大气环境对石质文物遗址病变机理的影响研究

宋土顺，王德顺，田苗，龚凯

(1. 华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；2. 清东陵文物管理处，河北 唐山 064206；3. 华北理工大学 期刊社，河北 唐山 063210；3. 华北理工大学 科技处，河北 唐山 063210)

引言

历史文物内涵丰厚，承载文明，传承文化，维系民族精神，是弘扬传统文化的财富，是促进经济社会发展的优势资源，是培育社会主义核心价值观、凝聚共筑中国梦磅礴力量的源泉。国外文物建筑保护研究较早。19世纪60年代以来，老建筑被认为是值得保护的建筑遗产，文物建筑的内涵得到了拓展，涵盖了蕴含文明、特殊意义、特殊时期建筑等具有突出价值特征的组合体[1]。日本对文物的保护可追溯到7世纪，随着式年造替制度的实施，使得综合文化遗产和建造技法得到有效传承[2]。在近百年的建筑史中"拆旧建新"成为历史潮流，人们为迅速实现现代化，拆毁一个个有价值的旧建筑[3]。直到1897年，《古社寺保存法》的实施，才开始对有形文化财产通过立法的形式进行保护[4]，并通过加固等方法进行修缮。

建国以来，我国十分重视对古建筑和古迹的保护。1980年国务院同意关于加强古建筑和文物古迹保护管理工作的请示报告，强化了我国对古建筑和文物的立法保护。陈志华(1986)探讨了在严谨的科学理论基础之上鉴定、评价、保护和修缮的文物建筑保护机制[5]。Frank(1987)围绕酸雨对环境及生态的影响开展调查，指出生物对酸化水体的敏感性[6]。侯鲜婷(2015)通过防护实验对露天石灰岩文物保护开展研究，针对表面风化和病害严重的石材建筑，设计不同防护材料提升保护效果[7]。清东陵的保护研究在1980年以后得到陆续开展，指出为保护文物和促进旅游事业的发展，应对清东陵开展保护、修缮和管理[8-10]。此后，陆续开展文物建筑群保护利用对策[11]、古建筑维修[12]和石质文物与环境监测的研究[13-15]，探索损伤、裂缝、腐蚀和冻害等治理方法[16]。石质文物建筑的岩石组成比较稳定,由于现代化工业建设造成的环境恶化、酸雨和气候变化等原因，造成石质建筑的风化、病变、龟裂、多孔等多种形态的损伤，因此，开展室外石质文物遗址长期保存的不利因素分析，可提升预防性保护水平。

1室外石质文物建筑材质

在人类文明发展历史中，石器时代人类最早开始利用岩石，随着历史的演变，具有历史意义、艺术价值和科学研究价值的遗物保存了下来，形成石质文物[14]。石质文物材质主要包括砂岩、石灰岩(大理岩)和花岗岩(表1)，在室外大自然环境中，石质文物经受着物理、化学和生物作用侵蚀，发生着石质文物病害过程。

表1 我国石质文物建筑(部分)材质统计表

(1)砂岩材质主要特征

砂岩为碎屑结构(图1，图2)，碎屑颗粒的粒度在0.005～2mm之间，孔隙胶结或基底式胶结，颗粒支撑或杂基支撑。碎屑粒间接触关系为点-线-凹凸接触，碎屑颗粒主要由石英、长石和岩屑组成，碎屑粒间含量>50%，其次为云母、绿泥石和重矿物等次要矿物。碎屑石英，表面干净，无解理，一级灰白干涉色，正低突起。碎屑长石，包括碱性长石和斜长石，卡式双晶和聚片双晶较发育，长石在流体作用下易于发生蚀变，例如钾长石高岭土化，斜长石绢云母化等。岩屑：按成因，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩岩屑。在大气水淋滤和风化作用下，形成裂缝、植物存在、粉化、斑痕和侵蚀等病变。

图1 长石岩屑砂岩(正交偏光，100X) 图2 长石岩屑砂岩(单偏光，100X)

(2)石灰岩材质主要特征

石灰岩材质属于碳酸盐岩类(图3，图4)，主要由方解石和白云石矿物组成，其次为粘土矿物、石英、长石及微量重矿物。主要化学成分为CaO、MgO、CO2，次要化学成分为SiO2、TiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、K2O、Na2O等。石灰岩材质文物主要采用结晶显晶质结构类型为材料，结晶颗粒通常>0.001 mm，方解石矿物在大气水、酸雨等弱酸条件下易于发生溶解作用，形成石灰岩材质文物的蜂窝状孔洞、裂缝、斑痕、侵蚀等病变。

