無損技術在北庭西大寺鹽分分布調查中的應用研究

內容摘要：北庭西大寺遺址位于新疆昌吉回族自治州吉木薩爾縣。該遺址目前存在局部坍塌、表面嚴重風化、鹽害等許多病害，鹽害的發展進一步加劇了局部坍塌和表面風化病害的擴展。本文通過現場取樣實測，并結合高密度電法和紅外熱成像技術分析了西大寺東墻鹽分分布規律，結果表明，鹽分主要分布在墻體底部，且隨墻體高度的升高逐漸降低。高密度電法和紅外熱成像技術在土遺址鹽分調查中的應用，對土遺址病害調查和無損檢測分析具有重要意義。

關鍵詞：鹽害；無損技術；土遺址；紅外熱成像；高密度電法

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2013）01-0056-04

一 前言

北庭西大寺遺址（又名“高昌回鶻佛寺”）位于新疆昌吉回族自治州吉木薩爾縣，是全國重點文物保護單位即北庭故城遺址的附屬建筑。1979年7月至1980年7月對該遺址進行了兩次發掘，主要發掘清理了遺址東側上、下兩級洞窟及正殿南面的五座配殿，南部配殿建筑群中的庭院、平臺、庫房、僧房和小型配殿，找出了正殿及其西南及北外側洞窟的輪廓，使該寺院遺址的基本布局和結構得以明確[1]。

西大寺遺址全部采用0.5×0.2×0.1m的土坯砌于夯土臺基上。平面總體呈長方形，南北殘長70.50m，東西寬43.80m。目前該遺址存在土坯結構滑移、局部坍塌、表面嚴重風化、鹽害等許多病害。鹽害的發展進一步導致了局部坍塌和表面風化病害的擴展。對于土遺址中鹽害問題的研究較多，大多認為鹽分在土遺址中的分布主要集中在遺址底部，且隨著高度呈現降低的趨勢，對土遺址危害較大的鹽分主要有硫酸鈉和氯化鈉[2]。目前紅外熱成像技術已廣泛應用于電力、材料、醫學、建筑、農業等領域[3-9]，在土遺址保護研究中應用相對較少[10]。高密度電法技術目前主要應用于水利水電、工程勘察等工程領域[11-12]，在考古中也有一定的應用[13]。本文通過對西大寺東墻土體中不同高度和深度鹽分測試，利用高密度電法和紅外熱成像技術對鹽分分布進行了無損調查。通過調查發現，紅外熱成像和高密度電法測試能很好地與現場取樣測試結果吻合，因此這兩種技術在土遺址病害調查中的應用，對土遺址的無損調查研究具有重要意義。

二 西大寺鹽害調查

2.1 取樣位置測試方法

通過現場調查，在鹽害較為嚴重的東墻南段進行取樣分析（圖1），共取7個鹽分樣品，取樣間隔從下至上為20cm。利用美國戴安公司生產的離子色譜儀（2CS-90 Ion chromatography system）進行了易溶鹽測試。

2.2 鹽分測試結果

表1為鹽分測試結果，從表1可以看出，西大寺東墻土體內陰離子主要以NO-3為主，含量最高，SO2-4和Cl-含量相對偏少；陽離子仍以Na+和Ca2+含量最高。圖2為土體中含鹽量隨高度變化曲線圖，從圖中可以看出易溶鹽含量從地面向墻體頂部逐漸減少。

三 高密度電法測試

3.1 測試方法及測試地點

為了調查鹽害區域地層中鹽分和水汽的分布，特進行了高密度電法測試。選用青島驕鵬工程技術研究所的GeoPen E60M 型高密度電法儀，電極排根據文物保護的特點自行研制，測試方法采用施倫貝格裝置形式（圖3）。

在現場共設置了三條測試剖面，在取樣點BTXS YF-1處設置了兩條剖面，一條垂直于地面（A剖面），一條平行于地面（B剖面）；在墻體頂部設置了第三條剖面（C剖面）。其中A剖面總電極為12個，電極間距為10cm；B剖面總電極為12個，電極間距為10cm；C剖面位于墻體頂部，總電極為36個，電極間距也為10cm。

3.2 高密度電法測試結果及分析

根據現場實測數據，進行墻體電阻率反演計算，A、B、C三個剖面反演的電阻率剖面分別為圖版25、26、27。

電阻率剖面圖表面，從A剖面圖中可以看出鹽分在表面分布較多，向下存在鹽分降低的趨勢，但整個剖面電阻率都很低，說明該剖面范圍內鹽分含量較高。

從B剖面圖可以看出，表面電阻率較低，說明在表面存在的鹽分和水分較多。電阻率向內升高，說明土體內部鹽分和水分含量較低。

C剖面位于墻體頂部，從圖中可以看出，表面呈現電阻率，經現場實地查看后，表面土體下為一層平鋪的磚墻。磚下面出現低電阻，墻體頂部含鹽量較低，向下含鹽量和水分含量逐漸增加。

