金沙土遺址鹽害分布與演化特征

曲 瑾,蔣璐蔓,劉 珂,明文秀,苗聞文,陳俊橙,肖 嶙

(1. 西北大學,陜西西安 710127; 2. 成都金沙遺址博物館,四川成都 610074; 3. 成都文物考古研究院,四川成都 610074)

0 引 言

金沙遺址位于成都市西部二環路與三環路之間,地理坐標為北緯30°41′,東經104°,分布面積約3平方公里。金沙遺址是繼三星堆之后四川商周時期考古的又一重大發現,對古蜀文化的研究具有重要意義[1-2]。為了展示和保護金沙遺址祭祀區的發掘現場以及土體內保存的文物,2007年在土遺址上修建展廳,平面圖如圖1所示。由于金沙遺址祭祀區土遺址賦存環境的改變,導致土體表面出現了大量病害[3]。

賦存環境和土體性質的不同導致鹽害表現形式、分布特征和發育程度存在較大差異。敦煌莫高窟中發現了起甲、粉化、泛鹽和皰疹等多種鹽害[4-6],層位不同壁畫鹽害類型和破壞程度不同:上層為泛鹽;中層為小面積粉化;下層為大片粉化剝蝕[6-9]。秦始皇陵土遺址表面鹽害表現為粉化、硬皮、結痂以及層狀片狀剝蝕[10-11]。三門峽虢季墓遺址部分區域存在起甲、表面泛鹽、皰疹等鹽害。這些鹽害越靠近底部,發育程度越大[12]。黃四平[13]發現唐皇城含光門土遺址中粉化是普遍存在的,而表面泛鹽和片狀剝蝕通常發育在墻體側立面中下部。銀川西夏陵3號陵、6號陵病害調查發現酥堿發生的區域都是地勢較低和水流比較集中的區域,墻體片狀剝蝕和坍塌則發生在墻體側壁[14]。Moreno調查了葡萄牙托雷蒙科沃教區教堂鹽害,發現鹽害發育與建筑物的高度、材質和結構位置有關。教堂東側、北側和南側大門是鹽害發育最為嚴重的區域[15]。鹽害的發育與水-鹽運移有著直接或間接的關系[16-19]。Zehnder[20]對瑞士的Müstair修道院教堂進行了長達20年的監測,結果發現鹽分類型與鹽害的表現和發育過程密切相關。Falchi[21]對威尼斯25個歷史建筑進行了含水率和含鹽量的調查,得到了水鹽空間分布的普遍規律和主要影響因素。Sawdy等[22]在克萊夫修道院的鹽害調查中發現鹽分在空間和時間上均存在較大的變化。

圖1 金沙遺址土遺址平面圖

盡管學者對不同地區和不同土遺址的鹽害進行了較為全面的調查,但是針對鹽害特征和致病機理的分析大多是將每種鹽害類型分開單獨討論。由于粉化、表面泛鹽、空鼓和片狀剝蝕等不同鹽害種類的分布特征和發育過程可能存在聯系。因此,了解各鹽害分布特征之間的關系和整體演化規律對于進一步探討致病機理具有重要意義,也為病害防治提供理論依據。金沙遺址祭祀區土遺址表面鹽害的產生發展與水-鹽活動的變化密切相關。但是,目前對于金沙土遺址鹽害的發生和發展過程的研究鮮有報道。因此,本研究通過現場調查、取樣檢測和圖像處理技術定性和定量分析了金沙土遺址表面的鹽害類型、分布特征和鹽分分布,并對各鹽害劣化程度進行評估,進一步探討了2010～2020年鹽害的發生和發育過程,得到各鹽害之間的分布關系以及整體演化過程。

1 地質環境

金沙遺址位于成都平原內。平原發育在成都地塹的基礎上,由多個沖積扇所組成。受扇狀平原的控制,地勢西高東低、北高南低,海拔高程484～540 m。金沙遺址祭祀區土遺址上覆第四系全新統人工雜填土、素填土(Q4ml),第四系沖積(Q4al)黏性土、粉土、砂土和卵石土;下臥第四系上更新統冰水沉積的砂類土和砂卵石土(Q3fgl+al)。

