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2025 , Vol. 52 >Issue 5: 103 - 114

DOI: https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2025.05.011

研究论文

云冈石窟第9窟砂岩化学风化机理研究

  • 徐昌娇 1 ,
  • 闫宏彬 2 ,
  • 罗嘉良 1 ,
  • 乔尚孝 2 ,
  • 甘志华 3 ,
  • 马清林 , 1
展开
  • 1. 北京化工大学 材料科学与工程学院，北京 100029
  • 2. 云冈研究院 石窟寺保护与传承山西省重点实验室，大同 037007
  • 3. 北京化工大学 生命科学与技术学院，北京 100029
E-mail：

女，2002年生，硕士生

收稿日期: 2025-06-24

  网络出版日期: 2025-10-30

基金资助

北京化工大学2024年人才引进项目(12060098294)

收起

The chemical weathering mechanism of sandstone in Yungang Grottoes Cave 9

  • ChangJiao XU 1 ,
  • HongBin YAN 2 ,
  • JiaLiang LUO 1 ,
  • ShangXiao QIAO 2 ,
  • ZhiHua GAN 3 ,
  • QingLin MA , 1
Expand
  • 1. College of Materials Science and Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029
  • 2. Shanxi Key Laboratory of Grotto Temple Protection and Inheritance，Yungang Academy，Datong 037007
  • 3. College of Life Science and Technology，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China

Received date: 2025-06-24

  Online published: 2025-10-30

Fold

摘要

为研究云冈石窟砂岩风化与胶结物流失和孔隙贯通机制之关联，以取自云冈石窟第9窟本体砂岩及表面片状剥落物为研究对象，采用扫描电子显微镜与能量散射光谱仪联用技术（SEM⁃EDS）、共聚焦显微拉曼光谱（Raman）及X射线衍射分析（XRD）等多尺度测试表征。研究结果表明：砂岩成岩矿物微观形貌变化与风化行为密切相关，主要包含胶结物改变、黑云母蚀变与钾长石高岭石化3个方面。这些矿物微观结构变化的协同作用是云冈石窟第9窟风化病害的内在机制。在风化病害较轻砂岩中，各成岩矿物以方解石为主要胶结物，彼此之间胶结良好；黑云母、钾长石表面光滑，形貌完整；风化严重的砂岩结构松散，各成岩矿物之间主要由高岭石胶结，方解石相对含量很低，高岭石相对含量上升，仅存在微量黑云母；钾长石表面出现溶蚀沟槽，高岭石化严重。在膨胀应力等因素作用下砂岩胶结失效、颗粒崩离，砂岩文物本体受到破坏。

关键词： 云冈石窟; 砂岩风化; 膨胀应力; 胶结失效

本文引用格式

徐昌娇 , 闫宏彬 , 罗嘉良 , 乔尚孝 , 甘志华 , 马清林 . 云冈石窟第9窟砂岩化学风化机理研究[J]. 北京化工大学学报（自然科学版）, 2025 , 52(5) : 103 -114 . DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2025.05.011

Abstract

To investigate the relationship between weathering processes， cementation loss， and pore penetration mechanisms in the sandstone of the Yungang Grottoes， this study analyzed sandstone of the cave body sample and surface exfoliation fragments from Cave 9. Characterization was performed using scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy （SEM-EDS）， confocal Raman microscopy， and X-ray diffraction （XRD）. The results indicate that micromorphological alterations in diagenetic minerals are closely associated with weathering behavior， primarily manifested as changes in cementation， biotite alteration， and kaolinization of potassium feldspar. The synergistic effects of these microstructural mineral changes constitute the intrinsic mechanism underlying weathering pathologies observed in Cave 9. In minimally weathered sandstone， calcite（CaCO3） serves as the primary cement， effectively binding diagenetic minerals； biotite［K（Mg，Fe）3AlSi3O10（OH）2］ and potassium feldspar［KAl（Si3O8）］ exhibit smooth surfaces and intact morphology. Conversely， weathered sandstone displays a loose structure， with the kaolinite predominating as thecementing agent. The relative calcite content is significantly reduced， while the kaolinite content increases. Biotite is present in only trace amounts， and the surfaces of potassium feldspar surfaces exhibit dissolution grooves with severe kaolinization. Under the influence of swelling stresses and other factors， cementation failure occurs， leading to particle collapse and consequent damage to the sandstone cultural relics.

