絲綢之路-崤函古道石壕段石材本體保護研究

閆海濤 楊朔 陳家昌 周雙林

（1.河南省文物考古研究院 2.北京大學考古文博學院 ）

一、遺址概況

崤函古道，也稱崤山古道①，位于“絲綢之路”東端中國河南境內，河南西部的豫西山區，崤與函皆為古地名。崤函古道是“襟帶兩京（西安、洛陽）”的鎖鑰，也是自古以來中原通往關中、到達西域的咽喉要道。崤函古道是從崤山峽谷中辟出的一條險道②，由于自然原因，該路段形成諸多隘口，歷代多在隘口設關，如函谷、崤陵、硤石等，用以節制往來交通。

古道依巍巍崤山、臨九曲黃河，昭示著數千年來的滄桑巨變，默默地為中華民族乃至世界文明的傳播做出重大貢獻。崤函古道所在地域屬于靈寶-三門峽黃土臺地地區③，這個地區位于三門峽-洛陽黃土臺地丘嶺區西部，包括小秦嶺、崤山以北，黃河以南，西起省界，東到張茅之間的地區。地貌類型以黃土塬和黃土階地為主，部分地區有黃土梁分布，均呈臺地形態。其頂面寬闊平緩，土層深厚。黃土臺地邊坡陡峻，流水侵蝕十分強烈，溝壑眾多。無論陸路還是水路，在歷代疏鑿和改造過程中，無不體現古人與自然界斗爭的智慧和科學總結。古道多沿自然形成的河谷或土函中行進，以減少在當時生產力低下的環境中人力的勞動強度，而在避不開的石質路段用雜草燒石，以冷水激淬使石質疏松便于開鑿，達事半功倍之利，這其中涉及營造、建筑、力學等多個學科，許多內含的科學道理至今仍為實用，具有深入研究和開發利用的重要價值④。

目前古道共有兩處，其中石壕段古道保存狀況較好，其因車輪長期輾軋，在路面上形成兩條較深的車轍印跡而得名。古道遺存借助于山坡中部自然形成的巖石修筑，大致方向是由西北走向東南，呈“~”形，全長230 米，寬窄不等，最寬處達8.8 米，最窄處5.2 米（圖一）。道上留下的車轍印跡有一車道（二條車轍印跡）、二車道（四條車轍印跡）和三車道（六條車轍印跡）。一車道是主車道，二、三車道為會車輔道。車轍印跡有寬有窄（最寬處0.40 米），深淺不一，最淺處僅有數厘米，最深可達0.41 米。兩車轍印跡外寬相距一般在1.32 米，最寬可達1.56 米。兩車轍印跡轍心相距1.15 米。2014 年6 月22 日，絲綢之路入選《世界遺產名錄》，而崤函古道是整個絲綢之路33個申遺項目中唯一一條道路遺址。2019 年10 月，崤函古道石壕段被核定為第八批全國重點文物保護單位⑤。

圖一 古道石壕段現狀照片

除了正確認識、全面闡釋崤函古道文物價值外，借助當代科技分析檢測手段，深入研究古道本體石材理化性能，洞察其出現病害的原因，從而采取更加有效的本體保護措施，實現長期穩定的保護目標，具有重要現實意義。

二、遺址病害情況

歷經千年風雨，古道已失去昔日繁華景象，變得支離破碎，遍體鱗傷。通過現場調查總結崤函古道本體的病害類型主要有巖石塊狀剝落、巖石開裂、植物生長等。病害的特點是病害種類少，病害嚴重程度高，破壞面積大。

（一）巖石塊狀剝落

崤函古道石壕段最嚴重的病害是古道本體的巖石出現塊狀剝落問題?，F存古道遺址以坡頂為界限可分為兩個區域，坡頂以南為原始裸露區，坡頂以北為近代考古發掘區。根據現場調查統計數據表明：坡頂以南區域石材塊狀剝落病害極其嚴重，剝落面積占遺址本體表層面積的90%以上；經詳細辨識，可將該區域的古道遺跡劃分為不連續的51 段，其余部分都已經破壞殆盡。坡頂以北區域的古道遺跡，裸露時間較短，整體狀況保存良好。古道附近人工開鑿出來的石壁也有同樣的破壞特征。巖石的塊狀剝落病害，一方面受環境影響所致，另一方面與巖體本身具有細密的解理密不可分（圖二）。

