云冈石窟砂岩特性与岩石风化试验

侏罗纪期间河相沉积而成的巨大砂岩透镜体是云冈石窟遗产载体,在目前环境条件下,石窟砂岩风化破坏非常严重。通过现场调查表明,在不同细分层位,砂岩破坏特征与其沉积环境及沉积构造密切相关。进一步对不同风化程度样品进行测试,以此建立起风化评估依据,结果表明,该砂岩化学风化主要体现在胶结物流失、长石蚀变,而次生可溶盐结晶及冻融形成的物理破坏也不应该忽视。通过风化模拟试验可知：酸的溶蚀对石窟岩体表面造成直接破坏;同时,形成的可溶盐将导致砂岩出现由内而外劣化现象;由于岩石的孔隙率低、渗透性较差且胶结密实,岩石抵抗冻融作用相对较强。建议云冈石窟目前保护措施以治水为主,通过减少崖壁表面渗水、洞窟裂隙渗水及底部泥岩泛潮来减少上述劣化作用效应。     

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。     

云冈石窟危岩发育的成因分析

云冈石窟发育危岩,在国内砂岩石窟中具有代表性;对云冈石窟危岩发育的成因分析,可指导砂岩类石窟危岩的防治。采用工程地质的研究方法,从内在环境条件和外在环境条件两个层面,对云冈石窟区域危岩的发育条件进行系统分析。箱形向斜和断裂是云冈石窟区域危岩发育的宏观构造成因,近东西向的张裂隙和北东向剪切裂隙直接控制石窟区域内危岩的发育。石窟陡崖的高差直接控制岩坡卸荷带的发育规模,也决定着危岩体的致灾能量。软硬相间的岩层差异风化形成陡崖和岩腔,构成危岩体形态。裂隙水及降雨直接影响岩体稳定性。冻融、温差、干湿交替长期作用于岩体,导致危岩体稳定性不断劣化。人工开凿洞窟破坏崖壁应力状态,是危岩失稳的影响因素。云冈石窟危岩体成因分析结果为指导危岩体防治提供了重要依据,对危岩体稳定性分析具有重要意义。     

砂岩质文物内部毛细水运移过程微电极响应特征

盐结晶病害是砂岩质文物中最为常见的病害之一,可溶盐溶液在砂岩内部的毛细运移直接影响着文物保存的完整性。为了进一步了解不同因素影响下砂岩质文物内部中毛细水运移特征,以大足石刻砂岩材料为研究对象,自主设计了毛细吸水试验及微电极电阻率测试装置,定量分析孔隙结构、孔隙溶液、干湿循环及相对湿度对毛细运移和电阻率分布特征的影响。结果表明,松散的孔隙结构及较低的相对湿度对毛细运移有促进作用。毛细运移受可溶盐溶液表面张力影响明显,吸水量和运移速率随表面张力增加呈递增趋势。干湿循环作用导致内部孔隙扩张使毛细迁移速率加快,同时呈现出试样饱和度和砂岩电阻率的负相关性。可溶盐的存在极大降低了砂岩的电阻率,通过电阻率的时空分布特征,识别湿润锋的视电阻率范围与试样表层盐结晶劣化区域大致重合,整体趋势沿深度方向呈凹曲面变化。研究结果揭示了砂岩质文物内部毛细水运移规律,可为合理追踪盐害范围提供理论支撑。     