Key words： Yungang grottoes; sandstone weathering; swelling stress; loss of cementation

引言

文物是人类发展各个时代的思想结晶，对历史研究具有重要的实用价值。作为人类文明与自然演变的物质见证，文物承载着多维度的价值，既是历史的“活化石”，也是连接过去、现在与未来的文化纽带。
文物价值不仅体现在其历史与艺术内涵上，其材质本身也承载着独特的科学信息。从青铜、陶瓷到玉石、木材，不同材质文物记录了人类对自然资源的利用智慧。其中，砂岩质文物因其独特的物理特性与广泛分布，成为研究古代建筑技术、环境变迁的重要载体。它们广泛存在于中国乃至世界各国文化遗产中，如重庆大足石刻、山西云冈石窟、埃及南部努比亚遗址、沙特阿拉伯石谷。它们不仅是历史的见证，也是审美的享受，更是文化传承的重要载体。在历史长河中沉寂数年，砂岩质文物因盐结晶、生物侵蚀及温湿度波动引发的酥碱、剥落等病害日益严峻，其破坏程度与风化机理深度关联。砂岩风化是一个较为漫长的过程，发生在复杂、开放、非均质环境中，同时受物理、化学和生物等多因素影响，其过程复杂。为了厘清砂岩风化详细过程和相关机理，国内外学者结合风化产物和环境观测开展了大量研究。Luis等［1］使用矿物学和岩石学手段分析采集的砂岩样品，发现石膏和其他盐不是未蚀变岩石的一部分，而是风化结果。Liao等［2］使用临界区科学思路研究了甘肃炳灵寺石窟样品元素传输和矿物从原石（互层砂岩和砾岩）到风化层的矿物转化。通过对钻孔、挖掘剖面、裂缝和悬崖表面的地球化学和矿物学表征，得出方解石、斜长石和正长石溶解导致岩石中主要元素流失的结论。Tian等［3］对大足石刻千手观音石质的离子色谱分析发现硫酸盐含量最高，结果表明，潮湿大气环境中空气污染可能是岩石侵蚀的主要原因。随着研究深入，学者们逐渐意识到现有广泛使用的研究方法具有一定局限性，无法全面解释砂岩风化复杂过程，研究视角逐渐转向室内显微观察［4-5］、模拟实验［6-11］、化学试验［12-13］等方面。
云冈石窟位于山西省大同市，于北魏文成帝和平年间（460—465年）开凿于侏罗纪砂岩体上，是北魏王朝建都平成期间留下的一座历史丰碑。经过1 500多年风霜雨雪，云冈石窟内外大部分造像均受不同程度破坏。随着旅游业发展，大量游客涌入带来的二氧化碳、水汽、微生物等改变了洞窟内微环境，加速了岩石文物风化；石窟周边工业污染、机动车尾气排放等产生的酸性气体、粉尘等污染物也能与石窟表面发生化学反应，造成砂岩风化，降低了石窟造像强度和稳定性。云冈石窟砂岩质文物现已出现多种类型的风化病害，包括表面酥粉、变色、裂隙生长、盐碱斑、降尘堆积、烟熏污染物、空鼓、片状剥落等，这些病害不仅影响了石窟造像外观完整性，更对其结构稳定性和文化艺术价值造成了严重威胁。云冈石窟砂岩质文物是珍贵历史文化遗产，其风化过程受矿物组成、环境条件及人类活动等影响。早在20世纪50年代云冈石窟保护人员就开始了石窟防风化研究工作［14-17］。在砂岩风化物理机制探讨中，发现盐分迁移、富集与结晶是导致劣化的核心过程，使得表面泛盐现象成为研究热点［18］。曲永新等［19］、任建光等［20］、刘成等［21］就云冈石窟盐类存在形态、种类、来源及对岩石破坏原理做了较详细的探索。
在砂岩质文物保护研究方面，已有研究表明［22］，影响石质文物风化原因包括岩体矿物组分、可溶盐离子等内在因素和空气温度、相对湿度、大气污染物等环境因素，多种因素相互影响、相互促进，加剧了石质文物的破坏速度。当前研究多依托宏观物性指标（质量损失率、抗压强度）反推风化机理［23-24］，刘新荣等［25-26］系统研究了酸碱环境干湿循环作用下砂岩物理力学性质的变化和溶蚀的孔隙度演化规律。目前，对孔洞裂隙发展、胶结相溶解动力学等微观结构演变缺乏系统性表征，尤其是长石、云母与钙质胶结物等矿物组分的差异风化响应机制，研究进展缓慢。
本研究基于云冈石窟第9窟本体砂岩及表层片状剥落风化样本，采用扫描电子显微镜与能量散射光谱仪联用技术（SEM⁃EDS）、共聚焦显微拉曼光谱（Raman）、X射线衍射分析（XRD）等多尺度表征技术，系统地解析了矿物相变规律与微结构损伤模式，重点揭示了胶结物流失与孔隙贯通机制。研究成果将为建立基于微观结构演化的砂岩风化预测模型及制定精准保护策略提供科学依据。

