石窟水分來源探查的新技術(shù)

1、石窟水分來源探查的新技術(shù)20121023黃繼忠曾經(jīng)有一位專家說過，“水是萬物之源，然而，對(duì)于石質(zhì)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(zhì)文物的各種病害都有著直接或間接的關(guān)系，比如說石質(zhì)文物的風(fēng)化不論是化學(xué)風(fēng)化（直接的溶蝕等作用），還是物理風(fēng)化（凍融作用等），甚至生物風(fēng)化（促進(jìn)微生物或者植物的生長等作用），均與水有密切關(guān)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(duì)石質(zhì)文物

2、的影響變得更加明顯。可見水對(duì)石質(zhì)文物的影響是廣泛而嚴(yán)重的，解決石窟雕刻繼續(xù)風(fēng)化的根本出路是準(zhǔn)確探測(cè)石窟內(nèi)部水分的進(jìn)入通道、運(yùn)移規(guī)律、水量水質(zhì)以及可溶鹽的分布與運(yùn)移規(guī)律?！笆咚謥碓淳C合探查技術(shù)研究”課題以云岡石窟為例，在砂巖裂隙導(dǎo)水通道研究、凝結(jié)水監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)、石窟水分鹽分聚散規(guī)律研究、石窟山體水汽循環(huán)轉(zhuǎn)化研究方面取得新的突破。引起世界文化遺產(chǎn)云岡石窟雕刻風(fēng)化的水分來源問題一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)，很多專家也進(jìn)行過一些針對(duì)性的研究

3、，但限于各種條件，相關(guān)研究工作還不夠深入系統(tǒng)?！笆晃濉眹铱萍贾斡?jì)劃項(xiàng)目“石質(zhì)文物保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究”專門設(shè)置了“石窟水分來源綜合探查技術(shù)研究”課題。課題的目標(biāo)就是以云岡石窟為例，在已有工程物探、水文地質(zhì)測(cè)繪和水文地質(zhì)勘探的調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算機(jī)空間建模技術(shù)，開發(fā)裂隙巖體三維導(dǎo)水通道模擬識(shí)別系統(tǒng)，形成三維導(dǎo)水通道模型；利用六氟化硫(SF6)混合氣體鉆孔壓入技術(shù)，開展石窟滲水通道與規(guī)律研究。研究開發(fā)洞壁凝結(jié)水量的測(cè)量技術(shù)及石窟凝結(jié)

4、水形成環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)，探究洞窟內(nèi)巖壁表面凝結(jié)水形成的環(huán)境因素，研發(fā)凝結(jié)水治理技術(shù)。調(diào)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(jī)理為鹽分治理提供科學(xué)依據(jù)。采用鉆孔中的溫度、濕度、氣流連續(xù)密集監(jiān)測(cè)，開展大氣降水、空氣中的水汽在氣候因子驅(qū)動(dòng)下的循環(huán)轉(zhuǎn)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(shù)。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(zhì)大學(xué)（北京）、中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研

5、究所、建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院、中國科技大學(xué)等單位共同參與完成。歷時(shí)三年，課題組通過跨學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)，開展了石窟外部圍巖裂隙測(cè)量、六氟化硫(SF6)注氣試驗(yàn)、孔隙結(jié)構(gòu)特征研究、新型凝結(jié)水測(cè)量裝置的制作和測(cè)試、石窟文物保存環(huán)境無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)、文物保存環(huán)境無線遠(yuǎn)程控制除濕系統(tǒng)研發(fā)和巖體水分立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)統(tǒng)能夠?qū)υ茖呶奈锉４姝h(huán)境的窟內(nèi)空氣溫濕度、巖體表面溫度、土壤溫度、土壤含水率等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；同時(shí)可將監(jiān)測(cè)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(shí)隨地掌握洞窟內(nèi)部環(huán)境情況，并對(duì)是否處于凝結(jié)期作出準(zhǔn)確判斷。為了準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)石窟表面形成的凝結(jié)水量，課題組對(duì)以往開發(fā)的比較簡單的凝結(jié)水測(cè)量裝置進(jìn)行了系統(tǒng)改造，使密封倉實(shí)現(xiàn)了較大的采樣面積使干燥劑、流量計(jì)、濕度計(jì)、風(fēng)機(jī)形成了一體化的封閉回路測(cè)量系統(tǒng)。新裝置拓展了設(shè)備應(yīng)用范圍、提高了工作效率和觀測(cè)精度。該裝置2011年獲得國家新型實(shí)用專利授權(quán)（專利號(hào)：ZL201120012623.2）。為了解決洞窟內(nèi)部凝結(jié)水的控制

7、技術(shù)，課題組研發(fā)了文物保存環(huán)境無線遠(yuǎn)程控制除濕系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要針對(duì)洞窟環(huán)境相對(duì)濕度進(jìn)行適時(shí)調(diào)節(jié)，為洞窟內(nèi)石刻文物保護(hù)工作的實(shí)施提供了網(wǎng)絡(luò)化、智能化實(shí)時(shí)監(jiān)控的自動(dòng)除濕系統(tǒng)，從而為凝結(jié)水的治理工作提供了技術(shù)支撐。石窟水分鹽分聚散規(guī)律研究的新進(jìn)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(duì)應(yīng)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(jīng)歷較為復(fù)雜的滲流蒸發(fā)聚集過程，導(dǎo)致水分聚集區(qū)的

8、分布存在不確定性，難以明確各個(gè)石窟對(duì)應(yīng)的水源區(qū)及其對(duì)降水的響應(yīng)時(shí)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。考慮到鹽分對(duì)巖石表面的破壞存在重要的作用，查明水源所對(duì)應(yīng)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(duì)云岡石窟山體覆蓋層和水分聚散特征進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究表明，夏季強(qiáng)降雨和春季積雪的融化是石窟山體地下水的主要補(bǔ)給來源，但入滲水進(jìn)入砂巖的方式受到山頂覆蓋層的強(qiáng)烈影響。

9、在石窟頂部進(jìn)行的人工入滲試驗(yàn)表明，地面積水產(chǎn)生的濕潤峰面可以在48小時(shí)內(nèi)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(jìn)行了云岡石窟區(qū)地下水來源的判斷，證實(shí)了地下水來源為大氣降水，而且降雨在補(bǔ)給地下水之前經(jīng)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(xué)特征差異，反映了水的運(yùn)移途徑和經(jīng)歷的水文地球化學(xué)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(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)