4月15日，中国文化遗产研究院教授级高级工程师黄克忠先生受邀做客“清源讲堂”，带来了一场以“石窟寺的地质环境”为主题的精彩讲座。之前发布的讲稿存在2处疏漏，特此更正。尽管我是学水文地质和工程地质专业的，之后一直从事石窟保护工作，但今天所讲的这个题目，是受到最近参加的清华大学博士预答辩的启发，关注如何将石窟与地质环境联系起来。面对这个讲堂我心中还有一点忐忑，于是恶补了一下，不知能不能对你们有所帮助。首先，我从以下5个方面，讲解一下地质环境和石窟的相关概念。指含自重应力及岩石形成演化过程中产生的应力残余值。残余应力是原岩应力未能充分释放的表现。当岩石从高地应力向低地应力转化时，聚集的应变能释放，伴随着体积膨胀，结构松弛，结构效应显化，亦可称为卸荷带。石窟岩体地应力已释放完，开窟经过千年，卸荷区的结构松弛已经形成，卸荷裂隙呈不等间距平行分布，同时其物理力学性能明显下降。这是新疆克孜尔石窟的一个大像窟，左边这些裂缝，其应力释放的卸荷裂隙就很明显，缝隙间距越靠近崖边的越窄，往后分布逐渐加宽。卸荷裂隙间距的宽窄与陡崖的高度、岩性和地质年代都有关。在上世纪70年代，云冈石窟9、10窟维修以前，已存在两条非常明显的卸荷裂隙。最前面的一条卸荷裂隙已经跟岩体分离了，而两道卸荷裂隙对9、10窟稳定性危害非常大，所以当时使用了环氧树脂类材料对它进行裂隙灌浆，还配合着锚固，灌浆的量特别大。对于石窟来说，卸荷裂隙是裂隙中最致命的一个病害。这是我们测量的麦积山石窟的一条卸荷裂隙，切割了许多个洞窟。右边是它的剖面，由上面往下，其特点是上面的裂隙宽，向下逐渐变窄，共切割了五层洞窟，危害性非常大。
地下水环境是岩石和周围地质环境进行物质和能量交互作用的主要介质，同时也是直接影响物质状态和应力状态的重要因素。在地下水作用下，岩石物质的亲水性得以表现，发生软化。随渗透压力的增加，岩石有效应力降低，甚至造成岩石的破坏和失稳。这是云冈石窟的1号窟。为什么会切割成这样呢？因为它原来的卸荷裂隙就存在，石窟开凿之后，穿过中心塔柱的卸荷裂隙形成了崩塌。
这是云冈石窟的2号窟——寒泉洞。后壁的泉水将地面浸泡长达千年以上，裂隙的切割和泉水的浸泡，使得整个地面的基础成了许多碎块，窟前壁也往外移动。因此，在上世纪60年代我们将1、2号窟作为抢险加固实验洞窟进行修复。修复工作听取了北京地质院教授的意见，将泉水水位下降了1.5米后，从洞窟底部引出窟外。如今50多年过去，取得了比较理想的实施效果。指岩石所处周围内外地质动力作用的活动性。内动力作用表现为断层的活动性及地震活动性。外动力表现为崩塌、滑坡、泥石流、塌陷、沉降、地裂等。
麦积山石窟在建窟后没多久，隋代的大地震造成中间部分的洞窟及岩体全部坍塌，后来就分成了东西两崖。大地震对于麦积山来说，危害非常致命。这就是外动力表现出的崩塌、滑坡。克孜尔石窟由于其岩性比较差，其崩塌现象非常严重，下部的洞窟都被埋在里面了。地质环境的敏感性可制约石窟环境的稳定性。其中裂隙的类型、分布与石窟的稳定性关系密切。云冈石窟受多种裂隙的切割，裂隙种类有成岩裂隙、构造裂隙、风化裂隙、卸荷裂隙等。尤其是卸荷裂隙控制了石窟的稳定性。龙门石窟的岩溶地下水环境导致了石窟的病害；麦积山石窟的稳定性则受地震活动的影响。这个是另外一处文物岩体的构造裂隙和卸荷裂隙造成的崩塌，破坏非常明显。