1 实验部分

1.1 实验样品

以云冈石窟第9窟采集到的两类样品为研究对象，本体砂岩样品使用切割机切割出岩样界面，风化剥落样品分拣出其中成块的较大者，采用环氧树脂包埋固化后打磨抛光至镜面光洁。测试样品基本信息见表1。
表1 样品信息表

Table1 Sample information

1.2 实验仪器

体式显微镜（SMZ-745T型，北京长恒荣创科技有限公司）；X射线衍射仪（XRD，日本理学Smart Lab 9KW型，深圳市蓝星宇电子科技有限公司）；显微共聚焦拉曼光谱仪（Raman，HORIBA XploRA™ PLUS型，日本HORIBA公司）；扫描电子显微镜（SEM，SU500型，日本日立科学仪器公司）；X射线能谱仪（EDS，Ultim® Max系列，英国牛津仪器公司）。

1.3 测试与表征

显微形貌观察　采用环氧树脂包埋固化样品后抛光打磨，用体式显微镜观察样品断面特征。
X射线衍射　将样品研磨为粉状颗粒，过筛（25 μm的标准筛）后移至硅基玻片，表面压平，放置于微区样品台选择目标区域直接测试。测试条件：Cu靶、功率为9 kW、步距为0.01°；扫描范围：5°~90°；扫描速度：15（°）/min。
拉曼光谱分析　光谱范围为100~2 000 nm，光谱分辨率优于1波数。实验条件：1 200线高分辨光栅，激光波长532 nm及785 nm，扫描时间及扫描次数根据实际情况调整。
扫描电子显微镜观察及X射线能谱分析 测试条件：激发电压20 kV，测试前喷金。

2 结果与讨论

2.1 断面特征

采用体式显微镜观察样品断面形貌特征，见图1。YG01本体样品边缘规整，断面整体呈黄褐色，有大量规则透明块状颗粒和不规则黑色物，以及少量白色颗粒物；YG02风化样品断面不规整，呈以乳白色物质联结透明颗粒形貌，含少量深褐色不规则物；YG03风化样品含大量规则透明颗粒物，夹杂深褐色物和少量黄色块状物及乳白色物。两种类型样品宏观差异在于本体样品主体呈黄色，肉眼可见其中含较多黑色絮状物质，而风化样品主体呈灰色，断面未观察到黑色絮状物质。
图1 云冈石窟第9窟砂岩样品断面