四 紅外熱成像測試

4.1 測試儀器及方法

本次試驗采用設備為杭州美盛紅外光電技術有限公司生產的Research-N2紅外熱成像系統，主要由紅外熱像儀和相應的計算機軟件以及通訊網絡組成。探測器工作波段為8-14μm，測溫精度為±1℃。用紅外熱像儀采集被測目標的溫度圖像數據，通過必要的接口傳輸到計算機，實現現場對檢測目標的紅外圖像和溫度數據變化進行快速檢索和分析處理。

在鹽分取樣位置對整個區域進行紅外測試，測試時，對環境溫濕度也進行測量。由于西大寺修建了保護棚，所以測試部位的環境溫濕度比較平穩。紅外測試時棚內相對濕度為55%，溫度為-1℃。

4.2 測試結果分析

選擇鹽分取樣所在區域，調節紅外熱像儀與待測區域之間距離，固定儀器后即可進行檢測，利用現場測試實時圖像可以觀察表面溫度的差別。

圖版28顯示，墻面水平方向上，即在距地面同一高度處，溫度變化比較一致，基本呈直線狀（圖4）。底部溫度（直線LO1）在-1℃，和環境溫度一致。頂部（直線LO3）溫度在-3℃，較環境溫度低。在垂直方向上（圖版29、圖5）溫度從底面向上呈線性降低趨勢，且三條直線降低趨勢一致。

根據現場實測結果，墻體底部易溶鹽含量明顯高于頂部，在整個墻體中呈現從底部到頂部的線性減小趨勢。實測紅外圖像顯示的表面溫度從底部向頂部逐漸降低，且呈現線性變化趨勢。因此，可以利用紅外熱成像系統進行土體中鹽分分布的無損調查。

五 結語

（1）北庭西大寺墻體中鹽分分布呈現底部含量高，頂部含量低的趨勢。含鹽量最高達6.3%，主要為硝酸鹽。

（2）高密度電法測試證明墻體內鹽分表面含量高，向內易溶鹽含量逐漸降低。

（3）紅外熱成像系統驗證了表面土體中鹽分的分布趨勢。

（4）高密度電法測試和紅外熱成像測試這兩種無損分析方法將會在土遺址保護中得到廣泛的應用，但其應用方法還有待進一步研究。

參考文獻：

[1]中國社會科學院考古研究所. 北庭高昌回鶻佛寺遺址[R]. 遼寧美術出版社，1991.

[2]王旭東. 中國西北干旱環境下石窟與土建筑遺址保護加固研究[D]. 蘭州：蘭州大學博士學位論文，2002.

[3]袁宏永，趙建華，范維澄. 基于熱像技術的電纜火險隱患診斷研究[J].中國科學技術大學學報， 2000，30（1）：108-112.

[4]劉新業，常大定，歐陽倫多. 紅外熱成像在電氣設備維護中的應用[J].紅外與激光工程，2002，31（3）：220-224.

[5]仲蠐生，李春誠，任迅. 紅外熱像技術應用于石化設備的檢測診斷[J].激光與紅外，1999，29（5）：310-314.

[6]杜紅秀，張雄，喬俊蓮. 紅外熱像用于水泥砂漿火災損傷的檢測與評定[J]. 同濟大學學報，1999，27（4）：499-502.

[7]陳國順，吳國慶，王格方，等. 紅外成像技術在自動測試設備中的應用[J].紅外與激光工程，1999，28（2）：25-27.

[8]謝春霞.紅外熱像檢測技術在土木工程中的應用[D].成都：西南交通大學，2009.

[9]謝春霞，余金凱，郭艷偉. 紅外熱像技術在混凝土無損檢測中的探索[J].路基工程，2009（2）：163-164.

[10]王同瑞，張得煊，王旭東，等. PS加固土遺址土體的紅外熱像檢測試驗研究[J].巖土力學，2011（32）：630-635.

[11]趙小軍，杜彩虹. 高密度電法在水利水電工程中的應用[J].西部探礦工程，2012（2）.

[12]祁瑞軍，唐海燕，周越. 高密度電法在工程地質勘察中的應用[J].內蒙古煤炭經濟，2012（2）.

[13]宋洪柱，李守春，張素梅. 高密度電阻率法在古墓探測中的應用[J].工程地球物理學報，2007，4（02）：123-126.