西北大学学报(自然科学版)
2021年6月，第51卷第3期,Jun.,2021,Vol.51,No.3
Journal of Northwest University(Natural Science Edition)
-文化遗产保护•
【主持人语】我国石窟寺类型丰富、分布广泛、体系完整，加强石窟寺保护利用工作，对弘扬中华优秀传统文化、增强文化自信具有重大意义。2020年11月《国务院办公厅关于加强石窟寺保护利用工作的指导意见》指出，发挥科技支撑和引领作用，强化石窟寺保护技术集成和系统解决方案供给能力，完善石窟寺保护科学技术体系，是目前我国石窟寺保护利用工作的重要内容之一。本专题主要以石窟典型病害——表层风化为研究主题，针对石窟表层风化区域特征、风化机理、风化程度评价及防风化加固材料的
适应性等方面展开探讨和研究。孙满利等人在《甘肃砂岩石窟浅表层风化区域特征研究》中指出砂岩石窟浅表层风化有着明显的地域分布特征，陇东、陇中地区砂岩石窟以粉状风化为主，河西地区以表面孔洞状风化为主；张景科等人在《庆阳北石窟寺砂岩表层风化特征与地层岩性的关系研究》中提出沉积环境是引起了砂岩石窟寺风化形貌的主要内部因素之一，砂岩表层的颗粒状剥落、泛盐等主要风化病害均与砂岩性质差异有着密切的关系；许东等人在《承德避暑山庄永佑寺后序碑热应力分布特征模拟及易损性评价》中针对承德永佑寺后序碑在太阳辐射条件下的瞬态热应力响应分析表明，温度是引起岩石物理风化的主要因素之一，高温条件下石碑内部产生明显的热应力已超过岩石抗拉强度，极易造成岩体的破坏；王彦武等人在《甘肃庆阳北石窟寺水环境特征研究》中指出雨水冲刷和地下水毛细上升均对石窟寺表面风化产生明显的促进作用，但降雨引起经崖体裂隙的径流运移补给存在明显的滞后性，而低温环境下岩土体渗透能力的降低，是引起冬季高水位的主要原因；黄继忠等人在《云冈石窟砂岩水汽扩散特性研究》中重点研究风化程度和环境相对湿度梯度对扩散特性的影响，水汽透过砂岩扩散的总量随时间线性增加，且风化程度和环境湿度梯度的增大促进了扩散作用，现实环境中长期持续的水汽扩散作用对石窟浅表层砂岩的物理力学性质和风化过程影响显著；张景科等人在《基于原位无/微损测试方法的砂岩摩崖造像表层风化特征与程度研究》中通过表面硬度、钻入阻力(DRMS)结合扫描电镜(SEM)等分析测试手段，提出风化程度量化指标，并总结弹子石摩崖造像表层风化分布特征；刘妍等人在《草酸钙材料在石灰岩文物保护中的应用研究综述》中针对草酸钙材料良好的耐候性及与石质文物的兼容性等特点、保护原理及应用研究现状进行评述，明确其借鉴意义并指出草酸钙保护材料研究未来的发展方向。
【主持人】孙满利，西北大学文化遗产学院教授，博士生导师。
甘肃砂岩石窟浅表层风化区域特征研究
孙满利，刘璇清，曹张？，尚雪健，刘军麟，沈云霞
(西北大学文化遗产学院，陕西西安710127)
摘要：甘肃省是我国石窟分布的重要地区之一，砂岩石窟表面风化一直是保护难题，通过
收稿日期：2021-03-10
基金项目：甘肃省科技重大专项计划资助项目(18ZD2FA001)
第一作者：孙满利，男，陕西富平人，教授，博士生导师，从事土遗址与石窟寺保护研究。
通信作者：沈云霞，女，浙江德清人，博士，从事土遗址与石窟寺保护研究，E-mail：shenyx17@nwu.edu o
-334-西北大学学报(自然科学版)第51卷
现场调查发现，甘肃砂岩石窟浅表层风化有着明显的地域分布特征。甘肃砂岩石窟分布
可分为三个区域：陇东地区、陇中地区、河西地区。浅表层风化受自然和人为环境影响，烟经贸委
熏病害普遍存在；陇东地区主要病害为粉状风化、泛盐和植物病害；陇中地区黄河干流砂
岩石窟以植物病害、粉状风化为主，支流高阶地砂岩石窟病害发育较弱；河西地区以植物
病害、表面孔洞状风化为主。
关键词：砂岩石窟；浅表层；风化；病害；甘肃省
中图分类号：P642.22
DOI：10.16152/jki.xdxbzr.2021-03-001开放科学（资源服务）标识码（OSID）:
The regional characteristics of surface weathering of
sandstone grottoet in Gansu Province
SUN Manli,LID Xuanqing,CAO Zhangzhe,SHANG Xuejian,
LID Junlin,SHEN Yunxia
（School of Cultural Heritage,Northwest University#Xi'an710127,China）
书法作品展览
Abstract:Gansu Province is one of the most important arert foa the distribution of grottoet in China.The sua-facc weathering of sandstone grottoes has led to venous problems in terms of prervation.According to field investivations,the surface weathering of sandstone gvttoes in Gansu Province has obvious reeional distribution charactevstice,which could be divided into three main aeas：Longdong eoas,Longzhong aeas and Hexi-Corvder areas.Both natural and aVificial factOTS contribute to the surface weataevng of sandstone grottoes, and soooine s aoewidespoead.Themain pooblemsin Longdongaoeaincludepowdeo:weaoheoing,salodamage, and plant-induced dia.In the stream of the Yellow Rivee of Central Gansu Province,some cOticel issues are plant-induced dia and powdero weathering.FoOunately,the grottoes near the tributaies of the Yellow Rivee exhiOit relatively little damages.Fintly,the major problems in the Hexi—orOdor area include plant-induced dia and surface ceve-shaped weataevng.