图3 亮晶灰岩，裂缝发育(正交偏光，40X) 图4 亮晶灰岩(单偏光，40X)

(3)花岗岩材质主要特征

花岗岩为结晶结构(图5，图6)，一般花岗岩材质文物为全晶质结构，晶粒粒度>0.02 mm，矿物主要为石英、碱性长石和斜长石，其次为黑云母等。晶粒呈半自形-自形分布，块状构造。显微镜下，石英无色透明，正低突起，一级灰白干涉色，它形粒状；碱性长石主要为微斜长石、正长石和条纹长石，卡式双晶、格子双晶和条纹结构发育；斜长石表面容易发生绢云母蚀变，一级灰白干涉色，聚片双晶发育；黑云母，绿色，片状，干涉色二级蓝绿。花岗岩材质文物在室外条件下，容易遭受风化作用影响，形成色彩变质、裂缝、侵蚀和生物绿锈等病变。

图5 中粒二长花岗岩(正交偏光，40X) 图6 中粒二长花岗岩(单偏光，40X)

2室外石质文物建筑在大气水作用下变化

为了解大气水条件下石质文物建筑的病变机理，采用流体-岩石相互作用实验的方式进行模拟。大气降水为弱酸性水，根据国内外大气降水数据(表2)，参考北京地区和爱尔兰西部的大气降水的离子组成进行溶液配置，综合考虑富含CO32-和HCO3-的水溶液，弱碳酸，pH值5.0-6.4，开展流体-岩石相互作用实验，模拟石质文物中长石、石英和方解石矿物的病变过程。所用药品为Na2CO3，HCl，NaHCO3,，Na2SO4和KCl，配制过程是在500 mL去离子水中加入不同质量的药品。

表2 国内外大气降水的物质组成(单位：μg/L)(柴合范，2001)

(1)长石

样品中长石主要为碱性长石和斜长石，经过扫描电镜观察发现长石类矿物实验前无溶蚀、溶解现象(见图7)。随着温度的升高溶蚀、溶解程度加强，沿着晶体表面形成溶蚀坑和凹槽(见图8)，沿着裂隙形成溶蚀沟(见图9)。在更高温度时，长石骨架颗粒溶蚀、溶解作用强烈，在表面形成次生沉淀物(见图10)。

图7 实验前长石表面干净 图8 长石溶蚀坑、凹槽

图9 长石溶蚀条带 图10 沉淀新生高岭石和绿泥石

(2)石英

石英作为地表最常见、最基本的硅酸盐矿物,是岩石中最稳定的矿物。在实验中石英主要是由单晶石英组成。反应前后的实验样品，经过扫描电镜观察发现石英矿物实验前无溶解现象(见图11)，随着温度的升高，沿着裂缝发生微弱溶解(见图12)。

图11 实验前石英样品无溶解现象 图12 石英沿着裂缝发生微弱溶解

(3)方解石

方解石作为石灰岩材质文物的主要矿物组成,在地表条件下易于遭受风化作用影响，发生溶解作用。在实验中方解石采用的晶体。反应前后的实验样品，经过扫描电镜观察发现方解石矿物实验前无溶解现象，晶间存在微弱孔隙(见图13)，随着温度的升高，沿着表面和晶间缝发生溶解作用，形成齿状残余锥(见图14)。

图13 实验前方解石样品无溶解现象 图14 方解石沿着表面形成齿状残余锥

(4)大气水作用下石质文物病变机理

石质文物材质砂岩、石灰岩(大理岩)和花岗岩，其主要矿物组成为长石、方解石和石英，在大气水淋滤作用下，主要矿物发生这溶蚀、溶解等病变过程[17]。长石的溶解首先发生在长石表面的高能量位置，如元素连接点和晶格有缺陷的地方，溶蚀坑发育在斜长石矿物表面的线缺陷和微孔隙上[18-19]。在大气水作用下，酸性物质随着CO2、CO32-、HCO3-水解作用的发生公式(1)、公式(2)，H+与长石、云母矿物发生相互作用，沿着石质文物表面和解理溶蚀、溶解作用发生，形成高岭石(图10)和金属阳离子公式(3)～公式(5)，同时促进水解作用的进行公式(1)、公式(2)。当Ca2+足够高时，发生CaCO3沉淀公式(6)，这样就在一定程度上消耗了Ca2+，致使溶液中的Ca2+减少。同时溶液中的Mg2+、Fe等元素富集，转化成绿泥石(图10)，沉淀在矿物表面。Dove(2005)运用经典晶体增长理论在解释石英溶解机理,将石英溶解主要分为3个阶段[20]:表面梯台的消退;石英表面缺陷造成的溶解;光滑表面的溶解。石灰岩材质文物在室外条件下，易于遭受大气水侵蚀，发生病变公式(7)。在大气水作用下，石质文物遭受风化作用，发生蜂窝状孔洞、裂缝、斑痕、侵蚀和差异病变等病害过程。具体病变反应过程如下：