2 鹽害分布特征與演化過程

2.1 鹽害分布特征

金沙祭祀區土遺址主要的病害類型有裂縫、表面泛鹽、粉化、空鼓、片狀剝蝕、掏蝕和生物病害,如圖2所示。裂縫在金沙土遺址探方的平面和立面普遍發育。這些裂縫影響了土遺址整體展示效果,因此在2012年對其進行了表面修復。修復過程沒有使用化學品加固,僅改變了裂縫處的表面樣貌,使土遺址表面連續,顏色統一。因此,遺址土體的結構和性質并沒有受到裂縫修補的影響。表面泛鹽、粉化和空鼓等鹽害在遺址平面圖上的分布位置如圖3所示。由圖可知金沙土遺址鹽害主要分布在西北方向走廊兩側和古河道西側的探方側壁上。

圖2 金沙土遺址病害類型

圖3 金沙土遺址鹽害平面分布圖

為了定量分析各類鹽害的發育情況,本研究使用鹽害面積與側壁面積的比值描述鹽害的劣化程度。由此定義η1為表面泛鹽率,η2為粉化率(粉化面積為僅發生粉化病害的面積),η3為剝蝕掏蝕率(病害面積為片狀剝蝕和掏蝕兩種病害的總和),ηs為鹽害的總劣化率。本工作通過圖像處理技術分別得到了8207北壁、8206南壁、8205北壁、機挖坑北壁和走廊北壁各類鹽害的劣化率。走廊北壁是連續的,因此以圖3中的O點作為測量原點,1 m寬度作為一個測量單元。兩個方向各類鹽害劣化率曲線如圖4所示。走廊方向總劣化率在0.55～0.89之間波動。各鹽害劣化率亦波動明顯,但整體趨勢呈現由東向西η1增大,η2減小。曲線波動的原因與土體雜質和裂縫分布有關。圖5為走廊北壁局部圖,圖中顯示側壁上夾雜大量塊狀卵石和修補后的裂縫,且卵石分布位置隨機,裂縫形態復雜。這改變了水-鹽運移的通道,促進了鹽害的發育,使局部劣化率有所上升。由圖4b可知,從北向南η1減小,η2先大幅減小后基本保持穩定,η3大幅增加?？偭踊师莝持續增加,最大值為0.91,位于機挖坑。對比兩個方向鹽害劣化率變化趨勢發現,金沙遺址土遺址鹽害發育程度普遍較大,總劣化率均高于0.55,且越靠近古河道南端越嚴重,最嚴重的區域為機挖坑側壁,且走廊方向的總劣化率主要是由表面泛鹽和粉化兩種病害貢獻的,而古河道方向的總劣化率則由粉化、片狀剝蝕和掏蝕貢獻的。

圖4 鹽害劣化率分布

圖5 走廊北壁局部圖

圖6為T8207北壁、T8206南壁和T8205北壁局部圖片。雖然三個側壁劣化程度不同,但表面泛鹽、粉化、片狀剝蝕和掏蝕病害的分布位置相似。探方側壁最上層土體呈灰白色,表面平整堅硬,沒有明顯的病害表現。側壁中上部分布一層白色表面泛鹽帶。在表面泛鹽帶以下為粉化病害。其中,單獨粉化病害面積大小不一,最小的為T8205北壁,最大的為T8207北壁。在側壁中下部,開始出現空鼓和片狀剝蝕?？展牟『Φ闹虚g區域已與側壁土體脫離形成空腔,結皮結構疏松起層,變形明顯。隨著空鼓病害的繼續發育,結皮層與側壁連接面積不斷減小,最終呈片狀或塊狀片狀剝蝕。在T8207北壁中可以觀察到不規則形狀的片狀剝蝕區域,但是在T8206南壁和T8205北壁上片狀剝蝕區域已經連接成片。掏蝕病害通常發育在側壁的底部,是土體表面反復片狀剝蝕形成的。在T8206南壁和T8205北壁底部還存在散落堆積物形成的擴大坡面。這是土體逐漸掉落后逐漸堆積形成的[23]。對比三個側壁發現雖然各類鹽害分布高度范圍不同,但是相對位置關系并沒有改變。從上到下由表面泛鹽逐漸過渡到單獨粉化,再到空鼓和片狀剝蝕,最底層為掏蝕。