Key words:sandstone grottoes;surface;weatheong；issues;Gansu Province
我国西北地区砂岩石窟寺浅表层风化类型多样、分布广泛。关于砂岩风化的研究，岩土工程界做过较多的工作，已经深入风化的内部机制和作用过程，但岩土工程界对砂岩风化比较关注其工程性能，文
物保护研究者借鉴岩土工程的研究方法，开展了砂岩石窟表面风化影响因素和作用机理探索，李最雄［1］、王新录［2］、张赞勋⑻、和玲⑷、李黎［5］、翁履谦⑷、陈超启［7］、王玉超［8］、邓云⑼等探讨了砂岩石窟风化特征，陈日(10)、黄继忠(11i3)、马在平［14］、石美风［15］、陈星［16］、方云［17］、严绍军［18］、苏天明［19］等采用现场调查、室内测试和试验探索砂岩石窟风化的因素和作用机理，颜菲(20)、王罛(21)、刘仁植［22］、黄继忠［23］等研究了生物作用对砂岩石窟风化的影响。这些研究主要针对砂岩石窟浅表层风化机制，但对砂岩石窟浅表层风化区域性规律的研究较少，刘芳研究甘肃石窟的地质特征(24)，卢云亭分析了我国石窟分布环境特征［25］，闫婷婷论述了甘肃石窟时空分布特征［26］，石玉成研究甘肃石窟区域地震特征［27］$针对甘肃砂岩石窟浅表层风化病害，以省级以上石窟为对象，通过现场调查和区域资料分析，探讨病害的区域特征与规律，为砂岩石窟治理提供科学依据。
1甘肃砂岩石窟分布
甘肃省级以上石窟共35个，其中全国重点文物保护单位19处，莫高窟和西千佛洞、榆林窟和东千佛洞、大像山石窟和水帘洞石窟、云崖寺石窟和陈家洞石窟各合并为一处；省级文物保护单位12处。通过现场调查，甘肃省级以上砂岩石窟共13处(见表1)，其中全国重点文物保护单位6处，集中分布在陇东地区和陇中地区，河西走廊有零星分布
。
第3期孙满利等：甘肃砂岩石窟浅表层风化区域特征研究-335-
表1甘肃省级以上砂岩石窟统计表
Tab.1Statistical table of sandstone grottoet above provincial level in Gansu Province 地区名称保护级别地理位置
张掖市马蹄寺石窟群国保张掖市肃南裕固族自治县城东南约80km的临松山
临夏回族自治州炳灵寺石窟国保临夏回族自治州永靖县西南约40km处的积石山的大寺沟寺儿湾石窟省保白银市靖远县北湾乡天字村东北2km
桂圆和龙眼的区别法泉寺石窟省保白银市靖远县城东7.5km的扬梢沟口白银市
红山寺石窟省保白银市平川区共和镇
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五佛沿寺石窟省保白银市景泰县东面的五佛乡平凉市石拱寺石窟国保平凉市华亭市上关乡半川村北侧山梁
北石窟寺国保庆阳市西峰区西南25km处，蒲河和茹河交汇之东岸的覆锺山下
南石窟寺国保庆阳市泾川县城东泾河北岸的温泉开发区蒋家村
石空寺石窟国保庆阳市镇原县城关镇金龙自然村茹河南岸庆阳市玉山寺石窟省保庆阳市镇原县彭阳乡刘大夫村南200m
保全寺石窟省保庆阳市合水县太白镇平定川马家老庄
张家沟门石窟省保庆阳市合水县太白镇平定川西岸
莲花寺石窟省保庆阳市合水县平定川口葫芦河北岸
2砂岩石窟地层特征
甘肃省砂岩石窟主要开凿在中生代白垩纪、新生代古近纪、新近纪地层。
2.1白垩系地层中砂岩石窟
由于燕山运动的影响，甘肃早白垩世早期发生沉降活动，秦岭一中祁连山以北的广大地区，形成湖泊广布、河流发育、相互连通的低地，较为普遍的接受了沉积，形成了以红色碎屑岩为主的沉积。早白垩世末期以后，除零星小型山间湖盆沉积外，省内普遍缺失晚白垩世的沉积。甘肃省内白垩下统可划分为北山区、潮水区、走廊区、祁连区、兰州区、陇东区、西秦岭区7个区域[28]O甘肃白垩系地层中的砂岩石窟主要位于兰州区、陇东区（见图1）。地层为河口群、罗汉洞组、环河组、李洼峡组（见表2）$
