川渝石窟岩石分析研究

工作中的重点内容。

岩石力学的研究对象是岩石，岩石与其他工程类材料不同，有其特殊性。岩石是一种天然材料，是在漫长的地质历史中，经历了多种地球动力作用才得以形成，并由此获得其本质性。岩石演化循环，经过成岩、构造变形和次生蜕化才使其具有现今面貌，从而奠定岩石的物理本属性，构成力学评价之基础。[1]石窟和摩崖造像文化遗产的保护工作基础就是对岩石类文物本体的全面认知，首先要探知的便是文化遗产的材料本质，可利用X射线衍射法（XRD）分析结晶结构、组成和黏土含量[2];利用X射线荧光技术（XRF）半定量分析元素组分[3-4];利用扫描电子显微镜（SEM）电子成像观察表观形貌[5]，并利用能谱仪半定量分析元素组分;利用同步热分析（STA）分别观察岩石材料的受热时质量及输入热流或功率的变化[6]，从多个维度分析岩石样品。

在充分了解并掌握了岩石材料的本质性后，可以延续研究其作为文化遗产的病害情况、病害机理等因素。在以上两个方面研究比较完备的前提下，文化遗产保护的实施层面便有了科研基础，从而在研究的基础上摸索出修复保护的方法。所以，本文将以川渝地区八处石窟和摩崖造像为例，对其石质文物的力学性能进行分析研究，力求以岩石力学研究的内容和方法对石质文物的本质属性进行梳理，认清川渝地区石质文物本质，也为下一步的病害机理研究及保护方法研究提供科研依据。

二、取样点研究

在川渝地区数量众多的石窟和摩崖造像中，选取了具有代表性的八处试点来进行岩石力学实验，它们分别是位于四川的广元千佛崖摩崖造像、巴中南龛摩崖造像、安岳卧佛院摩崖造像，以及位于重庆的宝顶山摩崖造像、北山摩崖造像、南山摩崖造像、石门山摩崖造像和石篆山摩崖造像。

从川渝石窟分布与分区的角度来看，可以分为川北区、川西区、川中东区三个大的区域。几个区域的造像共性较多，但也各有特点。川北地区分别以广元和巴中为中心形成两个小区域，分布在北方入川的两条主要通道两旁及邻近区域，均属于嘉陵江流域。其中广元是金牛道上造像最早的地区，也是四川造像最早的地区;巴中是米仓道上造像最多的地区，其最大的特色是佛帐形龛特别发达。因此，这两个区域可以说集中了嘉陵江流域的大半窟龛，代表了嘉陵江流域的窟像。川中东区域是指四川盆地以东的四川中、东部及重庆部分区域，大部分属于沱江流域，也有少部分属于嘉陵江流域，其辐射范围可达川南的泸州地区。[7]基于上述区域分布考量，本次试验选取川北区的广元千佛崖、巴中南龛摩崖造像和川中及川东区域的安岳卧佛院摩崖造像为三处四川区域的代表来进行岩石力学性能测试。其中，千佛崖摩崖造像是1961年国务院公布的第一批全国重点文物保护单位，巴中南龛摩崖造像是1988年国务院公布的第三批全国重点文物保护单位。安岳卧佛院于1988年被列入第三批全国重点文物保护单位。

重庆地区的大足石刻拥有造像5万余尊，铭文10万余字，是世界八大石窟之一，代表着公元9世纪至13世纪长達400年历史的人类石窟艺术的最高水平，于1999年12月列入世界文化遗产名录，也是全国首批5A级旅游景区[8]。重庆的取样点选在了世界文化遗产地大足石刻的“五山”——北山、宝顶山、南山、石篆山和石门山这五处摩崖造像。

以安岳卧佛院的岩石薄片鉴定为例，岩石具细粒砂状结构，块状构造。岩石颗粒分选性好，磨圆度一般，以次棱角状—次圆状为主，少数可见棱角状，成分主要见石英、长石及少量白云母、黑云母。支撑类型为颗粒支撑，胶结类型为胶结物连接、孔隙式胶结，线接触为主。胶结物可见钙质胶结为主，少量铁质胶结、泥质胶结。碎屑含量约占全岩含量90%，填隙物含量约占全岩含量10%。