為了進一步定量分析各類鹽害在側立面上的分布特征,以0.1 m為高度測量區間,統計上述三個側壁η1、η2和η3隨高度的變化情況,結果如圖7所示。為了便于分析,對側壁高度進行歸一化處理,其中H為探方側壁高度。隨著高度的增加,η1和η2曲線呈現先增大后減小的規律。曲線的最大值反映病害最嚴重的情況,其所對應的橫坐標值反映了病害主要的分布高度。三個側壁由北向南表面泛鹽率最大值分別為0.77、0.69和0.52,對應的橫坐標為0.7、0.85和1。單獨粉化率最大值分別為1,0.65,0.61,對應的橫坐標為0.50、0.57和0.65。η3分布曲線可以近似看做S形曲線。曲線第一個拐點所對應的橫坐標反映了片狀剝蝕病害主要的分布高度。三個側壁由北向南剝蝕掏蝕率最大值分別為0.73、1、1,拐點所對應的高度分別為0.08、0.28和0.63。綜上所述,由北向南,η1和η2的最大值逐漸減小,η3逐漸增大,病害的主要分布高度均逐漸增大。這說明盡管三個側壁鹽害發育程度不同,但掏蝕與片狀剝蝕病害的主要分布高度低于單純粉化病害,低于表面泛鹽。隨著側壁總劣化率增加,各類鹽害分布的主要高度都逐漸增大。

圖6 T8207北壁、T8206南壁和T8205北壁局部圖

2.2 鹽害發育過程

為了探討金沙土遺址各類鹽害的演化過程,本研究搜集了2010～2020年病害調查資料,整理得到了T8206側壁不同時間鹽害變化情況以及T8206和T8205側壁鹽害劣化率隨時間的變化曲線,如圖8和圖9所示。

綜合分析圖8和圖9發現,2010年T8206南壁表面沒有鹽害發育,但大量豎向裂縫導致總劣化率為0.12。2012年對主要裂縫進行了修復之后,裂縫基本保持穩定。但溫濕度循環變化導致探方側壁局部產生少量片狀剝蝕,使得總劣化率有輕微的上升。2013～2018年間,地下水位逐漸上升,土體側壁開始浸潤,土遺址表面也開始出現表面泛鹽、粉化、空鼓和片狀剝蝕等鹽害。各類鹽害的劣化率均逐漸增加,其中最先增加且劣化率數值最大的是表面泛鹽,其次為粉化,再次為片狀剝蝕。2018～2019年,各類鹽害劣化率均大幅上升,其中η2增幅最大。2019～2020年,ηs繼續增大,但η1和η2開始下降,η3大幅增加。圖8中亦可發現原表面泛鹽發育的部分大多已經剝落,側壁根部堆積了大量剝落土體。此時片狀剝蝕和掏蝕成為側壁上最主要的鹽害類型。

圖8 T8206側壁病害發育情況

圖9 η1、η2和η3隨時間的變化曲線

3 鹽分分析結果

為了對遺址土進行鹽分分析,選擇T8207北壁作為樣本,從探方根部向上,每15 cm采一次土樣,使用賽默飛Dionex Aquion離子色譜儀分析土樣可溶鹽成分和含量,日本理學Miniflex 600 X射線衍射儀分析土樣的物相組成,ZEISS EVO18掃描電鏡分析土樣微觀結構。采樣點編號、采樣高度、病害描述與分析方法見表1。

表1 取樣位置與檢測方法

圖10 離子濃度隨高度變化曲線

為進一步了解粉化和泛鹽病害對土體結構的影響,圖11給出了土樣T11、T9和T6掃描電鏡圖,放大倍數為1 000。T11位于探方側壁頂端,表面無明顯病害,土體呈片狀和塊狀堆積在一起,結構較為緊密。T9為泛鹽病害區域,大量小塊狀結晶物堆積在土顆粒表面和孔隙中。這些結晶物表面泛白,遮擋了土顆粒原來的顏色。T6為粉化病害區域,與T11對比發現,T6土顆粒變小,孔隙變大,質地酥松。

