高原大溫差環境下西藏巖畫風化試驗研究

葉唐進 安 陽 張永昇 顧學穎

（西藏大學工學院 西藏拉薩 850000）

高原大溫差環境下西藏巖畫風化試驗研究

葉唐進 安 陽 張永昇 顧學穎

（西藏大學工學院 西藏拉薩 850000）

西藏地區擁有非常豐富的露天巖畫文物。由于露天巖畫日曬雨淋，并受到凍融循環、鹽風化及熱力風化等作用，巖畫受到損壞。文章通過對西藏巖畫樣品，在室內進行凍融循環試驗、波速測試和單軸壓縮試驗，得到了巖畫風化的主要成因、風化速度及風化機理。

巖畫；風化機理；風化速度；凍融循環

引言

西藏是藏傳佛教圣地，板巖和花崗巖上刻畫各種經文和佛像的現象較為常見。在海拔高、紫外線輻射強、晝夜溫差大、反復凍融循環破壞嚴重及鹽害作用明顯的西藏高原露天環境，各種風化作用較為強烈，巖畫不斷受到侵蝕損壞。從圖1可看出，巖畫風化受損，佛像已經模糊不清；從圖2可清晰看到巖畫發生鱗片狀剝落較為嚴重，尤其是1#、2#和3#部位，巖畫損壞較為突出，導致巖畫表面圖像難以辨識。

關于巖畫風化的研究，張曉霞[1]在賀蘭山巖畫風化狀況調查中，對巖畫附近巖石進行劈裂、單軸、三軸及剪切力學試驗并進行X射線、電子顯微鏡掃描，得到溫度變化、風沙剝蝕使巖石表面疏松多孔、風化嚴重的結論。郭宏等[2]對花山巖畫的保存現狀和環境溫濕度及風速風向進行了調查，運用XRD分析、偏光顯微分析和化學全分析，指出巖畫物理風化的最主要原因是高濕度環境，風向、風速、光輻射、溫差為次要因素。丁梧秀等[3]對龍門石窟圍巖的風化特征和風化作用進行了調查研究，認為研究區對巖畫的破壞以熱脹冷縮、冰劈作用的物理風化和根劈作用的生物風化為主，化學風化影響相對較小。

這些研究雖然取得了一定的成效，但對于西藏的高海拔、晝夜溫差、紫外線、反復凍融循環及鹽害作用對巖畫風化的影響方面的研究，目前無人涉及。因此，本課題采用實地風化狀況調查并在實驗室對巖樣進行凍融循環試驗、波速測試和單軸壓縮試驗，分析了西藏巖畫風化的主要因素、風化速率及風化機理。

圖1 風化的巖畫照片

圖2 風化剝蝕的巖畫照片

1 試驗方法

1.1 試驗方案設計

巖畫屬于室外不可移動的石質文物，基本都是就地或就近取材經過雕琢而成。巖石的力學性質是由組成巖石的成分、裂隙、結構層理和賦存條件等所決定，因此不同巖石的力學強度相差較大。巖石礦物成份及性質、裂隙以及結構面的斷裂程度在某些自然因素作用下會繼續發育、逐步擴大，導致巖石的力學性質變弱[4]。因此，本文采用凍融循環機對樣品進行加鹽凍融循環不同次數，運用CTS-25型非金屬超聲波檢測儀測試樣品的波速，采用SANS微機控制電液伺服萬能試驗機進行單軸壓縮試驗，測試樣品的力學性能。

1.2 試樣制備

西藏巖畫幾乎都刻畫在花崗巖和板巖之上，因此在巖畫附近選取花崗巖和板巖相似的石材，在實驗室內用鉆孔取芯機制作試樣。標準樣品尺寸為：高×直徑=100mm×50mm,完全滿足《工程巖體試驗方法標準》規范要求L(高度)：D(直徑)=2：1的試樣尺寸要求。將花崗巖編號為A系列，板巖編號為B系列，A、B系列各5組，每組各3種樣品，共計30種樣品。