Fig.1 Cross⁃section of sandstone samples from Yungang Grottoes Cave 9

2.2 XRD分析

2.2.1 物相分析

取3份本体砂岩样品，4份风化砂岩样品进行XRD测试，分析样品成分组成，如图2所示。砂岩样品成分XRD分析结果见表2。
图2 云冈石窟第9窟砂岩样品XRD测试结果图谱

Fig.2 XRD patterns of sandstone samples from Yungang Grottoes Cave 9

表2 样品成分XRD数据分析结果

Table 2 XRD analysis of sample composition

样品编号 主要物相
本体样品01 石英、钾长石、高岭石、方解石
本体样品02 石英、钾长石、高岭石、方解石
本体样品03 石英、钾长石、高岭石、方解石
风化样品01 石英、钾长石、高岭石、方解石
风化样品02 石英、钾长石、高岭石
风化样品03 石英、钾长石、高岭石
风化样品04 石英、钾长石、高岭石
7份样品的XRD图谱表明石英、钾长石、高岭石是砂岩样品的主要成分。

2.2.2 XRD半定量分析

半定量分析结果显示风化现象不明显的本体样品中均含有方解石，而风化剥落样品中方解石含量很低或不存在。不易风化的石英在风化样品中相对含量大于风化现象不明显的本体样品中的相对含量，见表3。
表3 XRD半定量分析数据

Table 3 XRD semi⁃quantitative analysis

编号 质量分数/%
石英 钾长石 高岭石 方解石
本体样品01 40.8 15.6 27.0 16.6
本体样品02 65.0 9.8 15.4 9.8
本体样品03 29.4 55.7 3.5 11.4
风化样品01 59.1 24.7 10.2 6.1
风化样品02 68.5 13.0 18.5
风化样品03 69.7 22.1 8.2
风化样品04 83.7 5.4 10.9

2.3 拉曼光谱分析

经拉曼测试，本体砂岩样品与风化样品物质组成差异较大。本体样品物质组成丰富，而风化样品物质组成更简单。对比本体样品，风化样品中方解石、黑云母基本消失，视野中石英颗粒含量明显增加，风化样品中出现了白云石，见图3。
图 3 云冈石窟第9窟砂岩样品拉曼光谱分析图谱

Fig.3 Raman spectrum analysis of sandstone samples from Yungang Grottoes Cave 9

2.4 微观形貌

2.4.1 元素面分布扫描及成分确认

采用SEM-EDS分析3个样品的化学组成，确定砂岩胶结物。本体砂岩样品中含有大量石英、钾长石、少量高岭石、方解石、板钛矿等，元素面扫描结果（图4（a）、4（b）及表4、表5）清晰显示本体砂岩样品主要以方解石为胶结物，石英、钾长石、高岭石等深深嵌在方解石等胶结物中。各物质之间胶结良好，结构紧密，矿物颗粒的粒间裂隙和孔隙不明显，矿物颗粒完整性好，长石相对完整，仅有小部分高岭石附着。风化样品较本体样品化学组成更简单（图4（c）、4（d）及表4、表5），以石英、高岭石为主，通过高岭石胶结，其间夹杂含铁白云石、含铁方解石及钾长石。风化样品结构非常疏松，矿物颗粒破碎，完整性较差，大量细小颗粒碎屑附着在矿物颗粒表面或填充于粒间孔隙中。部分颗粒风化溶蚀严重，次生溶孔与裂隙显著发育，可为风化产物的流失和外界物质如H2O、CO2、SO2等进入砂岩内部提供通道。
图 4 云冈石窟第9窟砂岩样品元素面分布图

Fig.4 Elemental mapping images of the sandstone samples from Yungang Grottoes Cave 9

表4 云冈石窟第9窟样品光学与扫描电镜形貌

Table 4 Optical photograph and scanning electron microscope morphology of the sample from Yungang Grottoes Cave 9

表5 云冈石窟第9窟砂岩样品EDS能谱数据及分析结果

Table5 EDS spectral data and analysis results of sandstone samples from Yungang Grottoes Cave 9