南京的六朝石刻，其裂隙与原岩结构、构造有很大的关系，在此基础上风化产生了现在的状况。这是乾陵南神道上的造像。它的裂缝，尤其在鼻子、嘴等部位，实际上是在原生裂隙基础上风化造成的。这是承德避暑山庄内的凝灰岩建筑构件，它的风化裂隙也是在其原有基础上发展出来的。它有两个特点，一是孔隙大，二是质地软，因而呈现出与砂岩截然不同的风化形态。岩石的物质结构极为复杂，它的多样性和不均一性造成了岩石之间性质的极大差异。而同一类型岩石具有本质的共同性，因而要对它们进行分类评价和分析。可将工程岩体大致分为三大类：节理状岩体（大多是火成岩，少量变质岩）；层状岩体，以沉积岩类为主。胶结连接，由岩质颗粒组成。硬岩与软岩常成互层的夹层结构。在构造作用下产生褶皱、断层和构造裂隙；碎裂岩体，受到强烈构造作用产生的变形和碎裂化，如断层破碎带。这就是由于形成沉积岩以后因构造变动，造成岩体的褶皱，其中间部位破碎非常严重。岩体物理力学性能可从力学本构、变形特征、强度特性、时间效应、渗透特性等方面去阐述。对于层状结构岩体的力学结构，就要用弹塑性及不连续理论解释。其变形特性要以初始-峰后变形、变形模量、泊松比等指标考量。强度特征则要从破坏机制、岩石强度、强度折减系数等方面求解。时间效应主要考虑蠕变性能。渗透特性是层面透水还是低透水，或者不透水。我们国家的石窟总数80％的岩石类型是层状结构岩体，主要是侏罗纪、白垩纪、第三纪的长石石英砂岩。这是新疆的库木吐拉石窟，它由厚层状的砂岩和泥岩构成。其岩性为第三纪的砂岩，特别疏松。其胶结物质以泥质为主，里面含有蒙脱石，伊利石、高岭石。遇水分解，属于软岩，其特点是孔隙度大、吸水性强、抗风化能力低。
这是新疆吐鲁番的吐峪沟，其陡崖和洞室的坍塌与地震及第四纪构造运动关系密切。由于岩性很差，蒙脱石的比例很高，所以在修复中应着重对其岩性特征进行研究。石窟寺属于宗教建筑，由寺庙和石质洞窟的岩体构成。石窟寺早期的布局一般是前殿后窟，其形制具有地区特点和年代特征，洞窟形制与岩体构成各种力学关系。石窟岩体的变形和破坏，往往先从应力集中的部位和表层力学性质劣化的部分，即比较薄弱部位逐渐开始。因此它的稳定性和耐久性研究是目前石窟保护的两大课题，探讨石窟的地质环境我们也脱不开这两个问题。对于耐久性问题，也就是我们常说的石质文物表层的劣化或者叫风化，国内外的研究已经十分深入。对石窟的稳定性问题，怎么与地质环境联系，这是本次要讲的主题。开窟以后的应力重新分布，存在变形、位移、蠕变及突变等问题。例如，云冈石窟的20窟，在加固以前，由于拱券的两个部位是应力集中的地方，经过一千多年的时间，此处岩性劣化严重，再受剪压集中应力作用已经完全破碎，所以修复时对这两个部位做了重点加固。再比如，云冈石窟16窟的窟顶为穹窿状，因而其破坏特点与方形或者有塔柱的洞窟破坏有着很大区别。而且，该洞窟的力学结构还有另外一个特点，即佛像向前倾斜的角度为15度，而且佛像背后已经产生了一条明显的裂缝，因此在对其是否进行加固的勘察研究中，要对其稳定性进行评估，比如：佛像的倾斜对后面的拉力大小，裂缝发展到了什么程度等。从这张图可以看出，明窗和门洞中间这个裂缝，由于应力集中而出现断裂，随后的维修采用环氧树脂进行了粘结，然而修复后不久，其粘结面外部又再次发生断裂。这说明，加固工作应当与应力分析相结合，并且要对岩石的强度进行测试。