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。     

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。     

水−岩作用下砂岩力学特性及微细观结构损伤演化

在库水位反复升降作用下,库岸边坡消落带部分岩体处于浸泡―风干循环状态,其力学特性的劣化将直接影响库岸边坡的变形稳定。以三峡库区库岸边坡消落带砂岩为研究对象,设计并进行了考虑浸泡―风干循环和水压力升降变化的水?岩作用试验。结合SEM电镜扫描,分析了水?岩作用对砂岩微细观结构的影响,采用PFC2D离散元软件对水?岩作用下砂岩的劣化过程进行了模拟分析。研究结果发现：（1）水?岩作用下砂岩的力学性能劣化效应明显,弹性模量和单轴抗压强度总体呈现先陡后缓的劣化趋势,其中前6次的浸泡―风干循环作用导致的劣化效应尤为明显。（2）水?岩作用下砂岩的微细观结构变化特征明显,由较致密的孔隙式胶结结构逐渐向不规则的蜂窝状结构发展,宏观上就导致了砂岩变形和强度特性的劣化。（3）由PFC2D离散元模拟分析发现：水?岩作用导致岩石内部颗粒强度和颗粒间黏结强度逐渐劣化,非均匀性增强,荷载作用下的应变局部化特征逐渐明显,整体承载能力逐渐降低,破坏模式由典型的张拉破坏逐渐转变为剪切破坏。     

水岩循环对变质砂岩微观结构损伤与宏观力学劣化影响机理研究

为研究水岩循环过程中变质砂岩矿物成分及微观结构变化对宏观物理力学参数弱化的影响,通过水岩循环试验,对变质砂岩微观矿物成分、结构在水岩循环过程中的演化机制及其与宏观物理力学参数相互关系开展了研究。研究结果表明,岩石各项物理力学指标随着水岩循环次数的增加而不断衰减,其衰减速率随循环次数增加而减缓。水岩循环后岩石抗压强度试验表明,应力-应变曲线中初始裂隙压密阶段随着循环次数的增加而出现并且变得明显,岩石试样破坏特征有随着循环次数的增加由剪切破坏向拉张破坏转变的趋势。结合XRD和SEM试验手段对矿物成分及微观孔隙平面面积的变化进行了统计,分析认为绿泥石、云母、斜长石等矿物的水化溶蚀作用以及微观孔隙的水化扩展,是造成岩石损伤的主要原因。因此,提出利用矿物成分劣化度D_m和微观结构劣化度D_c的概念来表达岩石水岩循环微观损伤量化指标,并建立了水岩循环作用下受矿物成分及微观结构影响下的岩石物理力学参数弱化的回归模型。该模型的提出能够为水岩循环下相关物理力学参数的选取提供参考。     

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。     

不同高孔隙水压砂岩三轴压缩力学特性及多向破裂机制

高坝水库蓄水后,坝基及库岸岩体水压环境改变,易诱发岸坡失稳、坝体垮塌等工程问题。为探究不同恒定水压对坝基裂隙岩体作用差异与机制,开展了带初始损伤砂岩不同高恒定孔隙水压三轴压缩试验研究,同时结合CT与电镜扫描对其多向破裂机制进行了分析。试验结果表明：（1）在围压为80 MPa条件下,孔隙水压越大,砂岩脆性越强,峰值强度越低,体积扩容应力越小,孔隙水压由10 MPa增至50 MPa,峰值强度降低33%。（2）孔隙水压不同,砂岩内部劣化范围和劣化效果差异显著,表现为砂岩试件破裂面形式多样、方向各异。CT扫描显示,随着孔隙水压增大,劣化作用由试件中部向两端扩散,水压-围压比小于25.0%,孔隙水压劣化作用主要集中在试件中部约1/3范围,水压-围压比大于62.5%,孔隙水压对整个试件均有明显劣化作用。（3）电镜扫描发现,随着孔隙水压增加,砂岩细观颗粒结构由剪切滑移破坏向剪切断裂破坏转变,砂岩微观晶体结构由菜花状向米粒状转变。宏观破坏模式由塑性破坏向脆性破坏转变,形成多向破裂面,与孔隙水压作用下细观结构中细颗粒不均匀堆积和大颗粒断裂有关,其中多向破裂面形成与其微观晶体结构抗剪强度直接相关。     

