可溶盐对云冈石窟砂岩劣化试验及模型建立

可溶盐富集是造成山西大同云冈石窟砂岩表面风化、结构破坏及强度降低的重要地质病害之一。采取云冈石窟造像层砂岩,使用芒硝对该砂岩进行了劣化模拟试验。在可溶盐反复结晶过程中,对样品进行实时变形监测,并对循环过程中质量衰减、强度变化、孔隙分布等进行测试与分析。结果表明,可溶盐的发育是导致石窟表面粉化脱落的重要因素,严重降低了石窟文物本体的价值;可溶盐结晶导致岩石颗粒间胶结作用破坏,增大岩石孔隙率,岩石内部结构劣化严重影响岩石的刚度与强度等力学参数;对比无水芒硝与10水芒硝两种劣化试验,云冈石窟在相对干燥季节下,可溶盐晶体发育对岩石破坏更为显著。为了预测砂岩长期劣化过程,在试验数据基础上,初步建立起孔隙增长的对数模型和强度衰减的指数模型。     

宝顶山石窟造象岩壁风化产物化学特征及形成分析

为研究宝顶山石窟区造象岩壁风化破坏及渗水危害的作用机理,选择不同类型风化产物进行定期采样监测。本文重点论述了外围岩石和造象岩壁风化产物的化学成分及矿物成分、风化产物可溶盐的化学特征及可溶盐类型,以及这些特征的多年变化规律,分析论证了可溶盐不同水化学成因类型的形成特征,为防风化防渗水危害治理措施提供可靠依据。     

北山典型石窟风化产物化学特征及变化规律──典型窟渗水病害研究之二

为研究北山石窟渗水病害的形成和作用机理，提供化学保护和治水措施设计依据，对三个典型窟进行了系统采样监测。本文着重论述典型窟岩石和风化产物的化学成份和矿物成份，造象岩壁表面风化产物中可溶盐的化学成份特征及可溶盐类型．根据多年雨、早季及浸水带、潮湿带采样分析结果，获得各种化学组份多年变化规律，为探索造象岩壁风化破坏与渗水的关系以及选择化学保护方法提供了可靠的依据．     

四川仁寿牛角寨石窟盐风化作用机理与气候响应

盐风化作用是石质文物风化劣化的重要机制之一,但其作用机理及其与气候的响应过程仍需进一步的研究。笔者等以仁寿牛角寨石窟的岩芯样品和风化样品为对比研究对象,采用镜下鉴定、X射线荧光光谱（XRF）及X射线衍射（XRD）和电子探针（EPMA）对样品的化学组成和矿物组成进行对比研究,并重点研究了样品中可溶盐的组成及结晶状态。化学组成上,风化样品中SO3平均含量是岩芯样品的16倍以上;矿物组成上,岩芯样品仅在表层0~22 cm中发现微量的石膏,而风化样品中检出了至少17. 5倍高于岩芯的石膏以及微量的Na2SO4和NaCl,这指示石窟砂岩的风化劣化与可溶盐尤其是硫酸盐有关。通过对Na2SO4、NaCl及石膏性质的研究,发现Na2SO4可以响应气候条件发生反复的Na2SO4+10 H2O Na2SO4·10H2O结晶—脱水反应,结晶时体积膨胀416%,特别是在潮湿气候条件下Na2SO4的二次结晶作用可对岩石产生更强的破坏;NaCl的存在可以降低Na2SO4的脱水相变温度（最低可至17. 6℃）和溶解度,放大Na2SO4在岩石风化过程中的作用;CaSO4对岩石风化劣化的贡献较小,但其可作为在风化作用下岩石中可溶盐聚集的指示产物。结合对温度、湿度监测数据的研究,发现每日温度、湿度随时间的变化天然契合Na2SO4—NaCl体系的温度、湿度转变条件。气候条件耦合盐风化作用是牛角寨石窟表层砂岩的主要风化方式。     