圖二 古道石壕段附近巖壁的塊狀破壞

（二）巖石開裂

巖石的塊狀破碎是古道遺跡破壞的主要表現形式，次要病害是古道所在巖體的巖石開裂，而開裂是塊狀破碎的前期表現（圖三）。開裂的原因可能是巖石形成過程中的天然解理在自然因素作用下逐漸擴大所導致。

（三）生物生長

崤函古道常年暴露于野外，疏于日常管理維護，為灌木、草類、地衣等植被的生長創造了有利條件。調查發現古道上滋生的生物隨處可見，部分植被根系較大，延伸于巖石內部，加速了石材開裂速度；古道局部存在苔蘚地衣低等植被，改變了古道表面顏色（圖四、五）。

圖五 崤函古道石壕段上的瓦松和地衣

（四）車轍印跡自然風化

崤函古道石材本體的自然風化病害呈零星點狀分布，主要集中在夾雜有黃色疏松顆粒的巖石表面。從分布區域看，該類病害多出現在地勢較低的溝底部位。暴露于自然環境中的古道遺跡，巖石本身就有許多的裂隙，在自然因素作用下很容易破壞，進而導致車轍印跡的自然風化。

首先是雨水和積雪的作用。頻繁的雨水降落在地面上，沿著裂隙進入巖石內部，產生溶蝕作用，同時受水汽蒸發產生壓力，進而導致巖石裂隙擴大；另一方面極端天氣下暴雨水流沖擊作用，會導致破碎巖石的移位，最終使得車轍印跡模糊殘缺。冬季積雪融水滲入巖石裂隙，在低溫情況下凍融產生巨大脹力，導致裂隙擴大，甚至巖石碎塊剝離巖體。這是目前古道痕跡破壞的主要原因之一。

其次是植物的作用，包括根系對巖石本體的破壞和植物桿莖對文物環境景觀的破壞。巖石本身有裂隙，伴隨植物根系在巖石裂隙內部的不斷生長，導致裂隙進一步擴大，進而使得巖石出現破裂、碎塊脫落等病害；車轍印跡被苔蘚、地衣等低等植物覆蓋，改變了文物本體外觀面貌，影響瞻觀。

溫度驟然升降循環作用也是導致巖石破碎的原因之一，伴隨環境溫度升降循環變化，巖石表面產生脹縮應力，將破碎的巖塊擠出，在重力等作用下脫離巖體，最終導致古道表面印跡信息消失。在這些因素共同作用下古道開鑿遺跡多呈斷裂而不延續的片段呈現（圖六）。

圖六 因巖石破碎殘留的古道車轍印跡

（1）石材樣品體式顯微照片

三、石材基本性能分析

（一）樣品選擇

經現場勘察對比，從崤函古道遺址附近山體上選取與古道車轍本體表面石材相同的石塊作為分析檢測對象，共選取8 個具有代表性的樣品，樣品情況見表一。

表一 樣品照片及描述

表二 掃描電鏡能譜分析檢測結果

（二）分析檢測內容及方法

1.微觀形貌觀察

（1）體式顯微鏡 M205：德國Leica。

（2）環境掃描電子顯微鏡Quanta 650：美國FEI。實驗條件為高真空，加速電壓20KV，工作距離10mm。

2.礦物組成成分檢測

（1）X 射線衍射儀（XRD）：德國Bruker公司D8 型X 衍射分析儀；

測量條件：Cu 靶，工作管壓40kv、管流40mA，掃面起始角10°，終止角60°，步長0.02mm。

（2）共焦顯微拉曼光譜儀：英國雷尼紹公司INCIA-REFLEX 型拉曼光譜儀；

測試條件：1200I/mm 和1800I/mm 光柵，50倍共焦顯微物鏡，CCD 探測器。實驗中使用了532nm、633nm 及785nm 激光作為激光發源，依據不同物質具體進行選擇激光器、激光功率及掃描3 次。

