石窟水分来源综合探查技术研究

2012-10-15

一、课题简介

“石窟水分来源综合探查技术研究”是“十一五”科技支撑计划项目“石质文物保护关键技术研究”的研究课题之一，由云冈石窟研究院黄继忠研究员、中国地质大学（北京）万力教授主持，云冈石窟研究院、中国地质大学（北京）、中国地质科学院岩溶地质研究所和建设综合勘察研究设计院等单位共同完成。该课题在已有工程物探、水文地质测绘和水文地质勘探的调查资料的基础上，采用计算机空间建模技术，开发裂隙岩体三维导水通道模拟识别系统，形成三维导水通道模型；利用六氟化硫（SF₆）混合气体钻孔压入技术，开展石窟渗水通道与规律研究。研究开发洞壁凝结水量的测量技术及石窟凝结水形成环境综合监测技术，探究洞窟内岩壁表面凝结水形成的环境因素，研发凝结水治理技术。调查及研究石窟山体降水入渗和水分盐分聚散规律，盐分在石窟岩壁的分布规律和破坏机理，为盐分治理提供科学依据。采用钻孔中的温度、湿度、气流连续密集监测，开展大气降水、空气中的水汽在气候因子驱动下的循环转化规律的研究。最终形成石窟水分来源综合探查技术。该课题研究成果不仅对于世界文化遗产云冈石窟的保护具有重要意义，而且为我国同类型石窟文物保护中水源探测技术提供了科学的方法和手段，对于我国石窟文物保护具有重要意义。

二、主要创新成果

该课题利用科技手段查明了云冈石窟围岩裂隙渗水和凝结水形成转化的规律，对石窟周边整体环境中的水分来源进行了综合探查，确定了降水入渗和大气中的水汽迁移转化过程对云冈石窟的影响，解决了以下几个方面的技术难点和问题，并取得如下成果：

（1）解决了云冈石窟含泥岩夹层的砂岩裂隙连通导水的复杂问题

云冈石窟围岩具有两个重要特点，一是发育裂隙但明显的断裂较少，二是厚层砂岩夹有多个不连续分布的泥岩层。构造节理和风化裂隙可以成为导水通道，而泥岩则可以改变地下水的流动方向。裂隙和泥岩的分布本身变异性较大，两者的组合导致导水通道更加复杂。当洞窟壁面与裂隙网络和泥岩夹层相互交叉时，导水通道的渗出点并不意味着水源区就在垂直渗出点的山体顶部，也不意味着只有一个水源区。

在对已有的物探、勘探资料进行深入分析和详细的裂隙测量的基础上，课题组采用中国地质大学（北京）研发的Joint-OKY2裂隙分析系统进行三维裂隙网络模拟，结果表明切割云冈石窟顶面和侧面的主要是北东向和北西向的交叉节理，显著裂隙（切割长度大于石窟宽度一半）数量在顶面一般不超过8条，在侧面一般不超过5条。采用Monte Carlo 随机模拟方法，分析识别了典型石窟顶部贯通节理（单个节理贯通式切割砂岩顶面与石窟顶部）的发生概率。这些贯通节理可以构成直接的导水通道。

采用六氟化硫（SF₆）混合气体进行了石窟岩体示踪试验，B7（垂直孔）投放SF₆气体，ZK6 （水平孔）抽放并取样测到了SF₆气体，说明ZK6（水平孔）和B7（垂直孔）之间岩体存在气体渗透通道，也可以称为导水通道。这说明六氟化硫（SF₆）混合气体试验适用于石窟围岩渗流通道的探查。

选择CO₂、N₂作为吸附剂对云冈多孔砂岩表面吸附渗透特征进行了分析。表明云冈砂岩的吸附性能介于普通石英砂岩和泥页岩之间，气体吸附量与细小孔隙的比表面积、孔容成正比，岩石风化越强，其吸附气体的能力越强。随着温度的增加，气体吸附能力降低；温度减低，气体吸附能力增加。