罗布泊AK1孔沉积物地球化学组成与古气候

通过对罗布泊东部阿奇克谷地中部AK1孔沉积物中易溶盐组分及氧化物特征的研究,综合沉积序列及岩性变化特征,初步分析了罗布泊阿奇克谷地晚第三纪以来的沉积环境及古气候演化。结果表明,阿奇克谷地第三纪晚期即开始出现成化湖泊沉积,易溶盐以SO2-^4、Cl^-、Na^ 为主,各离子含量最高;第四纪以来沉积环境与古气候均有明显变化,早更新世气候以干冷为主,中更新世易溶盐组分中各离子浓度明显降低,以Cl^-降低最显著,气候转为温湿;中更新世晚期气候湿润,湖相沉积范围扩大,为罗布泊湖的一次大发展期;晚更新世以来湖泊环境波     

湿度对盐溶液在壁画地仗中的毛细迁移影响研究

盐溶液在地仗中毛细迁移引起的盐分迁移、富集已成为壁画病害发生的重要原因。研究不同湿度条件下盐溶液在模拟地仗中的毛细迁移过程对可溶盐再分布的影响。分析不同湿度条件下毛细上升高度随时间的变化关系,含水率和电导率随高度变化关系,毛细饱和后试样表面变化情况及可溶盐含量随试样高度的分布。试验结果表明,空气相对湿度越低,毛细上升过程中水分向空气中迁移越多,水分难以向上迁移。试样的含水率随高度呈递减趋势,而电导率随试样高度增加而增大。可溶盐在毛细水上升过程中发生结晶分异,毛细前锋以NaCl结晶富集为主,亚前锋以Na2SO4结晶富集为主。其研究结果可以为壁画盐害的防治提供基础科学依据。     

爱沙尼亚干酪根催化降解生烃过程及动力学研究

以爱沙尼亚油页岩干酪根为对象,利用热模拟实验方法和化工催化原理,考察了不同介质对干酪根热解生烃过程的影响,从热解生烃量、生烃组成特征及生烃动力学等方面进行了探讨。结果表明:膏岩对干酪根的生烃具有明显催化作用,碳酸盐岩对干酪根的生烃具有一定反催化作用,各种盐类对干酪根的生烃量影响较小。干酪根热解动力学研究表明,生烃动力学参数表观活化能E与视频率因子A两者之间不是独立变化的,而是具有一定的关系,即:E与lnA之间服从直线关系(R=0.99),这些认识对于深入探讨爱沙尼亚油页岩干酪根的化学结构、建立热解动力学模型具有一定的参考价值。     

沂源地区不同类型岩土淋溶水与浸泡水的化学特征分析

为研究降水补给地下水过程中包气带岩土对水化学的影响,在沂源地区采集了不同地表岩土样品开展淋溶和浸泡试验。淋溶结果显示:易溶的Cl~-、SO_4~(2-)、CO_3~(2-)、NO_2~-、NO_3~-等阴离子率先溶解进入淋溶水中,之后K~+,Ca~(2+),Mg~(2+),Fe等含量逐渐增加,且淋溶初期p H值呈碱性,之后向中性过渡。浸泡结果显示:不同类型岩土样经过浸泡5min后,其水化学组分发生了显著变化;随浸泡时间增加,K~+、Na~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)、HCO_3~-及含盐量均出现不同程度增加,但Cl~-、SO_4~(2-)在不同类型岩土中含量变化则是不同的。由此推测,降水转入地下水过程中,透过地表浅层包气带时就已经淋溶了大量物质,水化学性质发生了重大变化。     

莫高窟崖体可溶盐分布特征研究

通过对莫高窟崖面不同高度取样,运用经典溶液化学的研究方法,调查研究莫高窟崖体中所含硫酸钠(Na2SO4)和氯化钠(NaCl)以及中溶盐硫酸钙(CaSO4.2H2O)的分布。经过水化学分析,浸出液的水化学类型主要为SO4.Cl—Ca.Na型,离子为引起壁画疱疹、粉层起甲、颜料层粉化、颜料层片状脱落、壁画地仗酥碱的主要成分。同时,查明了莫高窟崖体物质组成,数据显示,崖面砾岩以大孔隙为主,渗透性变化范围广,有利于盐分溶液渗透。分析结果表明,莫高窟崖体上盐分随高度的分布规律受地表淋滤下渗和历史上风积沙掩埋期的毛细上升等综合因素影响,且后一种作用引起的盐分聚集有可能是底层洞窟壁画病害的主要原因。     