编号 位置 摩尔分数/% 可能物相
C O Na Mg Al Si S K Ca Ti Fe
YG01（1） EDX1 30.8 50.7 0.2 2.2 5.4 1.3 9.2 0.2 CaCO3+SiO2+Al2Si2O5（OH）4
EDS2 22.0 56.6 10.7 10.2 0.1 0.1 0.5 Al2Si2O5（OH）4
EDS3 23.7 53.6 0.2 9.4 10.8 1.9 0.4 Al2Si2O5（OH）4
EDS4 27.2 41.9 1.0 1.8 0.6 0.4 27.2 Fe2O3
EDS5 25.2 48.8 2.7 5.8 10.3 2.1 0.2 0.7 4.2 K（Mg，Fe）3AlSi3O10（F，OH）2+Al2Si2O5（OH）4
YG01（2） EDS1 22.5 56.3 10.7 10.3 0.1 0.1 Al2Si2O5（OH）4
EDS2 25.8 48.2 0.4 5.5 15.7 4.5 K［AlSi3O8］
EDS3 24.6 53.7 0.2 9.3 11.1 0.4 0.3 0.4 Al2Si2O5（OH）4
EDS4 32.3 46.7 20.9 0.1 SiO2
YG02 EDS1 43.0 38.9 1.1 5.8 7.9 1.2 0.3 1.8 K（Mg，Fe）3AlSi3O10（F，OH）2+Al2Si2O5（OH）4
EDS2 29.3 47.8 0.1 0.8 2.1 7.4 0.2 12.1 0.2 SiO2+CaSO4+CaCO3
YG03 EDS1 29.6 52.4 5.3 0.1 0.1 10.4 2.1 Ca（Mg，Fe）（CO3）2
EDS2 46.8 0.1 21.2 SiO2
EDS3 56.9 12.1 11.4 Al2Si2O5（OH）4
EDS4 47.5 0.4 6.0 17.0 5.4 K［AlSi3O8］

2.4.2 微观矿物风化行为分析

采用扫描电子显微镜BSE模式，观察砂岩矿物颗粒微观风化行为。黑云母风化形成高岭石，黑云母层间间距增大，沿此裂隙可能逐渐发展形成贯通性裂隙，为其他物质流通提供通道。蚀变较彻底的黑云母主要形成高岭石与赤铁矿，观察发现残余黑云母附近存在高岭石，同时纺锤状赤铁矿分布在高岭石中（图5）。钾长石也发生了蚀变，其表面变得斑驳，在钾长石四周观察到高岭石附着（图6）。
图 5 YG03样品100倍电镜下黑云母蚀变现象

Fig. 5 Black mica alteration phenomenon of YG03 magnifed 100 times by SEM

图 6 YG01样品100倍电镜下钾长石蚀变现象

Fig.6 The potassium feldspar alteration phenomenon of YG01 magnifed 100 times by SEM

3 云冈石窟第9窟砂岩风化机理

3.1 矿物风化行为微观致病机理

通过上述砂岩矿物组成、元素含量、微观结构与形貌分析，可得出矿物微观风化行为是风化病害发育的内在机制，主要有以下4个方面。

3.1.1 胶结物改变

砂岩由砂粒和胶结物组成。新鲜砂岩砂粒通过方解石胶结（图7（a）），其矿物成分和性质决定了砂岩对水、温度变化、化学溶液等风化营力的敏感性。大气中的CO2、SO2溶于水形成酸性溶液，将持续溶解钙质胶结物［27］。砂岩风化过程中胶结物方解石破碎流失，孔隙发育为裂隙，部分颗粒成为孤立个体，可能发生脱落。同时砂粒通过多种途径产生高岭石等其他具有胶结作用的矿物，砂岩胶结物逐渐改变，风化样品主要以高岭石为胶结物（图7（b））。在云冈石窟特殊环境中，砂岩在干湿循环、冻融循环等作用下，方解石不断流失，风化产物高岭石反复膨胀收缩，在砂粒周围产生丰富应力，从而造成砂粒破裂崩解。
图7 云冈石窟第9窟砂岩样品薄片透射微观形貌

