淺析關中地區砂巖文物風化成因及保護方法

摘 要：陜西關中地區的砂巖質摩崖造像群、碑石文物分布眾多，是民族的象征和該地區的文化標志。由于各地自然環境、地質條件千差萬別，分布在不同環境中的砂巖石刻群、碑石文物處于迥然不同的賦存環境中，在物理、化學、生物等風化作用下，產生諸多病害，因此，應因地制宜的制定砂巖文物保護和防風化治理方法。

關鍵詞：關中地區；砂巖文物；保護對策

我國的砂巖質石質文物多是在天然巖體上刻鑿的摩崖造像群，分布較為廣泛，且等級較高，規模之宏大是世界上罕見的。陜西關中地區的砂巖質摩崖造像群、碑石文物分布亦較多，最具代表性的是世界文化遺產——咸陽彬縣大佛寺石窟，該類文化遺產是傳承中華文明的載體，民族的象征和該地區的文化標志，具有非常豐富歷史文化信息。而由于各地自然環境、地質條件千差萬別，分布在不同環境中的砂巖石刻群、碑石文物處于迥然不同的賦存環境中，在物理、化學、生物等風化作用下，產生諸多病害，因此，砂巖文物保護和防風化治理考慮的角度應因地制宜。

一、地質環境

砂巖由石英顆粒形成，結構穩定，通常呈淡褐色或紅色，主要含硅、鈣、黏土和氧化鐵。砂巖是一種沉積巖，主要由砂粒膠結而成的，其中砂粒含量要大于50%。絕大部分砂巖是由石英或長石組成的。砂巖是由骨架顆粒、填隙的碎屑粉砂和粘土、化學膠結物以及相互連結的網狀空間或空隙所組成的。

陜西省沉積巖以分布廣泛，海、陸相均較發育，環境多樣，物源復雜，巖類較多，成巖后生作用明顯，時空上多種巖類共生互變為特點。其中砂巖分布的時代和層位較為豐富。海相砂巖，穩定區以成熟度高的石英砂巖為主，雜基較少；活動帶以長石石英砂巖及粉砂巖為主，泥質雜基成分較高。陸相砂巖，以長石砂巖為主，其次為巖屑砂巖。

關中地區紅砂巖地層分布也較為廣泛，紅砂巖因其巖礦中富含較多紅色、深紅色或褐色的氧化物而得名。其結構主要有兩種形式，分別為粒狀碎屑結構和泥狀膠結結構，因其中所含膠結物及風化因素的不同，導致力學強度差異較大。

二、關中地區砂巖風化成因

關中地區砂巖質文物多暴露于大氣環境中，由于環境的交替變化，不斷發生干濕循環過程，砂巖的顆粒級配會發生變化，宏觀上物理力學性質會隨之發生變化。氣溫的反復變化以及各種氣體、水溶液和生物的活動，致使砂巖文物發生風化，削弱、破壞砂巖巖體顆粒間的連接，形成、擴大巖體裂隙，降低斷面粗糙程度，極易崩解成較小的碎塊，由堅硬變得疏松。經過調研關中地區砂巖質文物，其風化按照成因可分為物理風化、化學風化和生物風化三種類型[ 1 ]。

（一）物理風化

砂巖質文物因溫度變化及巖石空隙中水和鹽類物質的物態變化，使石刻巖體發生機械破壞而不改變其化學成分的過程，物理風化作用使巖體產生許多裂紋和逐層剝落。導致該類風化因素主要有溫差作用、冰劈作用、巖石釋重及鹽類結晶的膨脹作用等[ 2 ]。

（二）化學風化

該地區砂巖質文物多為粗粒石英砂巖，主要成分為石英、長石、云母，膠結物成分為碳酸鹽礦物與泥質、鐵質膠結物等。膠結泥質的微粒，機械作用下易變成渣泥狀，其吸水性極易增強，在飽水狀態下容易發生水化作用，致使泥質微粒體積增大，造成砂巖體積膨脹。水溶液與砂巖質文物中礦物進行化學反應，逐漸分解，結構構造遭到破壞，巖石的成分發生變化。干濕交替產生的應力使砂巖產生微小裂隙，多次反復，最后成粉狀或片狀脫落。破碎后重新組合的泥質紅砂巖，粘結性能差，易松散，強度具有不可逆轉性[ 3 ]。

（三）生物風化

部分砂巖質文物表面長有草類和苔蘚類，植物根系在巖體的裂隙中生長，對裂隙兩壁產生壓力，最終導致巖體破裂。生物的新陳代謝的分泌物和生物死亡后的有機體的腐爛分解產物易析出有機酸、硝酸、碳酸等溶液，礦物中的金屬離子與酸中的羧基反應生成難溶鹽沉淀物。

三、保護方法

砂巖質文物保護處理一般遵循不改變文物原貌、保護材料可再處理性和最小干預等原則。根據石質文物風化機理合理制定保護方法，多數砂巖質文物置于大氣環境中，環境控制不易操作。目前較為常用的方法是化學保護方法，而針對砂巖的特性，多選取與保護對象結合的比較好、具有一定滲透深度及加固強度的材料對已風化而瀕臨危險的文物進行滲透加固保護及必要的表面防護處理，以減緩或阻止其損毀。砂巖保護材料要求粘度低、滲透性或可灌性好，材料抗老化性能良好，材料具有良好的附著力。目前國內外較為常用的化學保護材料主要分為無機材料、有機材料和新型材料。

國內外常用的無機加固材料有石灰水、氫氧化鋇、堿土硅酸鹽及氟硅酸鹽等。有機加固劑分為小分子化合物和聚合物兩類，小分子化合物目前用得較多的有德國Remmers300，聚合物類有丙烯酸樹脂、環氧樹脂和有機硅樹脂等。由于在長期的應用中，部分無機材料和有機材料存在一定的問題，如無機材料加固后易產生不相容的硬殼，形成可溶鹽造成鹽結晶破壞；有機高分子防護材料在野外實際有效壽命達不到文物保護要求，失效的防護材料易產生泛黃、粉化和堵塞微孔等不可逆的作用，有機防護膜憎水性會使石頭的內外層產生顯著的濕度梯度而容易造成應力破壞。

近年來，隨著科學技術的發展，文物保護工作者們不再將目光鎖定在傳統的加固保護材料上，而是試圖研究和開發出新型的對砂巖質文物損傷更為微小的新型材料。新型納米材料[ 4 ]具有超雙親界面特性、透明及防遮蓋特性、耐腐蝕抗氧化性及耐紫外線和抗老化等特性。納米材料作為一種新型的加固保護劑也得到了廣泛的關注，目前應用于防風化劑中的納米材料主要有二氧化硅、二氧化鈦、碳酸鈣、氧化鋅、氧化鐵等。

參考文獻：

[1] 郭宏.文物保存環境概論[M].北京：科學出版社， 2001，214-216.

[2] 南京博物院.石質文物保護與研究[M].南京：江蘇美術出版社， 2013，1-10.

[3] 曾清林.水對泥質紅砂巖的影響研究[D].華南理工大學，2012.

[4] 溫曉龍.納米材料在石質文物保護中的應用與展望[J].文物世界，2004，05：77-78.

資助項目：

陜西省教育廳專項基金（15JK1795）

作者簡介：戎巖（1984-），男，陜西咸陽人，咸陽師范學院經濟與管理學院講師，研究方向為文化遺產保護與規劃。