3.巖石種類鑒定：偏光顯微鏡LEICADM4500

（三）分析檢測結果

1.石材微觀形貌

采用體式顯微鏡（圖七）和環境掃描電子顯微鏡（圖八）進行顯微觀察，目的在于獲取樣品微觀孔隙、結構疏松程度、樣品顆粒大小等基本信息，為判斷遺址出現各類病害原因提供基礎數據支撐。

圖七 石材樣品體式顯微照片

圖八 石材樣品掃描電鏡照片

（2）石材樣品掃描電鏡照片

通過掃描電鏡可以觀察樣品的微觀形貌（圖八），幫助了解樣品內部信息，進而更好地研究石材的特性。

樣品1 低倍掃描電鏡可以看出，其礦物結構致密，同時還有很多凹凸不平的顆粒堆積；樣品2 在低倍率顯微鏡下表面較為平整光滑，有些許孔隙；樣品3 在低倍率掃描顯微鏡下表面有不規則的塊狀堆積，同時在塊狀大顆粒上還混雜著一些細小顆粒；樣品4 在低倍率顯微鏡下呈現凹凸不平狀，在高倍率下可以看出大顆粒內包裹著一些細小顆粒；樣品5 在低倍率下也是呈現凹凸坎坷狀，整體呈現大塊顆粒狀，在高倍率下有小顆粒懸浮在大顆粒上；樣品6 整體形貌呈顆粒狀堆積，大顆粒上懸浮著許多小顆粒；樣品7 在掃描顯微鏡下小顆粒懸浮在大顆粒上；樣品8 在低倍率掃描顯微鏡下呈塊狀分布，高倍率下可以看到塊狀顆粒上懸浮著細小顆粒。同時采用光電子能譜對崤函古道石材樣品進行元素種類及百分比含量檢測，結果如表一所示。從元素種類及含量，初步判斷崤函古道本體石材組成以碳酸鹽為主，夾雜硅酸鹽和偏鋁酸鹽成分。

2.石材礦物組成成分

石材礦物組成成分是決定石材本體結構穩定與否的內在因素，本研究采用X 射線衍射和激光拉曼光譜兩種檢測方法對樣品進行分析，得出結果如下。

通過XRD 對樣品進行礦物組成成分分析檢測（圖九），可以看出1 號樣品表層紅色部分為CaCO3和Fe，灰色部分為CaCO3和MgCO3；2 號樣品表層紅色部分為SnO 和Al2O3，內部紅色部分為CaCO3和MgCO3；3 號樣品成分為KAlSi3O8；4 號樣品成分為Fe2O3；5 號樣品成分為KAlSi3O8；6 號樣品成分為CaCO3；7 號樣品成分為CaCO3和MgCO3；8 號樣品表層紅色部分為CaCO3和MgCO3，其中含有少量的Fe，灰色部分為CaCO3、MgCO3和AlPO4，亮白色為碳酸鈣。

圖九 石材樣品X-射線圖譜

（1）石材樣品X-射線圖譜

（2）石材樣品激光拉曼圖譜

通過拉曼光譜分析（圖一〇），結合X 射線衍射的結果，可以發現樣品1-8 的主要成分大致可分為方解石、白云石和正長石，其中1 號樣品、4 號樣品和6 號樣品為方解石，2 號樣品、7 號樣品和8 號樣品為白云石，3 號樣品為方解石和正長石混合物，5 號樣品為正長石（表三）。

圖一〇 石材樣品激光拉曼圖譜

3.樣品巖礦鑒定

（1）選取具有代表性的樣品6 和樣品7，其中樣品6 外觀呈土黃色，孔隙相對較大，結構略顯松散；樣品7 外觀呈灰色，結構致密。

（2）偏光顯微鏡下觀察

樣品6 基質成分主要是方解石，有少量粘土礦物、長英碎屑、云母碎屑。方解石粒徑一般小于0.05 mm，泥晶結構為主?；|中洞穴較發育，被方解石充填（圖一一），其中方解石結晶顆粒稍大，粒徑達0.1 mm。粘土礦物分布不均勻。長英碎屑呈棱角狀，粒徑0.01～0.1 mm。