四川广元千佛崖石窟造像表面风化的环境地质问题分析

采用温湿度测试、石窟造像渗水实验、石窟造像吸水的红外成像、岩石特征分析等手段,对四川广元千佛崖石窟造像表面及其周围环境进行监测,以及对石窟造像岩石特征进行分析。结果表明：进深较大的窟室内外存在2℃~4℃的温差,岩石0~40 mm深度范围内温度与外界气温存在显著相关性;石窟造像岩石主要成分为长石、石英、黑云母及黏土矿物,岩石渗水率和吸水率高,表层风化程度高。环境和岩石特征揭示广元千佛崖石窟造像的风化机理为：石质文物棱角部位和小型石窟造像对温度的变化敏感,当气温出现变化时,其温度变化剧烈,而其他部位相对滞后,从而导致石窟造像表层岩石在热胀冷缩的应力下出现微裂隙,并随着微裂隙逐渐增大,石质文物表面出现疏松、起壳、鳞片剥落等病害。同时微裂隙的出现增加水入渗的途径并扩大水-岩相互作用的面积,含水矿物的水合压力和结晶压力使岩石内部结构疏松逐渐破坏;水化学作用导致可溶盐离子形成,并随水毛细迁移在石窟造像表面聚集,导致石窟造像表面酥碱、锈染、彩绘层空鼓等失去原真而破坏。最后提出在窟龛上面加盖窟檐和在崖顶及立面坡面刻槽疏排水流等石窟造像治理措施来减缓其表面风化。     

水–盐作用下红层砂岩声波特性劣化试验研究

水-岩作用是岩石表面风化、结构破坏以及强度降低的重要原因之一,也是岩土力学研究领域的经典问题。基于此,以甘肃兰州地区红层砂岩作为研究对象,通过进行10次不同(盐)溶液下的干湿循环,研究了红层砂岩的声波劣化特征以及劣化机理。研究表明:(1)随着干湿循环次数的增加,试样的质量逐渐减少、纵横波速逐渐降低,这种变化在高浓度硫酸盐溶液中更为明显,且垂直层理试样比平行层理试样更容易遭受劣化;(2)通过岩石纵波的频谱特征分析,发现Na_2SO_4溶液条件下,岩石的能量损失较NaCl溶液更显著。同种溶液中,浓度越高,岩石的能量消散越大;(3)在劣化过程中,出现了2种形式破坏:端面剥蚀和沿层理的横向断裂和纵向劈裂;(4)微观结构分析表明,水-盐作用下岩石的胶结变差,导致孔隙变大是影响红层砂岩声波劣化的主要原因。研究成果对于红层砂岩边坡长期稳定性评价具有较大的参考价值,同时,也为砂岩质文化遗产评价、保护提供科学依据。     

龙游石窟岩面水岩作用研究

在龙游石窟砂岩胶结物的粘土矿物类型及特性研究的基础上,对窟内的积水、洞室顶部的裂隙渗水、地表水及衢江水等水样进行化学分析,结果表明石窟砂岩的矿物组成及构造, 决定了洞室渗水的水质,是造成水质不同的主要原因。对石窟洞室砂岩试样分别浸沉在上述水及蒸馏水中,并定期对浸沉水样进行化学分析,研究了石窟砂岩与水的相互作用机理,结果表明:由大气降水入渗而形成的渗透水对石窟的影响主要是渗透过程中发生的水化、溶脱、氧化等反应,从而导致洞室砂岩的矿物组成及构造产生变化,同时也直接影响了渗透水的水质。因此,粘土矿物与水之间有着相互制约,相互影响的作用,但是岩石中所含粘土矿物特性是使砂岩发生风化的主要原因。     

砂岩风化及其工程地质效应

在成岩条件差、胶结程度低的砂岩中进行工程活动时,经常遇到边坡破坏、井壁破裂、巷道过度变形等事故。在岩石胶结特性和室内分析试验的基础上,分析了不同胶结状态的砂岩风化特性及其工程地质效应。同时,对砂岩文物风化与保护进行了论述。研究表明:1水溶液对砂岩风化起着重要作用,其影响着砂岩风化过程中的元素迁移、化学反应类型和速率,同时溶液还改变着岩石周围化学反应的pH和Eh值;2泥质胶结、硫化物胶结和碳酸盐胶结的砂岩容易受到环境影响风化,对工程影响较大。在强还原环境中砂岩暴露于地表后,易于风化,且风化后形成的酸性水环境有利于长石胶结砂岩的风化,进而影响岩石工程性质。     