凍融循環試驗是通過控制巖體所處環境溫度，反復進行凍結和融化，模擬試樣在天然氣象條件下發生的凍融過程。根據西藏多年最高氣溫（29.4℃）和最低氣溫（-16.5℃），確定樣品凍融循環試驗的凍融溫度分別為30℃和-20℃。將樣品在蒸餾水和NaCl溶液中浸泡飽和后進行凍融循環，先凍12h，再融12h。如此反復凍融不同次數，再測試其波速和力學性能，具體凍融試驗方案見表1。

表1 凍融試驗方案

1.4 波速測試試驗

圖3 聲波測試示意圖

1.5 單軸抗壓強度試驗設計

單軸抗壓強度是指巖石試樣抵抗單軸壓力時保持自身不被破壞的極限應力，是巖石力學最基本的指標之一[6]。為了分析試樣經過凍融循環后的力學性能，文章采用單軸壓縮試驗測試樣品的單軸抗壓強度，運用SANS微機控制電液伺服萬能試驗機，采用位移控制的加載方式，加載速率為0.002mm/s，垂直方向最大載荷1000KN，垂直方向最大位移5mm，水平方向最大位移2.5mm。單軸抗壓強度試驗見圖4。

2 數據分析

2.1 波速的變化

根據超聲波測試數據，得出花崗巖和板巖各試樣凍融不同次數的波速和波速差，見圖5。

從圖5可以看出，板巖和花崗巖凍融后的波速比凍融前的波速明顯降低，凍融次數越多，波速差就越大。鹽水飽和浸泡凍融后的波速比蒸餾水飽和浸泡后的波速低，板巖凍融前后的波速差值比花崗巖凍融前后的波速差值低。表明，凍融循環及其次數、是否浸泡鹽水、巖性等對樣品的波速均有較大影響，在同等工況條件下，花崗巖比板巖波速下降快。

以學生為中心的教學改革是教育思維模式的顛覆性變革，“關鍵是將教與學的重心真正地轉變到以學生為中心的教育上來，實現從以教為中心到以學為中心的轉變”［1］。把這一理念落實到教學實踐中并不是一件容易的事，這既涉及到教師的教學習慣，又與學生的學習習慣有關。就教學本身的目的而言，這一理念也應運用于指導成人教育。我們這里提出的“以學習者為中心”，不僅強調在教學中要以學生為中心，更要明確指出，教育教學的一切工作都要以學生為中心，真正地把提高學生的核心能力作為成人教育的中心任務。

圖4 巖心單軸抗壓試驗照片

圖5 花崗巖和板巖凍融前后波速及波速差

圖6 花崗巖風化等級圖

圖7 板巖風化等級圖

2.2 風化等級分析

式中VP0為新鮮巖石縱波速度（m/s）；VP為風化巖石縱波速度（m/s）。根據《巖土工程勘察規范》得出西藏巖畫在各種工況下的風化等級。

花崗巖和板巖各組試樣經凍融循環試驗后風化等級見圖6和圖7。

根據圖6可得，花崗巖試樣在凍融30次和60次情況下，浸泡鹽水比浸泡蒸餾水的風化等級高，表明在凍融循環中巖石內部鹽分將加深花崗巖風化程度，加快風化速率。試樣在浸泡蒸餾水條件下，凍融30次與60次后風化等級差別不大；在浸泡鹽水條件下，凍融30次與凍融60次后風化等級差別也很小。這并不表明凍融60次與30次巖石內部劣化效果是一樣的，恰恰說明了巖石內部結構劣化的加深。究其原因是試樣內部的微裂隙和孔隙中的水凍結成冰充滿空腔，產生巨大的凍脹力，使部分微裂隙和孔隙隨著凍融次數的增加逐漸擴大、貫通。因超聲波在水中傳播速度約為1450m/s，大于空氣中340m/s的傳播速度，凍融60次與30次的風化等級差別反而不大[8]。

從圖7可看出，板巖試樣在凍融30次和60次情況下，浸泡鹽水比浸泡蒸餾水風化等級要高，風化速度更快，表明鹽分在板巖凍融過程中加劇了風化作用。板巖試樣在浸泡蒸餾水條件下，凍融60次與30次風化等級差別不大；在浸泡鹽水條件下，凍融60次與凍融30次風化等級相差較小，究其原因是與花崗巖凍融循環情況相似、原理相同。