CO32-+H2O=HCO3-+H+

(1)

HCO3-=CO32-+H+

(2)

2NaAlSi3O8(钠长石)+H2O+2H+=Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+ 2Na++4SiO2

(3)

2KAlSi3O8(钾长石)+H2O+2H+=Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+ 2K++4SiO2

(4)

CaAl2Si2O8+2H++H2O=Al2Si2O5(OH)4+Ca2+

(5)

Ca2++CO32-=CaCO3

(6)

(7)

3室外石质文物建筑长期保护的不利因素

石质文物建筑长期遭受地质环境、大气环境、水文环境、生物环境和人文环境的影响。随着现代化工业化进程的发展，引起环境恶化、酸雨、酸雾和气候变化等原因，石质文物建筑风化、病变、龟裂、多孔等多种病害常有发生，通过分析室外石质文物遗址长期保存的不利因素，可提升预防性石质文物保护水平。

(1)地质环境

地质环境是石质文物稳定性主控因素之一。岩石形成环境是石质文物材料形成的决定因素，多数文物采取就地取材的方式，主要包括砂岩、石灰岩和花岗岩。不同的石质材料来源于不同的地质背景，例如花岗岩和亮晶石灰岩形成结晶条件，砂岩经历了风化、剥蚀、搬运、沉积和成岩作用，往往花岗岩材质稳定性较高，石灰岩稳定性较弱。

(2)大气环境

大气环境包括温度、湿度、太阳光辐射、大气运动等因素，影响着气候类型。在干旱地区，水的吸收和蒸发作用、盐分的结晶与潮解，对石质文物的病变起决定性作用。在潮湿地区，流体侵蚀和生物风化作用表现突出。在高原和寒冷地区，由于昼夜温差的变化，石质文物的冰劈风化作用强烈。

(3)水文环境

水文环境是由各种地表和地下水体及其分布、运动形态组成的，这些水体的存在，诱发了石质文物的许多病害类型。岩石中有些矿物在流体作用下，易于发生溶蚀、溶解作用，例如碳酸盐和硫酸盐，最常见石灰岩和白云岩。水文环境中酸性污染会加剧溶蚀、溶解作用，如酸雨、酸雾对石质文物产生侵蚀破坏，同时水的溶解和水化作用又会导致岩石胶结组分的破坏等。

(4)生物环境

生物环境主要由动植物和微生物及其活动构成。植物根系在岩石缝隙中生长，产生巨大的压力，导致岩石破裂、变形。乔灌木类的根系对石质产生强烈的劈裂破坏作用，使裂隙不断扩大。不同的植物会给文物带来不同的危害，植物群落会改变小气候环境，微生物对石质文物的危害是普遍的，地衣、藻类、苔藓、菌类等可附着在石质表面和裂隙深处，其生长和繁殖会导致石质文物材质的恶化。

(5)人文环境

人文环境包括工农业生产带来的环境污染和不当的人为干预活动，无意识的如空气污染、环境产生的震动等，是室外石质文物病害加剧的重要因素，近年旅游经济发展带来的不良后果，直接影响着露天石质文物的保存状况。

4结论

通过实地考察，实验室模拟和理论分析的方法，对影响室外石质文物遗址长期保存的不利因素开展了研究，取得以下结论：

(1)我国石质文物材质主要包括砂岩、石灰岩和花岗岩，由长石、石英和方解石矿物组成。在室外条件下经受着物理、化学和生物作用侵蚀，发生着石质文物建筑病害过程。

(2)在大气水淋滤作用下，石质文物发生着溶蚀、溶解和新矿物沉淀作用，形成了蜂窝状孔洞、裂缝和斑痕等病害，形成溶蚀坑、溶蚀凹槽、溶蚀条带和齿状残余锥。

(3)石质文物建筑长期保护的不利因素包括地质环境、大气环境、水文环境、生物环境和人文环境。在石质文物保护过程中，对大气环境和水文环境的治理应放在首位，是根本的石质文物保护方法。