石英以他形次棱角—次圆状为主，少数可见棱角状，粒径多数为0.06mm～0.15mm，含量约占全岩含量58%;长石基本黏土化蚀变完全，多数表面脏杂，可见部分为具聚片双晶的斜长石，粒径±0.13mm，含量约占全岩含量29%;另可见他形黑云母与白云母碎屑，片径<0.19mm，黑云母已绿泥石化呈铁锈色异常干涉色，含量约占全岩含量3%，此外还可见微量的燧石颗粒，粒径约0.12mm。填隙物主要为胶结物和少量杂基，胶结物可见钙质胶结为主，少量铁质胶结、泥质胶结，含量约占全岩含量10%。颗粒90%、石英58%、长石29%、云母3%、填隙物10%，经显微薄片观察，上述样品绝大多数均为细粒长石石英杂砂岩，仅有若干巴中南龛样品为中—细粒长石石英砂岩，岩相结果表明上述取样点的岩石类型相同或十分相近。图13中的岩石样品已经是石英含量最低的一个，为58%，其余10份样品中的石英含量均高于60%，最高的取自巴中的岩石样品，石英含量高达75%。

基于上述研究分析选择了八处川渝摩崖造像作为本次试验的取样地点，尽量在文化遗产价值和空间地理分布上能够代表川渝地区的石窟寺文化遗产，但囿于时间，取样点不可能全面完整反映出川渝石窟的全貌，类似的岩石力学性能的基础性分析测试还需要继续在其他石窟逐步开展，本次试验渴望在科研数据采集方面做出一定量的积累，同时也希望借此良机探索出一条石质文物从宏观到微观、从结构到成分的分析检测方法。

三、测试设备及实验条件

掃描电子显微镜实验采用日本Hitachi公司S-3600N钨灯丝扫描电镜，配美国EDAX Genesis2000XMS型能谱分析仪。分析电压为20kV，工作距离15mm，高真空模式。样品喷金30s进行测试。利用铜导电胶带将显微镜下观察到的匀质岩石微粒粘贴在样品台上，测量样品台高度后将样品台置于扫描电镜样品仓内进行测试。

X射线荧光实验采用岛津EDX-800HS能量色散型X射线荧光光谱仪。测试条件为：X光管端窗铑（Rh）靶，空气模式，管压为50kV，管流为100μA，测试时间100s，死时间25%。准直器直径根据样品大小进行选择1mm、3mm、5mm、10mm。成分的定量分析采用无标样程序的基本参数法。使用玛瑙研钵将岩石样品研成粉末，利用圆柱形（φ=10mm）夹具将无色透明高分子薄膜固定在圆柱底面，将研磨好的粉末均匀平铺在薄膜上，粉末在圆柱体内的高度不低于3mm。

X射线衍射实验日本理学Rigaku Rint 2000型X射线衍射仪。测定条件为：阳极Cu靶，管电压和管电流分别为40kV和40mA，扫描范围2θ为5°～75°，扫描步长0.020°。使用玛瑙研钵将岩石样品研成粉末，将粉末平铺在载玻片中心2cm×2cm的正方形凹槽中并压实，之后将载玻片置于衍射仪的夹具上进行测试。

同步热分析实验采用NETZSCH 公司生产的STA 409PC型同步热分析仪。测定条件为：N2作保护气体，输出压力为0.05Mpa，流速设定为15ml/min;空气作为吹扫气体，输出压力为0.05Mpa，流速为20mL/min;恒温水浴的水温调整为25℃;选用Pt/Rh坩埚，样品经研磨处理成粉末状，将20mg样品置于坩埚中平铺在底面，坩埚加盖;测试温度区间为20℃至1200℃，升温速率10K/min。

四、试验结果及讨论

从图14至图21可见八个岩石样品在扫描电子显微镜二次电子相及背散射电子相下，不同放大倍数的视图，从肉眼观察以及显微观察的结果初步可见样品局部区域比较具有均一性，没有明显的裂隙、空洞或特殊结构。

另外，通过借助能谱仪对八个样品在图13至图20中100倍放大区域内进行了元素组分分析，结果如下：

从下表中可见，八个样品的元素组成几乎一致，在含量上略有差异。

进一步对八个样品进行了X射线荧光能谱仪分析，其区别于扫描电镜附带能谱仪的特点是，X射线荧光能谱仪对相对大量的样品进行元素解析，能够相对宏观地体现样品的元素含量，扫描电镜附带能谱仪仅能够在一微观区域内进行元素解析和元素分布，体现微观区域内元素的特征。两者各有所长，因此在对岩石样品进行分析时，两种检测技术均有采用。X射线荧光能谱分析的结果（At%）如下：

