石灰岩石刻文物表面硬度与生物风化研究——以南京明代石刻为例

石灰岩石刻文物表面硬度与生物风化研究——以南京明代石刻为例 石灰岩石刻文物表面硬度与生物风化研究 ——以南京明代石刻为例 第29卷4期 2006年8月 安徽师范大学(自然科学版) JournalofAnhuiNormalUniversity(NaturalScience) V0I.29No.4 Aug.2006 石灰岩石刻文物表面硬度与生物风化研究 —— 以南京明代石刻为例 王兴山,张捷,秦中 (南京大学城市与资源学系,江苏南京210093) 摘要:从岩石表面硬度着手,了南京明代碳酸盐岩石刻文物溶蚀过程中表面微生物的作用. 研究表明,同一岩性的岩石硬度在石刻文物风化程度上具有一定的指示作用,表面硬度与微生物作 用之间存在相关关系,这种相关关系不是简单的线性相关,而是因材质,微生物类型,微生物作用方 式的差异而有不同的表现形式,并初步分析了石刻表面微生物在石刻文物保护上的作用. 关键词:石刻文物;k-面硬度;微生物覆盖程度;南京 中图分类号:P641.12文献标识码:A文章编号:2001—2443(2006)04—0381—04 岩石风化过程一直是地貌学研究的重要内容,近年在野外及实验研究有了较多进展….硬质文物(包括 天然岩石和人工建筑材料如砖,水泥等组成的文化遗址,建筑,石刻艺术品等)的风化过程成为地貌学家研究 的重要内容.文物建筑的原材料通常有石灰岩及大理岩,砂岩,花岗岩及砖.从材料上分析,国际上已有了对 多种材料的文物进行的研究,包括大理岩,灰岩等碳酸盐岩类【2-5]文物的研究. 目前,石刻文物风化已在国际上引起了重视,研究涉及了许多国家的实例,我国学者也进行了有效的探 索[6,但仍显得薄弱,尤其在微观机制及微观研究的许多方面. 南京地区的硬质文物风化的研究方面,20世纪90年代中期曾有国内专家对梁代的石刻进行过研究L8J, 而石灰岩的表面硬度与风化的关系,在20世纪70年代国外学者进行了有效的研究L1,国内学者在20世纪 80年代对此也进行了研究[?].研究主要在于各种不同岩性,不同岩石组构的表面硬度对比,从而找出不同 石灰岩风化速率的差异[15].但专门针对不同程度表面生物作用方面的硬度研究,目前尚缺乏.本文研究旨在 分析南京明代石刻文物表面硬度值与生物覆盖之间的关系,并以石灰岩表面硬度为指标,分析石灰岩石刻文 物表面风化特征,尤其是不同程度生物作用下石刻文物表面风化特征,力图阐述不同生物覆盖程度的石灰岩 的风化差异. 1研究对象地理地质条件 南京位于长江中下游的宁镇丘陵地区,经纬度N31.14,32.36,Ell8.22119.14.南京属亚热带湿润 气候,雨水充沛,光能资源充足,年平均温度为15.6.,年平均降雨117天,降雨量1106.5mm,无霜期237天. 适宜于石生藻类等生长. 南京地区的明朝文物众多,包括明城墙,朝天宫,明孝陵及其它明代王臣寝陵等,其中明孝陵为世界文化 遗产.这些文物的主体之一就是各种石刻,其原岩是在南京分布很广的二叠系栖霞组的各种石灰岩,包括生 物灰岩,燧石结核灰岩等.其中生物灰岩中生物化石种类较多,有各种藻类,腕足类,海百合,珊瑚等.燧石结 核是主要成分为二氧化硅,抗溶蚀强,硬度高. 2石刻文物溶蚀机制的影响因素 南京明代石刻文物的岩石材料是石灰岩,其风化类型为剥蚀和溶蚀两种,前者主要为物理风化,后者为 化学风化(含生物作用下的生物物理风化和生物化学风化作用).造成石刻文物毁损的因素很多,主要有岩性, 收稿日期:2oo5一O3—04 基金项目:国家自然科学基金(40271O17). 作者简介:王兴山(1980一),男,山东茌平人,硕士研究生,研究方向为微观喀斯特 382安徽师范大学(自然科学版)2006正 气候,朝向,微生物等(表1). 表1石刻文物表面毁损影响因素及其作用机制 Table1Effectivefactorsofculturestonedeteriorationandtheirfunction 影响因素作用机制 岩性 气候 朝向 微生物 岩石本身所具有的结构,矿物组合,化学成分上的不同而导致的溶蚀速率不同 主要是大气降水对溶蚀的影响,大气降水的多少与溶蚀速率的大小呈正相关关系,其次还有温度变化引起的机械剥蚀作用 还有大气的成分变化(--氧化碳或者是二氧化硫)引起的酸雨溶蚀等 朝向主要是通过石刻文物表面对太阳光接受和主风向(影响降水作用)的不同来影响石刻的风化作用 微生物对文物表面的钻孔等物理风化作用,以及生物分泌生物酸对石刻文物产生的溶蚀作用 3研究方法 本次研究所应用的测量工具是施密特锤(Schmithammer),ZC型.直接在文物的表面测量出相对硬度. 