兰州区白垩系地层中的砂岩石窟主要开凿在下统河口群（Chk），与下伏侏罗纪享堂群不整合接触，与上覆地层上统民和组或古近纪西宁群不整合接触。代表性石窟有炳灵寺石窟、寺儿湾石窟和红山寺石窟。下统河口群（KH）包括两个非正式组级岩石地层单位，分为下组、上组地层，上、下组为整合接触，主要出露范围以兰州河口为中心，向西延入青海。河口群相变较大，盆地边缘岩性普遍较粗，
以山麓、山麓-河流相粗碎屑岩为主，是一套紫红、棕红、棕褐、灰绿、蓝灰、桔红色组成的杂色碎屑岩沉积。在河口地区，以紫红、紫灰、棕红、绿灰、蓝灰等杂色泥岩与细一中粒砂岩互层的湖相沉积为主，下组以色杂及具蓝灰色的砂、泥岩互层为特征，底部以砾岩或粗砂岩不整合在侏罗纪享堂组及其以前的老地层或岩体之上，炳灵寺石窟主要开凿在底部。在靖远盆地，下组为蓝灰、深灰、黄绿、暗紫红色页岩夹粉细砂岩，上组为桔红、紫红色泥质岩、砂岩夹灰白色长石质粉一细砂岩，寺儿湾石窟和红山寺石窟主要凿开在上组$
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100°E
95°E 红
山寺石窟
寺儿湾石窟 炳灵寺石窟I
：、、、＜?、1局
白垩系地层分区：
1一北山区
II —潮水区
鸡肾的功效与作用
皿一走廊区
IV — 祁连区V — 兰州区VI — 陇东区 vn —西秦岭区
莲花
寺石
窟厂
张家沟门石窟- 保全寺
石窟一
南石窟寺厂 北石窟寺厂 玉山寺石窟 石空寺石窟 石拱寺石窟•丄
o
敦煌
IV
甘肃省界 地层分区界
石窟位置 重要城市
白垩系岩层位置
在线模拟装机
黄河及其周边水系
图例：
—40°N
—
35°N
甘肃砂岩石窟（省级文物保护单位及以上） 分布位置及白垩系地层出露位置示意图
注：本图根据文献［28］改绘
石窟
地层 地层分区
图1甘肃砂岩石窟分布位置及白垩系地层岀露位置示意图
Fig. 1 Distribution location of sandstone grottoes and outcrop location of Cretaceous strata in Gansu Province
表2甘肃白垩系石窟分布表
Tab. 2 Distribution of Cretaceous grottoes in Gansu Provincc
炳灵寺石窟寺儿湾石窟红山寺石窟安定寺石窟下白垩统河口群 c1 hk
兰州区
保全寺石窟
张家沟门石窟莲花寺石窟下白垩统志丹群环河组Ch 陇东区的庆阳小区
罗汉洞石窟
南石窟寺北石窟寺
石空寺石窟下白垩统志丹群罗汉洞组CW 陇东区的庆阳小区
石拱寺石窟
下白垩统六盘山群李洼峡组cw 陇东区的平凉小区
陇东区白垩纪地层分平凉小区和庆阳小区， 平凉小区主要在六盘山区域，庆阳小区主要在庆
阳市区域，出露地层见图2$陇东区平凉小区白
垩系地层中代表性砂岩石窟为石拱寺石窟，开凿
在李洼峡组（Clw ），与上覆马东山组（Cmd ）和 下伏和尚铺组（Chs ）皆呈整合接触。李洼峡组 （Clw ）为湖相，灰白、灰绿、紫红、蓝灰砂岩、泥
青蛙捕虫
岩、泥灰岩、灰岩组成之韵律层，泥质岩、灰岩夹钙
质胶结的薄层状石英质砂岩，常具鲕状构造。陇
东区庆阳小区白垩纪地层上统缺失，下统为志丹
群，志丹群自上而下分为泾川组、罗汉洞组、环河
组、洛河组、宜君组，本区仅出露上部四组，各组间 均连续沉积［29］$砂岩石窟开凿在罗汉洞组和环 河组。罗汉洞组（CW ）：湖泊相碎屑岩，以镇原、
第3期孙满利等：甘肃砂岩石窟浅表层风化区域特征研究-337-