由上表可知八个样品元素组成十分相近，且Si、Al和Ca占据了三种主要元素，这三种主要元素间的相对比例依样品不同而有所差别。

利用X射线衍射还对样品进行了结晶物分析，以宝顶山样品为例，其衍射谱图如下：

通过与PDF卡片比对可知，宝顶山样品中包含有石英、钠长石、白云母、绿泥石、钾长石和方解石。

分别对其他几个样品也进行了X射线衍射分析，结果为：

北山样品包含有石英、方解石、绿泥石、白云母、钾长石和钠长石;

南山样品包含有石英、白云母、微斜长石、钠长石、方解石和绿泥石;

石门山样品包含有石英、方解石、钾长石和钠长石;

石篆山样品包含有石英、白云母、钾长石和钠长石;

千佛崖样品包含有石英和白云母;

南龛样品包含有石英、方解石、白云母、钠长石、钾长石和绿泥石;

卧佛院样品包含有石英、白云母、钠长石、绿泥石、钾长石和方解石。

由X射线衍射谱图和X射线荧光分析结果可推断出，八个岩石样品中主要含有石英、白云母和长石类晶体。从衍射谱图上还可知，由于石英含量较高且结晶结构相对稳定，因此石英的谱峰峰值最大，其他结晶物质的峰强相对石英而言较弱，有的甚至淹没在噪声中难以解析，因此含量过低的结晶物无法完全从衍射谱图中解析出来。

最后，还对八个样品分别进行了同步热分析，TG和DSC曲线分别如下：

在加热过程中，从TG曲线可见岩石内部水的状态会发生变化：附着水、结合水（强结合水、弱结合水）和矿物结合水（结构水、结晶水、沸石水）会在不同温度下汽化逸出：附着水在100℃左右逸出，矿物结构水在400℃～500℃范围内会从岩石内部析出，并汽化逸出。[9]随后，受石英由β相变为α相的影响，从图中可以明显地看出，在温度为579.5℃处有一个较尖锐的吸热峰，这是β-石英转变为α-石英的吸收峰，这是一个迅速转变过程。[10]这之后的变化过程包括有方解石、白云母和长石类晶体的分解，从694℃开始了一个较为明显的质量减少，累积减轻重量3.41%，这一反应过程同时还伴随着吸热，该吸热峰的面积为60.64J/g。

其他岩石样品的TG和DSC曲线如下图所示：

从图24中可见，八个样品的热分析曲线比较近似，原因在于其化学组分相近，石英均为岩石中的主要成分，石英的热分析特性在图中表现明显。样品的失重曲线及示差扫描量热曲线形状比较接近，仅由于成分间的差异导致各个变化阶段的起始点和终止点有所不同。从20℃～1200℃范围内，岩石的变化过程还是比较统一。

五、结论

● 小块岩石样品的表观形貌均一性较好，结构完整，且微观区域内元素组成和含量比较一致;

● 样品的主要元素为硅、铝和钙，次要成分之间的含量关系略有差异;

● 主要结晶成分为石英、白云母和长石类晶体，结晶物组成相近，石英占据了60%以上的比例，次要成分之间的含量关系略有差异;

● 样品在逐步升温的过程中发生脱水以及结晶物的分解，同时伴随着热量吸收，样品间因组分的差异而造成热分析变化的起始点和终止点不同，吸热量也不同。

参考文献

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[2] 胡耀东. X射线衍射仪在岩石矿物学中的应用[J]. 云南冶金，2010，（3）：61—63.

[3] 王建其，柳小明. X射线荧光光谱法分析不同类型岩石中10种主量元素的测试能力验证[J]. 岩矿测试，2016，35（2）：145—151.

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[5] 杜谷，王坤阳，冉敬，王风玉，潘忠习. 红外光谱/扫描电镜等现代大型仪器岩石矿物鉴定技术及其应用[J]. 岩矿测试，2014，33（5）：625—633.

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[10] 吴新正，邓湘，李建保，陈润六，朱素娟. α-石英方石英转变的研究[J]. 材料工程，2009，（11）：67—69.

a本文获“2016年度中国文化遗产研究院基本科研业务费”資助，项目批准号2016-JBKY-07.

②张亦弛，男，中国文化遗产研究院，馆员。

③黄悦，女，重庆市文化遗产研究院，副研究员。

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