测量按常规在每类测量面上测量l2次,去掉最大和最小值,然后取平均值. 在南京明孝陵等明代王陵的石刻文物上,用此方法采集了几百个硬度值,包括不同岩性,不同生物覆盖 情况等影响因素下硬度值的对比. 在数据的采集过程中,将石刻文物的表面根据其微生物的覆盖程度分为四类(表2,图1):无生物覆盖面 —— I类表面(生物分布线密度10%以下),较少生物覆盖面——?类表面(生物分布线密度10%一50%), 较多生物覆盖面——?类表面(生物分布线密度50%一90%),全为生物覆盖面——?类表面(生物分布线 密度90%以上).(注:图版为放大的照片,故在有生物覆盖的?,?,?类表面测量中,硬度仪尖端冲击面在 图版中占很大的面积,几乎每一次测量都会同时测试到有生物部分和无生物部分,并且每个表面都是用大量 的数据取平均值所得,因此可以说客观地反映了不同生物覆盖程度的硬度差异.) 通过观察发现:所有有生物覆盖的文物表面,均比无生物覆盖的文物表面凹进1—5mm,显示其风化速 率比后者高. 表2南京明代石刻文物表面类型划分 Table2PartitionofDifferentSurfaceofCultureStoneofMingDynastyinNaming 表面类型特征描述 I类表面为灰岩表面,无生物体覆盖,显灰白色,生物分布线密度10%以下 ?类表面少 5O 量 % 生物覆盖,生物类型为藻类和地衣等,生物生存于灰岩表面凹坑中或与灰岩表面相互镶嵌,生物体分布线密度10%- ?类表面有 50 较 % 多 - 生 90 物 % 体覆盖生物类型为藻类和地衣等,生物或生存于灰岩表面凹坑中或与灰岩表面相互镶嵌,生物体分布线密度为 ?类表面全为生物体覆盖,生物类型以地衣体为主.生物体分布线密度为90%一100% ????I类表面II类表面III类表面Iv类表面 图1石刻文物表面类型 Figure1DifierentSurfaceofCultureStone 29卷第4期王兴山,张捷,秦中:石灰岩石刻文物表面硬度与生物风化研究383 4研究结果 4.1硬度观测结果 在本次研究中,在上述每类表面取多个测量面用zC型施密特锤进行硬度测量,获得硬度值,然后取岩 性,朝向等其它风化影响因素类似的几个测量面,对于四种类型表面的硬度数据分别取平均值,得到南京市 明代石刻的这四类表面硬度值的比较结果.经过分析处理,得到图2. 在图2的六条折线中,表面硬度和生物覆盖之间的关系可以分为三种类型: 第一种类型是歧阳王陵石马和明孝陵石坐象,表面硬度值随着生物覆盖程度的增 加而减少. 第二种类型是中山王陵石虎和歧阳王陵石羊,折线呈现拱形.二者I,?,?类表面表 面硬度与生物覆盖 程度呈正相关关系,而?类表面则与以上趋势相反,硬度值偏小. 第三种类型歧阳王陵石虎和歧阳王陵龟碑石,表面硬度和生物覆盖程度无明显相 关关系. 4.2表面观测结果 在各个被测试石刻表面,用肉眼,放大镜以及手持显微镜进行岩石矿物成分,结构, 溶蚀形态,生物体形 态等的详细观测,得到结果如表3所示: 55.00 50.00 j霉45 40 瞎35 30 00 00 00 00 25.00 2O.OO ?? \ \人二?—_一,..—'v—_一一 .,, ?...', 爪 ' , ? — 歧阳王陵石马 — .卜-歧阳王龟碑石 … ?-.歧阳王陵石羊 — 中山王陵石虎 — 明孝陵石坐象 — ?一歧阳王陵石虎 ^-0无生物A-1少^-2多^-3全 生物覆盖程度 图2南京明代石刻不同生物覆盖情况下硬度值简明对比图 Figure2Simplycomparisonofextema]rigidityamongstonestatuaryof MingdynastyinNingunderovercastofdiversemieroorgani.,a'n 表3南京明代石刻文物表面特征 Table3CharactersofsurfaceofculturestoneofMingdynastyinNanjing 5结论 综合以上测量和观察结果,初步得出以下结论: 安徽师范大学(自然科学版)2OO6年 (1)石刻表面的硬度值与生物覆盖程度的关系,受石刻材料的影响呈现出不同的相关关系; (2)石灰岩方解石颗粒较粗,结晶程度高的灰岩石刻文物,其表面硬度值与生物覆盖程度有较好的相关 性.其中微溶蚀形态微台阶,微溶坑等较为发育的石灰岩石刻文物,如歧阳王陵石马和明孝陵石坐象,表面硬 度值与生物覆盖程度呈负相关关系;而微溶蚀形态不发育的石灰岩石刻文物如歧阳王陵石羊,中山王陵石虎 的I,?,?类表面硬度值与生物覆盖程度呈正相关关系,而?类表面则由于泥质沉积和方解石散落颗粒的 附着无以上规律. (3)石灰岩颗粒细小,结晶程度低,结构较为致密的石刻文物,如歧阳王陵石虎和歧阳王陵龟碑石表面硬 度值和生物覆盖程度无明显相关性. (4)灰岩石刻文物?