【摘要】： 著名的世界文化遺產(chǎn),全國重點文物保護單位——敦煌莫高窟開鑿在鳴沙山東麓的崖壁上,上下分為五層,南北長約1700m。最早開鑿洞窟時間為前秦建元二年(公元366年),后經(jīng)十六國、北魏、西魏、北周、隋、唐、五代、宋、西夏、元等朝代的相繼開鑿,形成了一座內(nèi)容豐富、規(guī)模宏偉的石窟群。至今仍保存有洞窟735個,壁畫45000余m~2,彩塑2415身,唐宋木結(jié)構(gòu)窟檐5座,蓮花柱石和鋪地花磚數(shù)千塊,是中國也是世界上現(xiàn)存內(nèi)容最為豐富、規(guī)模最為宏大、保存最為完好的佛教藝術(shù)寶庫,具有珍貴的歷史、藝術(shù)和科學價值。 受自然和人為因素的影響,加之制作材料較為脆弱等特點,敦煌莫高窟壁畫產(chǎn)生了大量病害,其中如酥堿、空鼓、起甲、壁畫脫落等多種病害均與可溶鹽的富集和運移有關(guān),而導致可溶鹽運移的水汽來源一直是莫高窟保護中的研究熱點和未解難題。本文從壁畫結(jié)構(gòu)和病害調(diào)查入手,開展了莫高窟區(qū)域地質(zhì)與洞窟地層工程地質(zhì)特征方面的調(diào)查與研究,研究了莫高窟地層含水、含鹽及滲透特性,分析了莫高窟水環(huán)境特征和導致窟內(nèi)壁畫產(chǎn)生病害的水鹽來源關(guān)系。主要內(nèi)容包括可分為以下五個部分: (1)調(diào)查和分析了莫高窟壁畫結(jié)構(gòu)及制作材料,壁畫鹽害的種類、分布以及微觀特征。莫高窟壁畫由支撐體、地仗層、粉層和顏料層組成,這些層之間的接觸面力學性質(zhì)相對薄弱,適應(yīng)環(huán)境能力差,是鹽分容易富集而導致壁畫產(chǎn)生病害的部位。壁畫病害分為起甲、酥堿、空鼓、壁畫大面積脫落、霉變、煙熏和變色等多種類型,除煙熏病害外,其他病害均與水汽和鹽分的運移有關(guān)。導致莫高窟壁畫產(chǎn)生病害的鹽類主要為Na_2SO_4、NaCl等,從空間分布來看,莫高窟壁畫鹽害在下層洞窟最嚴重,上層其次,中層較輕微。 (2)通過查閱資料、現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗,研究總結(jié)了莫高窟周邊區(qū)域地質(zhì)和洞窟開鑿地層工程地質(zhì)特征。莫高窟周邊基巖絕大部分被第四系沉積物所覆蓋,崖體及其下伏地層可劃分為下更新統(tǒng)玉門組(Q_1)、中更新統(tǒng)酒泉組(Q_2)、上更新統(tǒng)戈壁組(Q_3)。按地層巖性和工程特性可將莫高窟崖體地層分為四個工程地質(zhì)巖組,由上往下依次為A、B、C和D,洞窟主要分布在C組和D組中。受構(gòu)造運動、長期風化卸荷及洞窟開挖的影響,在莫高窟崖體中分布有相互交錯的構(gòu)造裂隙、層面裂隙、縱張裂隙和卸荷裂隙,這些裂隙的相互作用與發(fā)展將直接影響洞窟圍巖的穩(wěn)定,同時這些裂隙也構(gòu)成水或水汽運移的通道。 (3)坑探和鉆探成果、現(xiàn)場測定含水量、室內(nèi)易溶鹽測定、X射線CT以及高密度電阻率測定等大量野外和室內(nèi)試驗,較為全面地研究了莫高窟崖體表層、中部和深部地層的含水、含鹽特征,以及影響水汽和鹽分運移的地層滲透特性。 通過研究得知,莫高窟崖體表部含水量大部分都在1%以上,最小為0.35%,最大為24.0%,含水量隨崖體地層不同呈現(xiàn)不均勻性。鉆探和溫濕度監(jiān)測結(jié)果顯示莫高窟崖頂表面到深150m處地層中沒有自由水,但有足以導致鹽分潮解并在崖體內(nèi)運移的水汽。易溶鹽測定表明,莫高窟地層中的易溶鹽主要為NaCl、Na_2SO_4,富集在地表至0.6m的范圍內(nèi)。敦煌莫高窟圍巖不同地層具有不同的滲透性,通過現(xiàn)場滲透試驗測得:Q_2-A層滲透系數(shù)6.50×10~(-3)cm/s;Q_2-C層的滲透系數(shù)為5.61×10~(-5)～4.50×10~(-4)cm/s;Q_3層的滲透系數(shù)1.11×10~(-3)cm/s;Q_4層的滲透系數(shù)1.08×10~(-2)cm/s。地層的水平滲透性能大于垂直滲透性能,由于沖洪積成因,即便處于同一地層巖組,滲透系數(shù)也有較大差別。利用高密度電阻率法可以反映莫高窟圍巖的滲透特性和滲透速度,利用X射線CT計算出的孔隙比與實驗中求得的孔隙比數(shù)值接近,在無法直接測定滲透系數(shù)的情況下,可利用X射線CT計算孔隙比推算出巖體局部的滲透系數(shù),兩種方法均適用于研究圍巖的滲透性。 (4)通過現(xiàn)場調(diào)查、長期監(jiān)測以及室內(nèi)測定,系統(tǒng)研究了莫高窟的水環(huán)境。研究表明,莫高窟多年平均降水量為36.45mm,且年內(nèi)分配極不均勻。窟區(qū)唯一的地表水為大泉河,流量為0.0524m~3/s,年徑流量為165.64×10~4m~3/a,水質(zhì)礦化度達2g/L,屬微咸水。依據(jù)莫高窟北區(qū)洪痕標高,恢復歷史洪水過水斷面,自莫高窟建窟以來,大泉河最大洪峰流量約為2600m~3/s～2800m~3/s。大泉河沖洪積扇的中下部地帶普遍分布有地下潛水,水位埋深變化較大,地下水的補給來源主要是黨河流域地下水的徑流補給,即由SW向NE方向滲流。 (5)利用高密度電阻率、溫濕度監(jiān)測和易溶鹽測定等手段深入調(diào)查和研究了導致莫高窟產(chǎn)生病害的水鹽來源。研究表明,莫高窟底層洞窟,尤其是底層洞窟西壁鹽害較為嚴重的原因主要是巖體內(nèi)有較高的水汽含量,巖體內(nèi)部與洞窟之間形成一個動態(tài)平衡系統(tǒng)。它們之間的濕度差導致巖體深處的水汽不斷帶動鹽分向洞窟表面運移,并在相對濕度達到鹽分潮解臨界值的較淺部位聚集。由于鹽分的存在使得西壁對洞窟環(huán)境的變化非常敏感,當洞窟內(nèi)較為干燥時,鹽分停留巖體較淺部位,當外界因素導致巖體淺部水汽含量超過鹽分潮解臨界值時,鹽分便向外運移,導致壁畫產(chǎn)生病害�？梢妿r體內(nèi)部水汽向外運移是導致鹽分在洞窟壁面表聚的主要因素,而外界環(huán)境變化導致窟內(nèi)濕度的升高與降低的循環(huán)是洞窟壁畫產(chǎn)生鹽害的誘發(fā)因素。
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：K854

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本文編號：2746885