表2 XRD分析結果

圖11 T8207北壁土樣SEM圖

4 討 論

金沙遺址祭祀區土遺址在挖掘之后出現大量的卸荷裂縫和脹縮裂縫。2013年之后,水鹽活動的變化導致以表面泛鹽、粉化、空鼓、剝落和掏蝕為代表的鹽害開始在西北向走廊和古河道附近的探方側壁上出現并迅速發育。這幾種鹽害不是同時出現的,發育過程也不盡相同。本研究將鹽害的演化過程概括為四個階段:

第一階段是表面泛鹽主要發育階段。該階段表面泛鹽和剝落均有產生,但表面泛鹽是發育最早,劣化率最大的病害類型。鹽分在土遺址表面首先析出形成一層晶體層[24-26],結晶層的分布范圍與鹽分種類以及在土體內部的實際混合情況有關[27]。表面泛鹽的發育速度較為緩慢,2012～2018年T8205側壁上表面泛鹽的劣化率僅增加了0.064。這些薄層雖未導致土體的快速散落,但改變了土體表面顏色,引起緩慢的破壞[28-29]。

第二階段是粉化的主要發育階段。該階段各類鹽害均快速發育,其中粉化的劣化率最大,發育速度最快。粉化是可溶鹽與水分共同作用的結果?？扇茺}在水分的遷移下聚集于土顆粒間,發生重結晶[6-8,30]。鹽結晶擠壓土體顆粒,導致土體孔隙增大,土顆粒聯結作用減小,土體結構疏松[31]。粉化改變了土遺址表層土體的結構和物理力學性質,導致土體顆粒不斷散落,其發育速度和破壞性均大于表面泛鹽。

第三階段是片狀剝蝕的主要發育階段。該階段剝落和掏蝕的劣化面積與發育速度大幅上升,超過其他類型鹽害,而表面泛鹽和單獨粉化的劣化率開始出現下降。圖9b中,η2曲線在2019年之后出現下降。這是粉化層片狀剝蝕的結果。片狀剝蝕通常發生在側壁的中下部。在干濕循環和冷熱循環作用下,鹽分在表層土體下聚集形成結晶,使得下層土體逐漸蓬松粉化,將表層土體頂起,形成空腔[32]。隨著空腔面積逐漸增大,表層土體在自重作用下片狀剝蝕[33]。

第四階段為最終破壞階段。根據圖7和圖9可以預測金沙土遺址表面單獨粉化面積和表面泛鹽面積將逐漸減小,總粉化面積和片狀剝蝕面積逐漸增大,片狀剝蝕區域逐漸增高,最終整個側壁表層全部剝蝕,總劣化率達到1。在粉化和剝蝕的反復作用下,側壁土體掏蝕深度逐漸增大,根部堆積物逐漸增多,側壁的整體穩定性下降。

圖12 表面泛鹽與粉化

5 結 論

本工作通過現場調查和圖像處理技術定性和定量分析了金沙遺址祭祀區土遺址表面鹽害主要類型、分布特征和發育過程,得到如下結論:

1) 金沙土遺址主要的病害類型為裂縫、生物病害、表面泛鹽、粉化、空鼓、片狀剝蝕與掏蝕。鹽害在西北方向走廊和古河道區域發育,越靠近古河道南端越嚴重,最嚴重的區域為機挖坑側壁。

2) 探方側壁上,不同高度鹽害的表現形式不同,由上到下依次由表面泛鹽逐漸過渡到單獨粉化,再到空鼓和片狀剝蝕,最底層為掏蝕。劣化程度越大,片狀剝蝕和掏蝕面積越大,表面泛鹽面積越小。

3) 金沙土遺址鹽害演化可以分為四個階段,分別為表面泛鹽、粉化和片狀剝蝕主要發育階段以及最終破壞階段。越到后期,各類鹽害分布區域越高,發展速度越快,對土遺址破壞性越大。

4) 離子濃度沿高度的分布與毛細上升作用有關,也與病害的劣化程度和發育進程有關。硫酸鈣類是導致土遺址泛鹽、粉化和脫落的主要鹽分之一。