类表面的硬度主要受生物体结构,生物体产生的泥质沉积和附着的灰岩颗粒的情况 影响. (5)从灰岩石刻文物表面的毁损程度来看,生物体的覆盖加速了溶蚀作用. 另外,笔者在观测过程中,发现有生物覆盖的石刻表面,虽然溶蚀速率较大,比无生物覆盖的表面低1— 5mm左右,却很清晰的保留了原来雕刻的轮廓;相反无生物覆盖表面的雕刻轮廓却已经风化导致雕刻轮廓 模糊,其原因可能是,在没有生物覆盖的情况下,雕刻的突出部分首先风化掉,趋向于同低凹部分处于同一平 面,而使原来的雕刻轮廓消失.而在有生物覆盖的地方,生物主要分布在雕刻的低凹部分(此处湿度相对较 大),加速这部分的溶蚀作用,使得该部分溶蚀速率和突出部分的溶蚀速率保持大体一致,因此,两部分基本 同步溶蚀,所以,虽然在体积上表现为变小,而形状上却保留了原来的雕刻轮廓,在石刻的保护上,起到了相 对积极的作用. 参考文献: [1]VILES,HA.Recentadvancesinfieldandexperimentalstudiesofrockweathering[M].Ze itschriftffirGeomorphologieSupplementBand. Rotterdom:Balkema.2002:120. [2]WinklerEM.Weatheringofcrystallingmarble[M]//MarinosandKoukis.EngineeringGeologyofAncientWorks,MonumentsandHistorical Sites.Rotterdom:Balkema,1988:717—721. [3]BEEGERD.DeteriorationandconservaitonofCalTaramarbleinGDR[M]//Marinc~andKoukis.EngineeringGeologyofAncientWorks. MonumentsandHistoricalSites.Rotterdom:Balkema,1988:849—851. [4]SHERW(X)DS,REDDYMM.Afieldstudyofpollutanteffectson~al'bonatestonedissolution[M]//MarinosandKoukis.EngineeringG~ology ofAncientWorks,MonumentsandHistoricalSites.Rotterdom:Balke~ma,1988:917— 923. [5]DelMonte.Airbornecarbonparticlesandmarbledeterioration[J].AtmosphericEnviron ment,1981.15(5):645—652. [6]CHENSF,ZHANGJ.BiodeteriorationofChineseMonuments[J].InternationalHchenologicalNewsletter,1993,26(1):10—12. [7]张捷,李升峰.石灰岩表面溶针孔的初步研究[J].中国岩溶,1991,10(2):151—161. [8]张捷.李升峰.南京粱代石刻的微侵蚀研究[J].地理,1994,49(5):418—428. [9]张捷.地衣喀斯特侵蚀作用的初步研究[J].地理,1993,48(5):437—446. [10]张捷.喀斯特侵蚀过程中藻类作用的微形态研究[J].地理,48(3):235—243. [11]曹建华.桂林地区石灰岩表面生物岩溶溶蚀作用研究[J].中国岩 溶,1993,12(1):l1—21. [12]张赞勋,汪东云,付林森,等.宝顶石刻区污染地下水对造像岩体的破坏作用[J]. 山地研究,1994,12(3):141—147. 【13jSWEETINGMM.KarstLandforms[M].London:Macmillan.1972. [14]房金福,宋林华,张耀光.碳酸盐岩表层硬度的研究[J].