泾川为中心，向西变薄，向西南厚度变大，粒度变粗，以砾岩为主夹砂岩；顶部为蓝灰色泥岩或泥灰岩夹层，底部为土黄色砂岩或紫红色砾岩。在环县合道川一带以棕色砂岩、粉砂岩、泥质岩为主；虎洞沟附近以棕红色砂岩为主，夹泥岩；南部镇原一带为黄棕、棕红色粗一细粒砂岩与泥质岩互层，砂岩多含砾，在崇信县厢房沟为暗紫红、黄绿色砾岩夹砂岩，主要出露在环县、庆阳县、西峰镇以西，代表性石窟有北石窟寺和南石窟寺。环河组（Ch）：主要岩性为棕红、紫红色以及少量灰、灰绿色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、砂岩韵律互层，由下往上砂岩减少，粒度变细，泥质岩多具微细水平层理及龟裂，粉砂岩具微细斜层理及波痕砂岩微斜层理发育，底部为棕红色具水平波状、微斜层理的砂岩，
在甘陕交界的较大河谷中零星出露[29]，代
图2陇东地区白垩系出露分布图
Fig.2Cretaceous outcrop distvbuaon in Longdong area 2.2古近纪地层中的砂岩石窟
甘肃的古近纪为陆相湖盆及山间凹地型沉积，可将地层划分为北山区、祁连一走廊区、陇东区及西秦岭区4个区（见图3），砂岩石窟主要位于祁连一走廊区、陇东区，代表性石窟有马蹄寺石窟和法泉寺石窟。
马蹄寺石窟地属祁连一走廊区，地层为古近纪渐新统白杨河组！E3b）。该组以红色泥岩和砂岩为主，分布广泛，不整合于火烧沟组（或更老地层）之上，其上被疏勒河组平行不整合所覆。在张掖盆地的班大口红崖子，以砖红、棕红色粉砂质泥岩为主，中夹青灰色泥岩、桔红色细砂岩及黄褐色砂砾岩，具斜层理，底部含石膏矿$
法泉寺石窟地处陇东区，地层为古近纪渐新统野狐城组！E3y）。该组仅在盆地北部的靖远一带出露，为一套暗红、紫红色黏土砂质黏土，具底砾岩，夹钙质结核层，与下伏西柳沟组整合接触，与上覆甘肃群平行不整合接触，以石膏层的始现和消失与其上、下相邻组（群）分界。
2.3新近纪地层中的砂岩石窟
甘肃新近纪地层分布于祁连山北麓、河西走廊及甘肃东部，北山亦有零星分布，为陆相湖盆及山间坳地型沉积，是一套棕黄、棕红色河流-湖泊相泥岩及砂岩，并有很多砾岩夹层，盆地边缘粗颗粒增多，以山麓相砾岩及砂岩为主。可划分为3个地层大区、4个地层区和5个地层分区[30]$砂岩石窟主要分布在兰州一陇西地层分区，地层为新近纪甘肃群（N G），代表性石窟为五佛沿寺。甘肃群（N G）广泛分布于兰州、陇中临夏和毛毛山南平城堡等盆地，由一套以黄、红、灰等色为主的泥岩、砂质泥岩、砂砾岩夹泥灰岩组成$底部为灰白色砾状粗砂岩，与下伏古近纪野狐城组（E3y）含石膏层整合接触（局部为平行不整合），以石膏层的消失为界，与上覆第四纪五泉山组（Q p1 ）不整合接触。
3砂岩石窟气候环境特征
脚总出汗
甘肃省地域广阔，地形呈狭长状，气候类型多样，自南向北有亚热带、暖温带、中温带、青藏高原垂直温度带；由东南向西北有湿润区、半湿润区、半干旱区、干旱区。
据1951-2010年资料分析，河西走廊一带平均温度7e~8e，靖远景泰~9e，兰州10e 左右，陇东8e~10e[31]$根据1981-2010年气温统计，全省气温年较差变化范围为20.2e-34.1e，河西走廊为26.2e~34.1e，陇中为22.5°C~29.3°C，陇东为25.3°C~28.6°C；气温日较差河西地区为12C-17C，陇中为9C-13C，陇东为12C-13C；年极端最高气温河西走廊为35.3°C~42.1C，陇中为28.4°C~40.7°C，陇东为
34.6C~40.0°C；年极端最低气温河西走廊为-
35.1°C~-24.5C，陇中为-32.2°C~-17.4°C，陇东为-26.5°C~-21.4C；日最低气温"0C的平均日数河西走廊为142.3-191.2d，陇中为102.5 -169d，陇东为125.4~150.2d[32]
$