假如我们光看到裂缝就对其进行灌浆或粘结加固，不一定会产生理想的效果。这是北京的古崖居，由花岗岩构造而成，其破坏特性与原先的构造裂缝是联系在一起的。经过风化以后，它本身的强度再加上受力的作用共同形成了这样的裂缝。这是云冈石窟的第3窟，开凿于唐代，是一个没有完成的洞窟。上面一排的12个孔洞，与其开窟之前的建造设计有关系。下面这张图说明，原来的设计是，窟前第二层有两个塔柱，中间是佛龛，两个明窗，底层又有两个门洞，是否原来打算在窟顶还要搞一个大的建筑，这是它的柱洞，而这个柱洞是通天的，1.5米×1.5米的柱洞断面，往里放柱子，但是都没有完成，这有待石窟建筑考古去说明。但我们在对石窟岩体进行研究时，要将岩体与洞窟的形制结构联系起来，许多情况下，石窟的的地质环境及其风化都跟其有关。长年累月，雨水积到柱洞里面以后，慢慢渗透，使得它的前壁面形成一些波浪形的风化。如果我们不考虑这些石窟结构形制的话，在很多时候，就不能解释这些风化现象产生的原因。这是陕西的彬州大佛。在上世纪90年代由陕西文物局和德国巴伐利亚州合作，对大佛进行了维修。图/武汉中科院岩土所葛修润院士制作的稳定性分析计算模型通过稳定性分析计算显示，它的头部不够稳定，脖子后面产生了两条裂缝。当时采用了中国传统的扒锯法进行加固。
有关岩体稳定性分析和计算，对于坡体失稳、边坡的稳定性计算方法在岩体力学工程中就有十多种。跟石窟稳定性有关的计算有定性分析、极限平衡分析、块体理论分析、物理模拟分析等方法。目前使用最多的是极限平衡分析和有限元分析。但是当前岩石力学界已经发展到以岩体仿真模型进行数值分析，是把有些单元法的连续介质模型和离散元为主的非连续介质模型结合成统一的称为“连续与非连续介质模型”进行分析计算。这个情况说明，稳定性分析对于石窟的保护工程来说正在稳步地往前发展，更加符合实际。这是克孜尔石窟施工过程中拍摄的照片，它的不稳定部位是与崖体平行的卸荷裂隙和构造裂隙的结合体，因此其危岩的加固体量非常大。这是麦积山石窟在上世纪50年代拍摄的照片。它的剥离状况跟卸荷关系很大，因为洞窟很高，最高处距地面80多米，岩体陡崖为倒坡形，又是砂砾岩质，因此稳定性很差。在1962年进行病害勘察时，发现石窟顶部七佛阁侧壁下方的岩体出现了一条从上至下贯穿的裂缝，被切割危岩体的稳定性将影响许多精品洞窟。于是在裂缝两侧增加了一块石膏体进行监测，第二年天水地区附近发生地震后发现石膏出现开裂。这说明，这块危岩体已处在不稳定状态，一旦产生崩塌，上方的不少石窟将会完全垮塌。为此，国家文物局曾反复讨论是否搬迁石窟的问题。直到上世纪80年代，一位岩体力学界的专家提出，可以采用锚杆加固的方法，既能稳固住岩体，又能使石窟得以原址保护。加固完成后，虽然石窟岩体稳固了，但加固工作相当于给石窟穿上了一件“钢筋水泥外衣”，使其内部的湿度增加，再加上其内部的渗水问题还没有完全得到解决，对壁画和塑像的保护不利。这也说明，石窟保护是一项综合性的课题，不是单方面的设计就能解决的。石窟的病害类型可大致分为三类：石窟载体的稳定性、渗漏水及水蚀、劣化及风蚀。其影响因素包括地震、裂隙、水、阳光直射、冻融、人为因素等。以上这些相信大家都很熟悉，在这仅举几个例子进行简单说明。在云冈石窟，特殊的气候条件造成洞窟内外的冻融、温湿度、阳光差别非常大，因此同一根柱子，面向洞窟内保存较好（左图)，而面向外部则风化严重（中图）。