2.3 單軸抗壓強度分析

通過試驗，將兩類巖石各組3個巖樣的單軸抗壓強度取平均值。兩類巖石各組試樣單軸抗壓強度見圖8。

圖8 花崗巖和板巖單軸抗壓強度平均值

根據圖8可以看出，花崗巖和板巖在未經凍融循環試驗時抗壓強度最大，分別為29.25Mpa和12.93Mpa；經過凍融循環后抗壓強度逐漸減小，表明凍融循環及其次數對巖石的風化破壞十分顯著。試樣分別在浸泡蒸餾水條件下凍融30次、浸泡鹽水條件下凍融30次、浸泡蒸餾水條件下凍融60次、浸泡鹽水條件下凍融60次之后，單軸抗壓強度逐漸減小，但減小幅度較小。表明隨著凍融循環次數增加，巖石的風化破壞程度逐漸加深。同時，浸泡鹽水加劇巖石強度的減小。

從圖8可以看出，板巖的單軸抗壓強度普遍比花崗巖小，這是由花崗巖和板巖的巖性決定的?；◢弾r和板巖經過同等條件凍融循環試驗后，花崗巖單軸抗壓強度減小幅度比板巖大，表明在相同的環境下花崗巖的風化速率較板巖快。

3 結論

通過對西藏巖畫風化現狀調查，采用凍融循環、超聲波測試以及單軸壓縮試驗，對巖畫風化機理及風化速率進行了分析。主要結論如下：

①凍融循環及次數是巖畫風化的主要作用因素，鹽分的存在加劇了風化速度。

②在同等凍融循環條件下花崗巖比板巖風化速率快，且與兩種巖石的巖性及結構面等特性有關。

[1][4]張曉霞.賀蘭口巖畫風化機理研究及其保護材料探索[D].銀川：寧夏大學,2014.

[2]郭宏,韓汝玢,黃槐武,等.廣西花山巖畫物理風化機理及其治理[J].文物科技研究,2004(00)：97-106.

[3]丁梧秀,陳建平,馮夏庭,等.洛陽龍門石窟圍巖風化特征研究[J].巖土力學,2004,25(1)：145-148.

[5][8]蘇偉.凍融循環對巖石物理力學性質及邊坡穩定性影響的研究[D].長沙：長沙礦山研究院,2012.

[6]周宇翔.西藏高海拔地區凍巖凍融循環過程中劣化規律研究[D].成都：西南交通大學,2015.

[7]孟田華.云岡石窟風化的綜合分析研究[D].北京：中國地質大學,2014.

Study on theweathering testof rock paintingsunder the large temperature variation in the Tibetan Plateau

Ye Tang-jin An Yang Zhang Yong-sheng Gu Xue-ying
(SchoolofEngineering，TibetUniversity，Lhasa850000，Tibet)

There aremany open rock painting cultural relics in Tibet.The rock painting have being damaged constantly in Tibet due to the effect of the sun and rain,freeze-thaw cycles,salt and thermalweathering.The main causes ofweathering rockpainting,weathering speed and weatheringmechanism were obtained by field investigation,the freeze-thaw cycle test,wave velocity testand uniaxial compressive test.

rock painting;weatheringmechanism;weathering speed;freeze-thaw cycle

10.16249/j.cnki.54-1034/c.2016.02.005

O347

A

1005-5738（2016）02-031-006

[責任編輯：索郎桑姆]

2016-07-15

2016年度西藏自治區自然科學基金項目“基于西藏高原大溫差環境下不同巖石類型石質文物（巖畫）的風化速率及風化機理研究”（項目號：2016ZR-15-7）；2015年度西藏自治區大學生創新性實驗訓練計劃項目“西藏巖畫的風化速率和風化機理研究”（項目號：2015QCX029）階段性成果。

葉唐進，男，土家族，貴州銅仁人，西藏大學工學院講師，主要研究方向為地質災害。