引 言
砂岩具有独特的物理和化学性质，是石窟开凿的理想选择材料。我国80%的石窟寺在砂岩上凿刻，其中以大足石刻［3-4］和云冈石窟［5-6］为代表。目前，人们对砂岩风化进行了诸多研究。宏观方面，郭志谦等［7］通过典型相关分析等方法，揭示了甘肃砂岩石窟风化的病害类型、成因及区域性差异，为石质文物保护提供了科学依据。张悦等［8］利用超声波技术与X射线荧光技术对云冈石窟风化砂岩进行了原位无损检测，获取了风化砂岩的超声波速和主要化学元素含量分布规律，评估了砂岩的风化程度，探讨了石窟风化差异的成因。Paradise［9］比较了约旦佩特拉相似微气候下不同朝向红砂岩的风化特征，评估了日照对风化的影响，阐释了日照与风化之间的诱导关系。微观方面，研究者聚焦于砂岩的微观结构变化，探讨了风化过程中岩石物理性质、环境条件、地形地貌等因素的相互作用机制，明确了盐分结晶［10］、热胀冷缩［11］、冻融作用［12］等物理因素对砂岩风化的影响。此外，人们还对不同地域的砂岩质文物（如庆阳北石窟寺［13-14］、广元千佛崖石窟［15］、乐山大佛［16］等）进行了研究，系统分析了风化特征、劣化机理及其与地层岩性、自然环境等因素的关系。以上研究在砂岩风化方面取得了丰富的成果，对石质文物保护具有重要的参考意义。然而，不同地域环境的砂岩质文物因岩性和赋存环境的差异，其风化特征和机理亦不相同，对于不同地理条件下砂岩文物的风化状态，应结合岩体矿物组分、可溶盐离子等内在因素以及空气温度、相对湿度等环境因素进行具体分析。
大足石刻作为我国南方规模最大的石窟造像群，分布于重庆市大足区宝顶山、北山、南山、石门山及石篆山区域，共计141处摩崖造像。其中位于南山最具有代表性的第5号窟——三清古洞，开凿于南宋绍兴年间（公元1131—1162年），现存421尊造像，其雕刻精良、风格独特，是我国现存最完整、最精美的宋代道教神系实物遗存，于1999年12月作为大足石刻的重要组成部分被列入《世界遗产名录》。然而，近千年的自然营力与人为影响，导致三清古洞造像出现粉末状、片状基质剥落以及彩绘层、金箔层起甲脱落等病害，这些病害造成造像表面纹饰模糊、形态失真，严重威胁其结构完整性。研究表明，大足石刻砂岩岩石学特征、后生变化以及环境的水文地球化学条件是影响石刻风化的重要因素［17］。酸雨、地下水毛细上升、岩体裂隙渗水的共同作用引起水盐运移，导致石刻岩体表面产生显著的硫酸盐结晶，加速了石刻的风化进程［18］。以上因素严重威胁着造像的长久保存和可持续展示利用，亟待深入研究其风化特征与机理，以便制定科学有效的保护措施。
本研究选取三清古洞造像为研究对象，对比分析了风化砂岩与较新鲜砂岩在矿物成分、微观结构及粒径分布等方面的特征，旨在揭示其风化机理，并对风化特征与风化程度进行量化评估，研究结果可为三清古洞造像的科学保护提供参考。
1 实验部分
1.1 环境特征
重庆市大足区属于亚热带温暖湿润季风气候，年均降水量约1 015 mm，受此气候影响，三清古洞的年均气温约17.2 ℃，夏季极端高温可达40 ℃，冬季极端低温为-3.4 ℃。三清古洞外的年均相对湿度为83.15%，相对湿度为70%以上的天数占全年的78.9%，洞内年均相对湿度为71.79%。
1.2 实验样品
本研究采集了三清古洞西壁与东壁第一、二、四、六层造像表面彩绘剥落区域的风化砂岩样品，分别编号为W1、W2、W4、W6和E1、E2、E4、E6（图1 ）。彩绘剥落区样本按照造像分布自下而上分层采集，用于分析不同高度造像的风化特征。同时，获取了洞内西壁南侧第六层造像裂隙内较新鲜的砂岩作为对照样本，编号为S0（图1 ）。样品采集严格遵循文物保护规范，确保取样过程不会对文物本体造成二次损害。
1.3 测试与表征
采用VHX-600E便携式数码显微镜（光学显微镜）（基恩士公司）观察造像表面病害，镜头型号为VH-Z20R，倍率20~200，自带照明灯。