中国岩溶.1985,(4):341— 347. [15]JONEsD,WILSONwJ.ChemicalactivityoflichensonmineralSI】 rfaceS:Areview[J].InternationalBiodeterioration,1985,21(2):99—104. (下转第394页) 394安徽师范大学(自然科学版)2006矩 ResearchonSeveralIssuesofCountryTourOevelopment HUANGCheng—lin (CollegeofTerritorialResourcesandTouriwn.AnhuiNormalUniversity,Wuhu241000,China) Abstract:Thispaperexplorestheconceptofcountrytour,thetypeofcountrytourismdestinationandthe DroblemsaboutcoUntrytourthatneedtobesettledimmediately.Theauthorthinksthatcountrytourisakindof tourismwhichoccursinthecountries,havingthetourresourcewiththecountrycharacteristicsasitsmain ect.andhasthefunctionofsightseeing,leisure,vacation,experience,entertainment,shopping,foodand beverageandstudies.Accordingtothecontentoftourorthebehaviorofthetourists,countrytourdestination canbedividedintothreetypes:sightseeing,recreationandvacation,andintegration.Accordingtothespace position.countrytourdestinationCanbedividedintoanotherthreetypes:"metropolissuburb"destination, " scenicedge''destinationand"oldrevolutionarybases,minority,frontierandbarrenarea"destination. Therefore,theexploitofcountrytoururgentlyneedstogiveprominencetothecountrycharacteristicsandthe diversitvoftourproducts,andpayattentiontotheproblemsofpreservationofculturalrelicsintourdistricts. Keywords:countrytour;typeofcountrytourismdestination;tourismsustainabledevelopment * (上接第384页) ** StudyofLimestoneStatuary ACaseStudyonStoneStatuary ** onBaseofRigidity * ofMingDynastyinNanjing WANGXing—shan,ZHANGJie,QINZhong (DepartmentofUrbanandResourcesScience,NanjingUniversity,Nanjing210093,Chim) Abstract:TherearemanyculturesstoneofMingdynastyinNaniing,allmadeoflimestone.Thepaperdivides theSUffaceofculturestoneintofourtypesonbaseofovercastofdiversemicroorganism:nearlynoovercastof microorganism,overcastoflessmicroorganism,overcastofmuchmicroorganism,nearlyallovercastof microorganism.Anditusesschmithammertogettheirexternalrigidityandtheconnectionbetweenexternal rigiditvandovercastextentofmicroorganism.Itdrawsaqualitativeconclusionoftheconnectionofexternal microorganism:ifculturestoneisobviousofgrain,thentheexternalrigidityandtheextentofovercastof microorganismisrelational,othersdonot. Keywords:stonestatuary;externalrigidity;overcastextentoforganism;Naniing