造像在阳光和水的风化作用下，艺术价值受到了很大损害（右图）。这是重庆大足宝顶的卧佛，佛体的渗水现象较为复杂，目前施工队正在对其进行帷幕灌浆。这也是不得已的举动。其实对于水的治理，最好的办法不是堵，要以导为主。鉴于大佛位于石质文物分布密集的核心区，不能采取打洞排水的方法。此外，由于大佛的渗水量不算太大，因此目前只能在其后部进行帷幕灌浆为主，观察效果后，再考虑下一步的设计方案。这是乐山大佛，它的鼻子是水泥的，眼睛经过无损检测，里面已经是个空洞。多年来，对佛头一直通过锤灰的传统工艺方法进行保护，其脸颊部分已向外鼓凸，改变了原状。对于大佛的治理，尽管从上世纪90年代就做了前期研究，但是至今仍迟迟未能治理，大佛目前的状态比较令人担忧。一个更令人惋惜的例子是新疆的库木吐喇石窟。文革期间，由于修建水电站，蓄水后将下部的洞窟淹没，导致洞窟坍塌，大量精美的壁画损毁严重。此后，由于水电站指挥部在河道内开沟，使更多的水涌入洞窟。经过几十年的治理，水虽然止住了，但使库木吐喇下层大部分洞窟及壁画遭受到不可估量的损失。 水环境是石窟类文化遗产病害最活跃、破坏最直接的因素。在此，我先介绍几个与石窟相关的水文地质概念。潜水是指饱水带中第一个具有自由表面而且有一定规模的含水层中的重力水。承压水是指充满于两个隔水层之间的含水层中的水。一个很典型的例子是龙门石窟。多年以前，去龙门石窟沿途的路上会看到很多泉水，但这几年泉水忽然减少。这是因为，距石窟上游十几公里的煤矿将其下部承压水的隔水层打穿了。后来在政府的干预下，煤矿还采用大量水泥进行封堵，只起到了一定的缓解作用。上层滞水是指包气带局部隔水层（弱透水层）之上积聚的具有自由表面的重力水。这是云冈石窟的水文地质示意图。第四系的降水，即孔隙水到了风化层，沿着裂隙流下来以后，成为了裂隙水，流到了泥质页岩透镜体上，就成了上层滞水。上层滞水可以经层面裂隙流到洞窟里。地面以下至潜水面的包气带是固、液、气三相同时存在的复杂系统。包气带有毛细力或基质吸力的作用，具有吸收水分、保持水分和传递水分的能力。包气带是大气水和地表水同饱和带地下水进行水分与能量交换的枢纽。在许多洞窟的下部都存在毛细水的作用。例如，云冈石窟第3窟由于地势较低，早年无人管理，外面的水涌入洞窟，形成积水。由于砂岩经过千年的风化后的表层岩体内也会形成毛细水，毛细水的高度可上升到2米以上，导致造像的下部已全部风化。这是彬县大佛寺。它的地层结构包括：覆盖层、砂岩、泥岩等部分。天上的降雨通过覆盖层流入砂岩层形成裂隙水，它遇到泥岩相对隔水层后，便形成一个潜水层，开了洞窟以后，把它的潜水层切断了，地下水便流到大佛寺洞窟中来。此外，外面的河水在发洪水时也会倒灌入洞窟。这几年已经有过几个工程治理洞窟的水患问题，但效果仍不太理想。入渗-蒸发型动态，以接受当地降水补给为主，就地〔如石窟内壁面〕蒸发排泄。地下水化学作用为溶滤-浓缩间杂发生〔如盐类的运移〕。这就是说，降水补给裂隙水以后，就在石窟的内壁面产生排泄、蒸发。地下水的水化解作用变成溶滤-浓缩同时发生，盐类也随之产生。下面介绍的是石灰岩地区的岩溶水。它的特点是因为岩溶作用，水可以把石头溶化，形成大大小小的洞穴，岩溶水的活动更为复杂。在龙门石窟的潜溪寺，我国与日本专家合作，将其作为整治石窟渗水的试验点，已经初见成效。但去年的一场大雨过后，石窟又出现了漏水。