（2）解决了洞窟内岩壁凝结水形成环境和凝结水量的监测问题，研究了洞窟内部凝结水控制技术

在夏季，云冈石窟洞窟内部温度低于窟外温度，当空气湿度较大时，温度低的窟内壁面上往往会有水汽凝结，形成凝结水，使岩壁湿润加重风化。这种凝结水形成过程与洞窟空气动力学、热力学环境存在密切的关系。

为了全面了解洞窟内岩壁凝结水形成的环境，课题组采用无线传感网络技术作为实时、动态信息采集的手段，结合太阳能技术等构建了石窟区的环境监测系统。该系统能够对云冈石窟文物保存环境的窟内空气温湿度、岩体表面温度、土壤温度、土壤含水率等各项参数进行实时监测；同时可将监测采集的数据通过无线方式传输到数据处理中心，使得研究人员可以随时随地掌握洞窟内部环境情况，并对是否处于凝结期作出准确判断。

为了准确监测石窟表面形成的凝结水量，课题组对以往开发的比较简单的凝结水测量装置进行了系统改造，使密封仓实现了较大的采样面积，使干燥剂、流量计、湿度计、风机形成了一体化的封闭回路测量系统。新装置拓展了设备应用范围、提高了工作效率和观测精度。

为了解决洞窟内部凝结水的控制技术，课题组研发了文物保存环境无线远程控制除湿系统。该系统主要针对洞窟环境相对湿度进行适时调节，为洞窟内石刻文物保护工作的实施提供了网络化、智能化实时监控的自动除湿系统，从而为凝结水的治理工作提供了技术支撑。

（3）调查及研究了石窟山体降水入渗和水分盐分聚散规律，开展了盐分在石窟岩壁的分布规律和破坏机理的研究

云冈石窟山体覆盖层成份多样，厚度变化较大，透水性的差异也很大，增加了水源的不确定性。与之相对应的是，石窟围岩顶板也是高低起伏。这些特征都可使降水入渗之后经历较为复杂的渗流–蒸发–聚集过程，导致水分聚集区的分布存在不确定性，难以明确各个石窟对应的水源区及其对降水的响应时间。石窟壁面和岩体裂隙中的可溶盐不仅来自砂岩本身，还可能来源于覆盖层盐分的淋滤下渗。考虑到盐分对岩石表面的破坏存在重要的作用，查明水源所对应的盐分特征有利于更充分的判断石窟岩壁吸湿环境的影响因素。

为此，课题组对云冈石窟山体覆盖层和水分聚散特征进行了系统的研究。研究表明，夏季强降雨和春季积雪的融化是石窟山体地下水的主要补给来源，但入渗水进入砂岩的方式受到山顶覆盖层的强烈影响。在石窟顶部进行的人工入渗试验表明，地面积水产生的湿润锋面可以在48小时内穿透厚度1 m左右的土层，因此土层厚度小于1 m的区域是云冈石窟主要的入渗水形成区。

利用氢氧同位素的研究方法进行了云冈石窟区地下水来源的判断，证实了地下水来源为大气降水，而且降雨在补给地下水之前经历了一定程度的蒸发作用引起了同位素的富集。不同类型的水化学特征差异，反映了水的运移途径和经历的水文地球化学过程和环境的不同，并显示本区是富硫的环境。利用高精度的自动化监测，完整地记录了二窟寒泉的水文、水化学长时间尺度变化，掌握了窟区上层滞水的水化学动态。使用无损检测方法，研究了洞窟的湿度（水分）特征，揭示了水分的来源，为洞窟水害治理提供了依据。

课题组从覆盖层土壤入手，探讨了云冈石窟盐分的形成过程，现场测量了土壤剖面含水量、电导率、温度三个参数，表明石窟顶部积水或者汇水区电导率较大，盐分聚集。对窟顶土壤样品进行的分析结果显示，土壤理化性质和可溶盐成分与土壤覆盖层所处的位置和深度有关。一般土壤下部含盐量高于上部，容易汇水区也较高，是盐分长期累积的结果。利用钻孔土壤可溶盐分析了盐分的垂直变化，并在石窟区及外围调查了盐分的空间分布，分析了土地利用方式对土壤含盐量的影响，表明表层土壤盐分主要影响因素为地质背景和地下水水位埋深。