Fig.7 Thin⁃section transmission microscopic morphology of sandstone samples from Yungang Grottoes Cave 9

3.1.2 黑云母蚀变

黑云母风化产物主要有蛭石、黑云母/蛭石的混层不规则间层矿物、绿泥石/蛭石间层矿物、高岭石、铁的氧化物及蒙皂石、伊利石/绿泥石等。不同风化产物是各种因素综合作用的结果，其主要是由于黑云母风化受到内外两方面因素控制，主要是风化介质的盐浓度、酸碱度和云母种类以及水解作用和地下水运动［28］。在本实验研究样品中，黑云母以转化为高岭石的方式蚀变，片层结构的黑云母从边缘开始向高岭石转变，边缘层间间距变宽，边缘被蠕虫状高岭石替代（图8（a）、8（b））。
图8 YG01样品扫描电镜显微图像

Fig.8 Scanning electron microscope image of YG01

结合本体样品及风化样品成分差异，黑云母还可能为形成白云石提供Mg2+、Fe2+。与本体砂岩相比，风化砂岩中出现了含铁白云石（图4（d）、表5中YG03的数据），可能是方解石与黑云母共同作用实现的。黑云母在酸性流体中释放Fe2+、Mg2+、K+、Al3+和SiO2。外界CO2溶于水生成HCO3 -/CO3 2-。黑云母发生蚀变，释放的Mg2+、Fe2+与Ca2+、CO3 2-结合形成铁白云石，同时生成次生矿物石英、高岭石等。
反应方程式如下。
K（Mg，Fe）3AlSi3O10（OH）2 +3Ca2+ +4CO2+ 4H2O→Ca（Mg，Fe）（CO3）2 +K+ +Al（OH）3 +3SiO2 + 4H+
具体转化机理如下。
（1）云母化学分解
H+攻击云母晶格，释放Mg2+、Al3+和K+，同时硅氧四面体解聚生成SiO2。
K（Mg，Fe）3AlSi3O10（OH）2+12H++CO3 2-→
3（Mg2+，Fe2+）+ K+ + Al3+ + 3SiO2 + 7H2O + CO2
其中，CO3 2-可能来源于碳酸盐溶解或CO2水合与水解作用，即CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + CO3 2-
（2）铁、镁元素引入与迁移
黑云母｛K（Mg，Fe）3AlSi3O10（OH）2｝分解释放Fe2+、Mg2+。
K（Mg，Fe）3AlSi3O10（OH）2 +H+ → Fe2+ +Mg2+ +其他
（3）白云石形成
流体中Ca2+、Mg2+、Fe2+与CO3 2-结合，形成含铁白云石。
Ca2+ +（1-x）Mg2+ +xFe2+ +2CO3 2- →Ca（Mg1- x Fe x ）（CO3）2
其中，x为Fe2+对Mg2+的替代比例（0<x<1）。
黑云母风化过程中产生的裂缝（图8（a）虚线部位），可为水分运移提供通道，从而促进其他矿物风化进程。