云冈石窟砂岩循环冻融试验研究

风化是云冈石窟目前所面临的严重的地质病害之一,温度和水分的变化是造成石窟岩体风化的重要原因,尤其是在循环冻融条件下岩体更易风化,因此,利用室内试验研究循环冻融条件下云冈石窟砂岩的物理力学性质,对于石窟岩体的稳定性评价和保护具有重要的意义。将取自云冈石窟的砂岩岩样分为饱水组、干燥组和对比组3组,通过对饱水组和干燥组岩样进行35次循环冻融试验,模拟云冈石窟砂岩的风化过程。在冻融循环开始前以及每5次冻融循环结束后,量测岩样的质量、体积,并利用超声检测分析仪对各岩样进行超声纵波测试;利用INSTRON－1346岩石伺服试验机对上述3组砂岩岩样进行单轴压缩试验,并对试验后的岩样进行SEM微观结构分析。通过试验研究,得到不同含水状态下云冈石窟砂岩岩样的冻融破坏特征以及不同循环冻融次数后岩样体积、质量、超声波纵波波速、砂岩的单轴应力-应变全过程曲线、抗压强度、抗冻系数以及微观结构的变化,分析归纳出循环冻融条件下云冈石窟砂岩的主要物理力学特性。     

广东丹霞山白垩系红色砂岩崖壁上风化洞穴成因的矿物学研究

基于盐风化作用和化学风化作用在砂岩风化洞穴形成中的意义，本文利用硫酸盐与氯化物等盐类物质对丹霞山岩壁上的红色砂岩进行盐浸泡实验，并对比浸泡前后岩石结构、化学成分及矿物组成的变化，旨在为盐类物质在丹霞山岩壁上洞穴形成中的意义积累科学数据。结果表明，盐浸泡可以使红色砂岩中的矿物组成产生变化；含SO₄^2-比含Cl^-的盐溶液对红色砂岩洞穴破坏更为显著，且浓度越高对砂岩表面的剥蚀作用越强烈；盐溶液会使红色砂岩胶结物严重流失，且盐类物质在砂岩孔隙中结晶后，因其粒径的逐渐增大，致使大颗粒石英附近的裂隙扩大，进而加快洞穴的形成。总体上，广东丹霞山红色砂岩崖壁上风化洞穴的成因可解释为长石溶蚀、胶结物流失与盐风化共同作用的结果。     

Cavernous Weathering in Aeolian Sandstones: An Example from the Yongningshan Hill of the Loess Plateau, Northwest China

Cavernous weathering is commonly found on sandstone slopes in different environments. Either a single dominant process or polygenetic agents require to be invoked in order to interpret the development. The Yongningshan hill of the central Loess Plateau is representative of cliff dwellings in Northwest China, which is characterized by well-developed cavernous weathering features and provides a good opportunity for the better understanding of sandstone weathering in the Loess Plateau. Multiple methods, including field survey, in-situ rock strength measurement, along with experiments on samples for microscopic observation, element composition and salt chemistry, were employed to investigate the controlling factors of cavernous weathering. The results show that cavern development is different on the four slopes with the western slope hosting massive honeycombs, tafoni and hardened surfaces. The porous and permeable aeolian sandstones are fundamental, because they provide space and pathways for the transportation of water and salt, honeycombs dominantly aligning within the lamination of cross-beds. The environmental factors such as the seasonal wetting and drying cycle, aeolian salt, moisture and water vapor are key factors for the development of cavernous weathering forms. The northern and northwestern wind-blown dust storms have brought abundant salts, the lengthier dry periods of the wetting and drying cycle being beneficial for salt accumulation within caverns, favoring salt weathering.     

敦煌莫高窟北区崖体沿纵深方向风化特征研究

日益严重的风化侵蚀,严重影响了莫高窟围岩的稳定性和壁画的赋存环境,成为威胁洞窟文物安全的严重隐患。为研究莫高窟北区崖体沿纵深方向的风化特征,选取莫高窟北区北侧一处崖体为试验点,采用逐层剖切的方法,沿水平方向由外向里依次取样编号。通过室内颗分试验、现场声波测试、可溶盐测试及X射线衍射测试,分析其变化规律。试验结果表明:地层颗粒组成的差异将影响崖体的抗风化能力;声波波速呈现震荡性的变化趋势;在水平深度0.7 m范围内钠长石含量相对减少,石英含量相对增加;崖体在水平深度0.4~1.0 m范围内可溶盐含量呈现递减特征;可溶盐是影响北区崖体风化的重要因素之一。综合分析各测试结果,认为1号、2号和3号探洞风化厚度分别为1.0 m、0.6 m和0.4 m。崖体风化呈现空间差异性,顶部风化最为严重,底部风化最弱。     