 采用硫同位素分析对云冈石窟区硫的来源进行了研究。石窟水分和盐分的运移密切相关，并且地下水中的可溶盐和石窟内丰富的次生盐类矿物为开展水化学和环境同位素研究创造了良好条件。本研究尝试了氢、氧、硫等同位素方法和水化学分析及水化学监测等手段，建议今后还可以采用氮、氯同位素。

（4）对洞窟和钻孔中的温度、湿度、气流进行连续密集监测，开展石窟山体水汽循环转化规律的研究

石窟周边整体环境是否还存在其它水分来源在开展本次研究之前尚不明确。虽然水分只能最终来自降水和大气中的水汽，但是水分进入石窟的方式是复杂多样的。目前比较明确的几种方式是否涵盖了所有的水分进入途径？石窟山体包气带的空气与大气之间是否存在水汽交换？国内外对这种现象的认识也明显不足，缺少相关的理论和监测手段。

 课题组经过反复论证，建立了由自动化气象站、覆盖层监测系统、石窟围岩监测系统（水平孔和垂直深孔）和石窟内部环境监测系统组成的山体水汽循环监测体系，实践证明这套监测系统应用于研究石窟岩体与外界水汽交换的研究是可行的。应用新建立的山体水汽循环监测系统监测结果表明，云冈石窟所在山体含有一定量的空气，与外界存在密切的水汽交换关系。在钻孔中一般深度超过0.6 m时，孔内空气的相对湿度就可以达到90 %以上，这说明石窟山体包气带相当于一个含有饱和水汽的空气储藏室。石窟砂岩山体深部的温度常年稳定在9℃～10℃之间，气压也较大气压更为稳定。山体的温度、气压与大气的温度、气压存在季节性的大小轮换变化。受大气压夏季低、冬季高的季节性波动影响，山体空气对流驱动力也存在夏季向上而冬季向下的季节性变化。石窟开挖深入到山体内10～25 m，与大气交换强烈，石窟空气压强和温度的变化也必然引起岩体包气带的气温和气压变化，并与山体的宏观空气运动发生相互作用，对包气带水汽运移会产生一定的影响。

（5）获得专利、技术标准及人才队伍建设

该课题进行过程中，对以往开发的比较简单的凝结水测量装置进行了系统改造，研发了新型实用岩壁凝结水测量仪。新型实用岩壁凝结水测量仪密封仓实现了较大的采样面积，干燥剂、流量计、湿度计、风机形成了一体化的封闭回路测量系统。新装置拓展了设备应用范围，提高了工作效率和观测精度。2011年获得国家专利1项（专利号：ZL2011 20012623.2）。

为了规范石质文物保护中石窟水患综合探查和凝结水环境监测工作，课题组在大量研究的基础上制定了《石窟凝结水环境监测规范》和《石窟水患综合探查规范》（送审稿）。

通过该课题的研究，培养了博士后1名，博士研究生2名，硕士研究生4名；中国地质大学（北京）培养教授1名；云冈石窟研究院培养副研究员1名。与此同时，建立了一支稳定的合作研究的队伍，提升了高校、科研院所和文博单位研究人员的科研水平和科研管理能力。

三、成果推广应用前景

（1）该课题研发的新型实用岩壁凝结水测量仪实现了较大的采样面积，使干燥剂、流量计、湿度计、风机形成了一体化的封闭回路测量系统。新装置拓展了设备应用范围、提高了工作效率和观测精度，已经成功应用于世界遗产大足石刻和高句丽壁画墓保护研究之中，取得的良好的效果。

（2）根据课题研究的云冈石窟水分来源综合探测技术研究的成果，为云冈石窟防水保护提供了理论依据，对目前正在计划实施的云冈石窟防水保护工程具有一定的指导意义。