银川平原水化学特征分析

基于银川平原的水文地质条件,对研究区的地下水环境综合指标与地下水化学类型进行了分析:EC值与DO值呈负相关关系,随着含盐量的增高,EC值增高,DO值减小;TDS与EC之间存在较好的正相关性,水中溶解的盐类越多,水的TDS 值越高,水的导电性越好,其电导率EC值越大。阳离子平均浓度由大到小为Na+>Ca2+>Mg2+>K+>NH+4,阴离子平均浓度由大到小为HCO-3>SO2-4>Cl-。研究区地下水类型以HCO3·SO4—Ca·Mg、HCO3·SO4—Ca·Na、HCO3·SO4—Na·Mg,以及SO4·HCO3—Na·Mg等类型为主。活度系数与离子强度呈反比,即离子强度升高导致水溶液中的离子浓度和电荷量升高,离子重新组合成溶质,导致离子活度系数下降。研究区内方解石最接近于平衡状态,可能存在于含水层环境中。对地下水环境综合指标和各组分浓度以及研究区水化学的形成环境进行分析可知:位于研究区中南部的65号点属于SO4·Cl—Na型水,受污染的可能性大;而在其南部的4、83、290号点,由于位于黄河灌溉区,受地表水的影响增强,地下水污染程度较65号点低。     

甘肃黑河中下游影响绿洲植被发育的某些因素

黑河下游额济纳绿洲区和中下游沿黑河干流河床附近的潜水位埋深较浅,是维系地表植被生长的重要因素。中游高台附近潜水位存在每年双峰值的变化,较之下游额济纳绿洲潜水位每年单峰值的变化更有利于植被的生长。在包气带剖面中,同一时刻水土势、含水量、含盐量随深度的变化趋势基本相同。采样点包气带土壤中易溶离子含量相对较低,全盐量小于5%,中游采样点土壤中以HCO3-为主,下游以SO42-为主,由SO42-、Cl-和Na+、Ca2+组成的盐类构成了包气带土壤中的主要盐分。土壤中易溶离子含量自地表至潜水面之间随深度总体上呈减小趋势。植被的根系分布对包气带土壤含水量、水土势和易溶离子含量随深度的分布有着重要的影响,在植物根系发育带的土壤中含水量、水土势和易溶离子含量升高。     

The influence of petrophysical properties on the salt weathering of porous building rocks

The influence of pore structure, water transport properties and rock strength on salt weathering is evaluated by means of a thorough rock characterisation and a statistical analysis. The pore structure was described in terms of its porosity, pore size distribution (quantified by mean pore radius) and specific surface area, density and water transport was characterised by means of water permeability (saturated flow) and capillary imbibition (unsaturated flow); whilst the rock strength test was carried out using uniaxial compressive strength, compressional and shear wave velocities, dynamic elastic constants and waveform energy and attenuation were obtained from the digital analysis of the transmitted signal. A principal component analysis and a stepwise multiple regression model was carried out in order to examine the direct relationships between salt weathering and petrophysical properties. From the principal component analysis, two main components were obtained and assigned a petrophysical meaning. The first component is mostly linked to mechanical properties, porosity and density whereas the second component is associated with the water transport and pore structure. Salt weathering, quantified by the percentage of weight loss after salt crystallisation, was included in both principal components, showing its dependence on their petrophysical properties. The stepwise multiple regression analysis found that rock strength has a predominant statistical weight in the prediction of salt weathering, with a minor contribution of water transport and pore structure parameters.