衢州古城墙通仙门不同岩性岩石砌块相对风化速度研究

岩石的长期风化作用会造成岩石表面的剥落,这将导致石质文物产生无可挽回的破坏。为了更好地保护它们,需要开展在相同风化环境下岩石风化剥落深度和相对风化速度及其与不同岩性关系的研究。本文以衢州古城墙通仙门的多块岩石砌块为研究对象,利用自制的测量仪器,对不同岩性岩石砌块风化剥落深度和风化速度进行了研究; 通过分析量测结果得出凝灰岩、砂岩、砾岩、含砾砂岩和粉砂岩相对灰岩的风化速度分别为0.005～0.059mm a-1、0.032～0.097mm a-1、0.004～0.058mm a-1、0.021～0.033mm a-1 和0.015mm a-1。研究结果表明:在相同的风化环境之中不同岩石砌块的风化速度从大到小排序为V砂岩V凝灰岩V含砾砂岩 V砾岩V粉砂岩V灰岩,即岩石抗风化能力从强到弱为:灰岩粉砂岩砾岩含砾砂岩凝灰岩砂岩。由此,为石质文物的长期保护以及制定相关的保护措施提供了重要的理论依据。     

基于CT影像的砂岩文物结构特征分析

对于砂岩文物,成分不同、结构不同,表面变化过程和变化结果也不同。以中国三处(石门山、云冈石窟、乐山大佛)砂岩文物为例,联合使用肉眼鉴定与灰度阈值法得到了砂岩文物CT图像中不同矿物成分的实际分布,分析了不同位置切片图像的成分特点与结构特点,研究了砂岩内部结构数字图像特征参数的变化规律,探讨了三处砂岩文物数字图像特征参数的区别及其与岩样外观表现的关系。结果表明,三处砂岩文物样品主要成分均为石英和长石,石英含量大小顺序是石门山砂岩>云冈石窟砂岩>乐山大佛砂岩;乐山大佛砂岩形状变化最小,云冈石窟砂岩次之,石门山砂岩形状最不规则;石门山砂岩纹理最复杂,乐山大佛砂岩最为简单;乐山大佛砂岩表面风化严重、但随深度增加变化不明显,云冈石窟砂岩距表面越深、风化越弱,石门山砂岩风化变化比较复杂。研究结果对石质文物保护具有重要的参考价值。     

中国不同气候带盐风化作用的地貌特征

盐风化作用是地球表面普遍存在的一种物理风化作用,由于盐类的周期性结晶作用而造成地表岩石和建筑材料的破坏,形成诸如风化穴或蜂窝石构造等地貌景观。盐风化作用也是差异风化的主要表现形式之一。然而,到目前为止盐风化作用在中国地学界仍然被严重忽视,以至于盐风化作用造成的地貌景观常常被地学研究者和科普人士误读为海浪冲蚀、流水侵蚀、风蚀作用等。经过近十年的野外观察与探讨,笔者等对盐风化的形成机理和表现形式有了深入的理解。本文以中国境内东部海岸带、华北半干旱区、西北干旱区和东南湿热气候带基岩露头为例,系统地分析了盐风化作用的机理及其在不同气候带的表现形式。盐风化的必要条件是:适当的可溶性盐类(如Na_2SO_4、NaCl等)供应、周期性的干湿交替和温度变化。盐风化作用主要在发育可渗性孔隙的砂砾岩类和富含微裂隙的花岗岩类之露头表面表现明显,可以形成特征显著的盐风化穴。盐风化作用形成的地貌景观在东部海岸带和西北干旱区表现尤为明显,常常形成蜂窝石构造和大型风化穴,与风蚀作用的痕迹明显有别;而在华北半干旱区和南方湿热气候带虽然受到降雨等其他因素的影响而常常遭受改造、叠加甚或清除,但在某些露头区仍然保留有重要的识别标志,形成大型风化穴以及小型蜂窝石构造。笔者等强调:地表各种地貌景观形成过程中都有盐风化作用的贡献,而建筑物和景观保护也必须考虑到盐风化作用的影响。建议地学同仁重视盐风化作用的普遍性和重要性,在相关教材中补充更新盐风化的概念,并以科普的方式通过多种媒体纠正过去的错误认识。     

红山窑膨胀红砂岩湿化特性试验研究

针对红山窑膨胀红砂岩具有微膨胀、易软化、易风化的特点,采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、MTS815.03岩石力学刚性电液伺服试验机等先进的设备为测试手段,对3种不同风化程度的膨胀红砂岩湿化过程进行观察和机理分析,从试验和机理两方面探讨膨胀红砂岩的湿化性,从而进一步阐明红砂岩膨胀性、裂隙化具有本质的区别。试验结果表明：(1) 中风化红砂岩干燥时抗压强度为5.85 MPa,饱和试样为0.20 MPa,岩石本身强度随吸水率增加而明显下降,具有强烈的软化作用;(2) 膨胀红砂岩的湿化性随胶结系数的减小而愈加强烈,与红砂岩风化程度(埋深)无关。这些研究成果对红山窑水利枢纽工程红砂岩地基开挖易裂以及边坡表层溜坍预治具有较大的指导意义。     