这是因为石窟后面的补给源不仅来自近处的顶部及后壁方向，还包括南部的顺层裂隙的渗水。因此要把水问题真正解决不是一朝一夕能够完成的，能解决70%-80%就很好了。对石灰岩地区岩溶水的治理，对我们来说任务是非常艰巨的。从1960年代开始不断治理到现在，虽然有一定效果，但在龙门石窟岩溶地区治水的成功经验还不是很多。目前龙门石窟的大部分洞窟都有漏水。这是甘肃炳灵寺石窟前的一条冲沟，洪水期上游下来的水排向黄河，但同时带着大量泥沙使河谷淤积。因在黄河上建设了刘家峡水电站，这条冲沟位于水库的库尾。黄河水携带泥沙也在不断抬高河床，丰水期黄河水又倒流入冲沟，导致冲沟的沟底及水位上升。这就使河水对石窟内的渗水问题产生了新的变化。此前，冲沟边修建了一道防水帷幕，有效地解决了冲沟底部的渗水问题。而随着河床的抬高，孔隙水势必会不断渗透进入到洞窟底部。照片上的部位已经经过了临时治理，山体后面的渗水得到了比较好的控制，但河水的问题较为复杂，既涉及黄河的河床，又与冲沟的水位有关。目前采取的方式是用沙袋堵，以防止冲沟的水往里渗，但这仅仅是临时措施，彻底的解决方案还在探讨过程中。这是承德避暑山庄里的凝灰岩建筑构件，其风化破碎现象与砂岩和灰岩完全不同。根据中国文化遗产研究院学者的研究，其原因是由于泥灰岩的孔隙率较大，属于软岩，其成岩过程的结构也很不一样。因此对其风化状态的治理要根据岩体的不同属性，制定相应的对策。高句丽墓葬内部的凝结水使一些原来非常漂亮的彩画上面长出了微生物，而且现在凝结水仍在不断产生，不断干燥，造成了彩画颜色的改变。因此，墓葬保护中也存在着与石窟相似的病害，凝结水就是一个非常明显的例子。这是大足宝顶山的圆觉洞，里面有一个和尚，拿着一个钵。洞窟上面排水沟的水顺着一条水流通道滴到钵里，再通过底部的暗沟排到洞外，充分体现了艺术性与科学性的巧妙结合。所以在石窟的保护中，应该充分对祖先治水的传统技艺予以关注。与之类似的还有窟檐，它同样对古代石窟的保护起到了至关重要的作用。这是龙门石窟的奉先寺。从现今遗留下来的孔洞可以推测，原来奉先寺外面建有很雄伟的建筑，对石窟的造像起到了很好的保护作用。这些建筑毁掉后的奉先寺就成为露天的环境。就在前年，卢舍那佛像的头顶和胸部都出现了渗水，目前正在制定方案，对顶部的裂缝和渗水进行治理。图示的位置叫作神仙洞，是一个石灰岩发育形成的溶洞。1960年，我们曾经进去过，找到了好几个落水洞，一直通到奉先寺的南壁。所以要想把佛像的渗水问题治理好，我们不仅要关注其上部的水源，还要将岩溶水、溶洞发育对佛像的影响，以及上面的渗水和渗水的范围调查清楚。这是克孜尔石窟的一个大冲沟，是天上的雨水造成的。刚才提到，第三纪砂岩是非常不耐水的，遇水会变成泥浆分解。在克孜尔石窟崖顶，类似这样的冲沟有十几个，比人都高，里面就像迷魂阵一样。这样的冲沟对洞窟的危害非常严重，雨水可以直接顺着冲沟倾泻而下。尽管这一地区的降水不多，但一旦下雨，影响则非常大。雨水、地下水，加上地震，这些问题的综合治理对我们来说难度确实很大。我的演讲完了，谢谢大家。接下来的时间，大家有什么需要了解的，我们可以讨论沟通。我们是一群工作在文化遗产保护领域第一线的青年，跟您分享实践思考、学术成果、思想碰撞，以及深入遗产地带来的好吃好玩。
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