采用JSM-6610 LV钨灯丝扫描电子显微镜（SEM）（日本电子株式会社）观察砂岩样品的微观形貌，对样品预先喷铂处理，在真空模式下使用二次电子探头（SE）检测，加速电压为25 kV。同时，采用IN⁃CA X⁃act型X射线能谱仪（EDS）（牛津仪器公司）测试样品的元素组成。
采用LabRAM Odyssey高分辨显微共聚焦拉曼光谱仪（日本Horiba公司）测试造像表面结晶盐的拉曼光谱。激光光源波长为532 nm、633 nm和785 nm，激光能量5 mW，分辨率1 cm-1，扫描范围50~4 000 cm-1。
采用D/max 2500 PC X射线衍射仪（XRD）（日本理学公司）测试砂岩样品的矿物成分。铜靶（Cu），发散狭缝1°，散射狭缝1°，接受狭缝参数0.3 mm，管压40 kV，管流100 mA，连续扫描，扫描范围3°~70°，石墨单色器滤波。
采用ICS-90离子色谱分析仪（IC）（美国戴安公司）分析砂岩样品的易溶盐含量。阳离子分析：CS12A阳离子分离柱，流动相为20.0 mmol/L甲烷磺酸溶液，流速1.0 mL/min，系统压力1 320 psi（1 psi=6 895 Pa），抑制电流59 mA；阴离子分析：AS14阴离子分离柱，流动相为Na2CO3（3.5 mmol/L）/NaHCO3（1.0 mmol/L）溶液，流速1.2 mL/min，系统压力1 219 psi，抑制电流24 mA。准确称取烘干的砂岩样品0.1~1 g，加入10.0 mL去离子水，摇匀，浸泡24 h后离心30 min，通过0.22 µm滤膜过滤上清液，利用离子色谱仪对清液进行分析。
采用Mastersizer 3000激光粒度分析仪（LPSA）（马尔文公司）测定砂岩粒径。光学装置使用红光和蓝光波长测量样品，通过EV湿法分散装置控制液体分散剂中悬浮样品的分散，检测范围0.01~3 500 μm，测量速度10 000次/s，分散剂为超纯水，采用智能全自动操作湿法测试。
2 结果与讨论
2.1 风化砂岩形貌及表面结晶盐成分分析
2.2 风化砂岩的物相成分分析
利用XRD定量分析了三清古洞砂岩风化过程中矿物的转化特征，结果见图6 和表1 。图6 显示，较新鲜砂岩样品含有石英、方解石、钠长石、钾长石和白云母，风化砂岩样品除了上述成分外，还含有石膏和绿泥石。表1 中，较新鲜砂岩样品S0的石英、方解石、钠长石、钾长石含量分别为50.7%、14.9%、28.6%、4.0%。经风化作用后，砂岩样品中矿物主要组分的含量变化明显：东壁E6和西壁W6砂岩样品的石英含量分别下降了12.1%和16.1%，方解石含量分别下降了4.5%和12.3%，钠长石含量升高了4.8%和20.8%，钾长石含量升高了5.9%和2.8%，并且风化砂岩样品中出现了一定量的石膏和绿泥石。
砂岩风化过程中矿物物相的变化表现为原生矿物蚀变与次生矿物形成，其中石膏和绿泥石［（Mg，Fe2+）5Al（Si3Al）O10（OH）8］是最典型的次生产物。随着风化过程中胶结物流失和长期温差膨胀作用，砂岩中原生石英发生物理破碎和脱落，导致石英含量减少，长石矿物相对富集［15］。砂岩中原生的方解石和长石等含钙矿物在酸性水溶液作用下溶解，释放Ca²⁺［24-25］。SO 随着降水（如酸雨）或环境污染物进入岩石，与Ca²⁺结合形成石膏，表明酸性硫化环境的主导作用。石膏晶体常呈片状或纤维状析出，富集于砂岩表层或孔隙内［26］，其结晶膨胀压力加速了岩石结构破坏［27］。同时，砂岩中铁镁质矿物发生水解蚀变，释放的Mg²⁺、Fe²⁺等阳离子与长石风化形成的伊利石和蒙脱石等重新组合成绿泥石［25，28］。层状结构的绿泥石在环境湿度变化时易吸水膨胀和失水收缩，进而降低岩石的力学强度，并促进微裂隙扩展，这些变化会显著降低砂岩的强度和耐久性。这种明显的矿物组分转化现象完整地展现了“胶结物溶解—离子迁移—次生沉淀”的风化过程，构成了一个完整的风化反应链［17］。