圖一一 樣品6 偏光顯微照片

樣品7 白云石呈半自形- 他形粒狀（圖一二），粒徑0.05～0.3 mm，細晶結構為主，閃突起顯著，高級白干涉色；方解石呈網脈狀分布；褐鐵礦一部分完全交代黃鐵礦呈其假象，粒徑0.01～0.5 mm，稀疏浸染狀分布；另一部分呈細網脈狀分布。

圖一二 樣品7 偏光顯微照片

四、病害原因分析

通過現狀調查與樣品分析檢測結果可知，古道遺址出現病害的原因可歸結為內因和外因兩個方面。具有解理容易破碎的巖石，使開鑿古道變得容易可行，但古人行車走路對易碎巖石造成的損傷，是巖體出現各類病害的首要因素；古道廢棄后露天保存的千百年來，其在自然因素作用下更是加速了病害發展速度。

古道雖然能夠保留至今，但是破損嚴重，說明巖石自身是有缺陷的。從巖石成分上看，崤函古道的巖石為碳酸鹽，這種巖石從材質上看性質穩定，空隙率小，較耐風化，僅有緩慢的水溶現象，酸雨對其有腐蝕。雖然碳酸鹽從微觀上看穩定致密，但是從崤函古道巖石的宏觀結構看，保存狀況極差，古道所在的山體巖石分為多層，巖石破碎嚴重，內部有細密的層狀解理，解理多平行于地面，也有褶皺現象，說明巖石在形成之初就產生了許多的缺陷。細密的解理為巖石的破損創造了內部條件，而古道多數是在解理較多的巖層上開鑿，如北坡，坡頂和南坡的古道遺跡，其主要的礦物成分為鈣質膠結灰巖質礫巖，質地疏松，車轍痕跡基本無存。宏觀上看，巖石的組成又很不均勻，有些部分以細晶白云巖質地為主要礦物組成，解理少巖石堅硬耐磨，有些部分以鈣質膠結灰巖質礫巖質地為主要礦物組成，解理多很容易破碎?？偟膩碚f，石材的基本性能很大程度上影響了遺跡的保存狀況。

五、結 論

（一）崤函古道石材礦物成分主要是以方解石和白云石為主組成的碳酸鹽類；具體可分為鈣質膠結灰巖質礫巖和細晶白云巖兩大類，其結構以砂狀與細晶狀為主，多為層狀構造。

（二）細晶白云巖質地硬脆，不易出現風化病害，但受機械外力作用后瞬間即可出現開裂、崩解等病害；鈣質膠結灰巖質礫巖質地疏松，極易受環境影響，在短時間內出現風化、粉碎、植物滋生等常見病害。

（三） 針對細晶白云巖質地硬脆的古道本體，應采取覆土回填或加蓋保護棚的保護措施，避免太陽的高溫照射或暴雨沖刷或飽水后低溫凍融，從而在石材內部產生機械應力，進而造成古道本體開裂、崩解等病害；針對鈣質膠結灰巖，應采取疏通排水和及時殺滅植被的保護措施，避免雨水沖刷、植被根系膨脹導致灰巖本體內部結構進一步疏松酥粉，進而導致古道本體支離破碎。

（四）現存巖體之上的車轍印跡和鑿刻遺跡是古道遺產重要的遺跡現象，具有極高的文物價值。針對坡頂處破碎的遺跡本體，建議采取粘貼修補、裂隙灌漿等保護措施進行保護修復。針對坡底處遺跡本體保存狀況較好的部分，建議加蓋保護措施，進行密切監測、做好日常維護工作，對公眾開放展示充分發揮其社會價值。

（五）針對整個古道本體的保護，應采取適當的環境控制措施，如修筑保護棚或覆土回填保護等。同時需要做好病害定期監測，包括灰塵積聚、生物生長、風化酥粉破壞速度、降雨降雪后遺址表層的變化情況等。由于遺址非常脆弱，還應做好預防性保護措施，避免極端天氣對遺址本體造成災害性破壞。