北羌塘盆地沃若山地区早侏罗世雀莫错组砂岩地球化学特征与物源判别意义

出露于羌塘盆地沃若山地区的雀莫错组砂岩是北羌塘盆地早侏罗世的沉积物,对研究早侏罗世沉积盆地的演化特征具有重要的意义。通过对其地球化学特征的分析研究,结果表明该组砂岩为被动大陆边缘裂陷期的沉积产物,岩性主要为岩屑砂岩,岩石矿物成分主要在钾长石、斜长石、伊利石、绿泥石以及石英之间变化。化学风化作用指标(CIW)、化学蚀变作用指标(CIA)和A-CN-K图解,反映该组砂岩的碎屑成分受到了强烈的风化环境,并在风化过程中发生钾交代作用,长石发生伊利石化。化学组分指标(ICV)表明岩石碎屑为近源的第一次旋回沉积物,受沉积分选和再循环作用影响不大;A-CN-K图解还反映出砂岩碎屑源岩中斜长石含量高于钾长石含量,主要在花岗岩和花岗闪长岩之间变化;稀土元素特征表明该组砂岩具有同源性,其成分主要受源区岩石成分控制,为酸性火山岩类。     

Damage phenomenon and petrophysical properties of sandstones at the Phnom Bakheng Temple (Angkor,Cambodia): first investigations and possible conservation measures

Sandstones, clay in the form of bricks and laterite are the building materials used by the Khmer to construct the imposing and magnificent temples in Southeast Asia. Many of these monuments suffer from fracturing, sanding, contour scaling, crust formation and salt weathering. The affinity to weathering is closely connected to the type of material. Two sandstone types classified as feldspathic arenite and quartz arenite of Angkor as well as two arkosic sandstones from Thailand are described and investigated in this study. Important petrophysical properties determined for the different sandstones consist of hydric expansion, thermal expansion, pore radii distribution and ultrasonic velocity. Different investigations such as capillary water uptake, surface hardness, hygroscopic water sorption, and salt resistance tests were undertaken in the laboratory to characterize the various rock types. Observations and quantified damage mapping were done onsite at the Phnom Bakheng Temple. Contour scaling in the form of weathering crusts is one of the main deterioration features observable at the Angkor monuments. Comparisons are made between the building stone, the crust material from the Phnom Bakheng Temple and fresh stone material used for restoration. Significant differences in hydric and especially in thermal expansion of the crust and sandstone have been determined. The results seem to indicate that extensional processes occur, which can be considered a force for detachment (i.e., contour scaling, flaking). In an experimental trial, the hydric and thermal expansion of the weathering crust and the building stone was significantly reduced by using a weak acid for the crust and a swelling inhibitor for the original building stone.     

忠县地面石质文物的风化病害研究

忠县地面石质文物风化病害形式有：裂隙状风化、页片状风化、絮粉状风化、松胀状风化。其中以絮粉状风化对文物破坏最为严重。控制风化的主要因素是：岩性和岩体结构、气候和气象条件、人为的污染。现场简易强度测试数据表明，风化石材的力学强度明显下降。最后提出了三峡水库蓄水前，对石质文物搬迁和保护的建议。参加研究工作的还有王金华、陈超平、唐毅烈、邓修甫、卞大巍、黄明元等人。表１３处文物概况Ｔａｂｌｅ１ＳｕｒｖｅｙｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｓｔｏｎｅｃｕｌｔｕｒａｌｒｅｌｉｃｓｉｎＺｈｏｎｇｘｉａｎＣｏｕｎｔｙ表２石材的化学成分（％）Ｔａｂｌｅ２Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｒｏｃｋｍａｔｅｒｉａｌｓ注：丁房阙石样已非新鲜岩石。表３石材岩块的主要物理力学性质指标Ｔａｂｌｅ３Ｍａｉｎｐｈｙｓｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｏｃｋｍａｔｅｒｉａｌｓ注：灰绿色砂岩试验成果取自三峡工程库区环境地质研究有关资料。２石质文物的风化病害分析受自然地质环境及人文环境的制约，３处石质文物的主要环境病害是风化病害。２．１风化病害形式［１］（１）裂隙状风化。这是一种典型的物理风化形式，见于无铭阙和临江岩摩崖造像。无