2.3 风化砂岩的易溶盐含量分析
通过比较较新鲜砂岩与风化砂岩中可溶性离子含量，可揭示砂岩风化过程中易溶盐含量的变化特征。图7 为不同高度层造像砂岩样品的易溶盐含量，较新鲜砂岩样品S0的总盐量仅为0.024 1%（质量分数），而风化样品的含盐量普遍升高1~2个数量级，其中东壁E2和西壁W2样品的含盐量较高，分别为2.658 4%和2.579 3%，表明风化作用可导致砂岩可溶盐发生显著的次生富集现象。风化样品中，阴离子以SO 为主，其含量（0.750 2%~1.842 5%）相比较新鲜砂岩增加了约214~526倍，阳离子以Ca2+为主，其含量（0.272 8%～0.611 9%）相比较新鲜砂岩增加了约19~43倍。SO₄²⁻含量与Ca²⁺含量呈正相关，证 实了次生石膏的沉淀过程。总体上看，西壁较东壁具有更高的含盐量和SO 含量（西壁样品W2中SO 含量高达1.842 5%），这是因为三清古洞顶板岩体存在层面裂隙和卸荷裂隙，导致西北角顶板发生崩塌，地表水顺着裂隙渗入到西壁，形成了独特的微环境，微环境的差异性对盐分在西壁的运移产生了一定影响。可溶盐通过促进岩石孔隙发育而增强渗透性，加速盐类“溶解—迁移—再结晶”循环，导致盐分在岩体内部非均匀分布，进而加速砂岩风化［29-30］。这一过程对评估石质文物风化具有重要的指示意义。
2.4 风化砂岩的粒径分布分析
图8 不同高度层造像砂岩样品的粒径分布Fig. 8 Particle size distribution of the sandstone samples of the statues at different heights |
表2 不同高度层造像砂岩样品的平均粒径及不同粒径占比Table 2 Average particle size and the proportion of different particle sizes of the sandstone samples at different heights |
| 样品 | 平均 粒径/μm | 粒子占比（体积分数）/% | ||
|---|---|---|---|---|
| 粒径>75 μm | 粒径5~75 μm | 粒径<5 μm | ||
| S0 | 161 | 79.25 | 19.17 | 1.58 |
| E1 | 108.0 | 68.02 | 26.85 | 5.13 |
| E2 | 143.0 | 77.36 | 21.01 | 1.64 |
| E4 | 153.0 | 74.02 | 23.93 | 2.05 |
| E6 | 85.6 | 55.12 | 35.96 | 8.92 |
| W1 | 83.0 | 52.57 | 38.64 | 8.79 |
| W2 | 108.0 | 68.34 | 29.85 | 1.81 |
| W4 | 88.4 | 56.11 | 35.48 | 8.41 |
| W6 | 120.0 | 68.69 | 29.39 | 1.92 |
3 结论
本研究基于多尺度表征分析方法，揭示了大足石刻南山三清古洞造像表面的风化特征与形成机制，明确了造像风化过程呈现典型的“矿物-结构-粒度”协同演化特征，得到以下主要结论。
（1）三清古洞造像的风化砂岩中有次生产物绿泥石和生石膏生成，原生方解石和长石向次生绿泥石和石膏矿物相变，表明风化作用导致矿物发生显著转化。
（2）风化作用使砂岩颗粒间胶结物溶解，形成典型的网格状孔隙结构，石膏在砂岩表层及孔隙内部结晶析出。
（3）基于SO 与Ca2+等离子的含量变化以及石膏的结晶特征，确定酸性环境下的化学侵蚀是砂岩风化的主要驱动力。
（4）与较新鲜砂岩相比，风化砂岩中砂粒占比减小，粉粒与黏粒占比增加，砂粒向粉粒和黏粒的转化迁移证实风化过程中矿物转化直接导致砂岩的物理破碎与细粒化。