——咸阳彬县大佛寺石窟，该类文化遗产是传承中华文明的载体，民族的象征和该地区的文化标志，具有非常丰富历史文化信息。而由于各地自然环境、地质条件千差万别，分布在不同环境中的砂岩石刻群、碑石文物处于迥然不同的赋存环境中，在物理、化学、生物等风化作用下，产生诸多病害，因此，砂岩文物保护和防风化治理考虑的角度应因地制宜。

一、地质环境

砂岩由石英颗粒形成，结构稳定，通常呈淡褐色或红色，主要含硅、钙、黏土和氧化铁。砂岩是一种沉积岩，主要由砂粒胶结而成的，其中砂粒含量要大于50%。绝大部分砂岩是由石英或长石组成的。砂岩是由骨架颗粒、填隙的碎屑粉砂和粘土、化学胶结物以及相互连结的网状空间或空隙所组成的。

陕西省沉积岩以分布广泛，海、陆相均较发育，环境多样，物源复杂，岩类较多，成岩后生作用明显，时空上多种岩类共生互变为特点。其中砂岩分布的时代和层位较为丰富。海相砂岩，稳定区以成熟度高的石英砂岩为主，杂基较少；活动带以长石石英砂岩及粉砂岩为主，泥质杂基成分较高。陆相砂岩，以长石砂岩为主，其次为岩屑砂岩。

关中地区红砂岩地层分布也较为广泛，红砂岩因其岩矿中富含较多红色、深红色或褐色的氧化物而得名。其结构主要有两种形式，分别为粒状碎屑结构和泥状胶结结构，因其中所含胶结物及风化因素的不同，导致力学强度差异较大。

二、关中地区砂岩风化成因

关中地区砂岩质文物多暴露于大气环境中，由于环境的交替变化，不断发生干湿循环过程，砂岩的颗粒级配会发生变化，宏观上物理力学性质会随之发生变化。气温的反复变化以及各种气体、水溶液和生物的活动，致使砂岩文物发生风化，削弱、破坏砂岩岩体颗粒间的连接，形成、扩大岩体裂隙，降低断面粗糙程度，极易崩解成较小的碎块，由坚硬变得疏松。经过调研关中地区砂岩质文物，其风化按照成因可分为物理风化、化学风化和生物风化三种类型[ 1 ]。

（一）物理风化

砂岩质文物因温度变化及岩石空隙中水和盐类物质的物态变化，使石刻岩体发生机械破坏而不改变其化学成分的过程，物理风化作用使岩体产生许多裂纹和逐层剥落。导致该类风化因素主要有温差作用、冰劈作用、岩石释重及盐类结晶的膨胀作用等[ 2 ]。

（二）化学风化

该地区砂岩质文物多为粗粒石英砂岩，主要成分为石英、长石、云母，胶结物成分为碳酸盐矿物与泥质、铁质胶结物等。胶结泥质的微粒，机械作用下易变成渣泥状，其吸水性极易增强，在饱水状态下容易发生水化作用，致使泥质微粒体积增大，造成砂岩体积膨胀。水溶液与砂岩质文物中矿物进行化学反应，逐渐分解，结构构造遭到破坏，岩石的成分发生变化。干湿交替产生的应力使砂岩产生微小裂隙，多次反复，最后成粉状或片状脱落。破碎后重新组合的泥质红砂岩，粘结性能差，易松散，强度具有不可逆转性[ 3 ]。

（三）生物风化

部分砂岩质文物表面长有草类和苔藓类，植物根系在岩体的裂隙中生长，对裂隙两壁产生压力，最终导致岩体破裂。生物的新陈代谢的分泌物和生物死亡后的有机体的腐烂分解产物易析出有机酸、硝酸、碳酸等溶液，矿物中的金属离子与酸中的羧基反应生成难溶盐沉淀物。

三、保护方法

砂岩质文物保护处理一般遵循不改变文物原貌、保护材料可再处理性和最小干预等原则。根据石质文物风化机理合理制定保护方法，多數砂岩质文物置于大气环境中，环境控制不易操作。目前较为常用的方法是化学保护方法，而针对砂岩的特性，多选取与保护对象结合的比较好、具有一定渗透深度及加固强度的材料对已风化而濒临危险的文物进行渗透加固保护及必要的表面防护处理，以减缓或阻止其损毁。砂岩保护材料要求粘度低、渗透性或可灌性好，材料抗老化性能良好，材料具有良好的附着力。目前国内外较为常用的化学保护材料主要分为无机材料、有机材料和新型材料。

国内外常用的无机加固材料有石灰水、氢氧化钡、碱土硅酸盐及氟硅酸盐等。有机加固剂分为小分子化合物和聚合物两类，小分子化合物目前用得较多的有德国Remmers300，聚合物类有丙烯酸树脂、环氧树脂和有机硅树脂等。由于在长期的应用中，部分无机材料和有机材料存在一定的问题，如无机材料加固后易产生不相容的硬壳，形成可溶盐造成盐结晶破坏；有机高分子防护材料在野外实际有效寿命达不到文物保护要求，失效的防护材料易产生泛黄、粉化和堵塞微孔等不可逆的作用，有机防护膜憎水性会使石头的内外层产生显著的湿度梯度而容易造成应力破坏。

近年来，随着科学技术的发展，文物保护工作者们不再将目光锁定在传统的加固保护材料上，而是试图研究和开发出新型的对砂岩质文物损伤更为微小的新型材料。新型纳米材料[ 4 ]具有超双亲界面特性、透明及防遮盖特性、耐腐蚀抗氧化性及耐紫外线和抗老化等特性。纳米材料作为一种新型的加固保护剂也得到了广泛的关注，目前应用于防风化剂中的纳米材料主要有二氧化硅、二氧化钛、碳酸钙、氧化锌、氧化铁等。

参考文献：

[1] 郭宏.文物保存环境概论[M].北京：科学出版社， 2001，214-216.

[2] 南京博物院.石质文物保护与研究[M].南京：江苏美术出版社， 2013，1-10.

[3] 曾清林.水对泥质红砂岩的影响研究[D].华南理工大学，2012.

[4] 温晓龙.纳米材料在石质文物保护中的应用与展望[J].文物世界，2004，05：77-78.

资助项目：

陕西省教育厅专项基金（15JK1795）

作者简介：戎岩（1984-），男，陕西咸阳人，咸阳师范学院经济与管理学院讲师，研究方向为文化遗产保护与规划。