3.1.3 钾长石高岭石化

钾长石经过风化，表面出现了点蚀坑及微小裂隙，生成高岭石。高岭石化通常是一种假象交代过程，高岭石集合体大致保留原钾长石的外部形态，但内部形态已完全改变。未蚀变的钾长石表面相对平整光滑（图8（c）下部虚线框）；部分蚀变的钾长石表面出现蚀坑、溶蚀沟槽，新生高岭石以蠕虫状集合体附着或生长在长石边缘（图8（d）上部虚线框）；完全蚀变时，原始长石形态被无数细小高岭石片状晶体紧密或松散堆积而成的集合体所取代。SEM下典型形貌为密集堆积的书册状结构（图8（f））。
基本反应方程式如下。
2KAlSi3O8 + 2H+ + 9H2O →Al2Si2O5（OH）4 +2K+ + 4H4SiO4
具体反应机理如下。
（1）酸性环境
自然界中，H+主要来源于两种途径。
①大气二氧化碳溶解，CO2溶于水生成碳酸（H2CO3），弱酸离解产生H+和HCO3 -。
CO2 +H2O →H2CO3 →H+ +HCO3 -
②植物根系或微生物分泌有机酸（如草酸）提供H+。
（2）钾长石晶格破坏
H+攻击Al-O和Si-O键：H+优先与钾长石中K+交换，破坏了钾长石表面的电荷平衡，使K+进入溶液。钾长石先转化为无序的硅铝酸盐凝胶，酸性条件持续作用下凝胶中部分硅以硅酸（H4SiO4）形式溶出，Al主要以Al（OH）2 +和Al（OH）3形式存在。
（3）硅与铝的重组生成高岭石
溶出的硅铝物质在溶液中达到过饱和状态时开始重新组合，通过羟基连结形成层状结构高岭石。

3.1.4 高岭石膨胀

片层状矿物结构的高岭石层间联结不稳定，水分子极易在层组间流动，造成岩体反复膨胀、收缩，水分子对裂隙两侧具有润滑作用，减少其摩擦力，提高变形概率。高岭石具有一定的吸水能力，吸水后会产生轻微膨胀。当砂岩中存在高岭石时，吸水膨胀会对周围砂粒产生挤压作用。结合云冈石窟当地环境温度的反复变化，特别是冬季昼夜温差大，砂岩中的高岭石由于冻融作用产生体积变化，而在干燥时，高岭石又会收缩，造成砂岩岩体片状剥落。这种反复胀缩作用会破坏砂岩的胶结结构，导致砂岩结构松散，使得表面逐渐剥落。同时高岭石膨胀产生应力致使其他矿物颗粒（如石英）破裂，形成裂隙（图9、表6），化学溶液将通过岩石裂隙和孔洞这些裂隙等缺陷进入到内部，并与岩石活性砂岩中矿物成分发生反应，削弱颗粒间连接或腐蚀矿物颗粒，改变岩石微观结构，随着化学反应的不断进行，颗粒间连接作用愈发变弱，从而导致岩石风化劣化程度不断增加。
图9 YG03样品钾长石高岭石化现象（400X）

Fig.9 The transformation of potassium feldspar to kaolinite in YG03（400X）

表 6 YG03样品EDS数据

Table 6 EDS data of YG03

图9中的位置 摩尔分数/% 可能物相
C O Al Si K
EDS1 35.0 48.2 8.6 8.1 0.1 Al2Si2O5（OH）4
EDS2 27.5 45.9 5.5 16.2 4.9 K［AlSi3O8］
EDS3 30.4 45.2 5.1 14.7 4.6 K［AlSi3O8］
EDS4 27.2 49.5 23.3 SiO2

4 结论

根据目前样品分析结果，云冈石窟第9窟砂岩风化产物主要是高岭石。相较于风化现象不明显的本体砂岩，风化剥落样品微观结构松散，矿物颗粒间出现较大空隙与孔洞。观察本体样品及风化样品与实验研究，提出以下砂岩风化途径。
（1）胶结物改变及高岭石膨胀是引起砂岩矿物颗粒溃散的决定性因素。
（2）长石在酸性条件下水解生成高岭石。高岭石与水结合后具有良好塑性，在外界作用下容易产生变形与膨胀，大幅度降低了岩石整体强度，为岩石开裂及裂纹发展提供了内在条件。
（3）黑云母蚀变也会产生更多高岭石及裂隙，促进了砂岩剥落与崩解。

云冈研究院院长杭侃教授与卢继文主任等提供合作科研机会和样品，北京化工大学文物保护领域科技评价研究国家文物局重点科研基地博士生周正给予实验帮助，在此谨致谢忱！

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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