物探方法在石质文物保护中的应用研究
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摘要
我国石质文物类型诸多,分布极广,遍布南北疆域,涉及到的环境地质问题也极为复杂,在此以石窟为石质文物代表,研究物探方法在石质文物保护中的应用。无论从文物价值、艺术价值等方面来讲,丰富多彩的石窟是我国十分重要石质文物的类型之一,直接提供了古代佛教等宗教历史、雕刻历史、社会历史、政治经济变革等珍贵资料,是不可再生资源,保护的迫切性很明显,同时,保护的科学合理性也至关重要。
广泛分布范围涉及到诸多环境地质问题,文物保存环境也变得极为复杂多变,在实际研究保护工作中查明石窟寺的岩体性质和赋存的地质环境尤为关键；近年来,在石窟病害研究中,应用地球物理方法越来越普遍。例如,利用超声波法探测岩体风化程度、灌浆效果及裂隙位置；利用微测深法探测裂隙延伸、风化层厚度；利用自然电场法等直流电阻率法探测窟顶基岩埋深、渗水途径；利用地质雷达探测掩埋的洞窟和古墓位置、窟区分层；利用浅层地震法用于探测石窟岩体深部裂隙发育状况、石雕内部缺陷以及窟前考古等；另外,电磁法也用于古墓、隐伏体、断裂、岩溶等的探查。
本文以云冈石窟、北石窟等为代表,将地震CT法、自然电场法以及高密度电阻率法等多种物探方法引入石窟文物保护,通过多种物探及定量钻探,从地震波性、电性差异分辨上相互印证,探测深度浅、深相结合揭示了窟区岩体破碎程度及软弱带的位置、空间展布情况及波速特征。通过场地试验得出地震CT法技术具有较高分辨率,通过同一观测记录,读取走时和频谱分析,得到云冈石窟三号窟、北石窟165窟南北两侧等窟壁波速图像及衰减图像；高密度电阻率法对云冈、北石窟窟区岩体电性差异性较为敏感,通过现场布置采集及使内处理定位窟区丰水、渗水等区域；同时,对山地过滤电场对地下水流向特性敏感特性进行研究,较适合北石窟浅层地下水流向、及渗漏位置等定向、定位；结合地质雷达法及多道瞬态面波等常见无损物探方法特点,为定位石窟裂隙水赋存类型及通道,降低水岩、风化作用等保护治理提供充分有效依据。
通过理论和现场实际应用研究,物探方法在石质文物保护中较常规勘探手段具有明显的优势,不同物探方法综合利用、相互验证,为石窟病害治理提供依据。本项应用研究为其他石窟文物保护工作提供了一种新的思路。
There are many Stone cultural relics of different types, in China. They are widely distributed throughout the whole country. Some relics are located in extremely complex environment, which have geological problems. Take Grotto as an example, study geophysical methods applied in the conservation of stone relics. Grotto can be found in many places, from KunLun to the East China Sea, from WuYue to YouYan, so much so that Grottoes can be found everywhere in NanZhao of DianNan. Grotto is one of the very important stone relics, no matter from the value of cultural or from art. Because, Grotto is laden with history of ancient buddhism、carving、society affairs、 financial condition, and is unrenewable resources. To protect it is urgent, and the method of protection must be scientific and rational.
Owing to the widespread of Grotto, protecting of the Grotto encounters environmental geological problems. So it is very important to find out the geological environment where grotto is located in and rock types of the grotto in the process of protection. In recent yeas,it is more and more widespread to use geophysical methods in the research of diseases of grottoes. Such as, taking advantage of the Ultrasonic Method for detecting rock weathering degree and the grouting effect and the localization of cracks; taking advantage of the micro-sounding method for detecting fracture extension and weathering depth; taking advantage of the direct current resistivity method for detecting the thickness of the bed rock that on the top of the grottoes and percolation passes; taking advantage of the ground penetrating radar for detecting the locate of the ancient tomb and buried grottoes; taking advantage of the Shallow Seismic Method for detecting the deep fracture development of grottoes and internal defects of stone carving. In addition, electromagnetic method can be used for detecting ancient tomb and buried block and fracture and karst.
Here,taking Yungang Grotto and Northern Grotto as an example, the methods of seismic tomography and natural electric field and high density resistivity method are introduced into the Preservation of Cultural Relics of Caves.
Through the method of field test, the result that seismic tomography have a high resolution ratio was got. After observing the same records, reading the time and spectrum, we can get the image of wave velocity and decayed wave velocity of the third Caves of Yungang Grotto and number165cave of Northern Grotto.The Yungang Grottoes and Northern Grotto is sensitive to electric differences, with the help of the method of high density resistivity, Located the ample flow and water seepage area.In addition, using the character that groundwater flow direction is the leaking positioning can find out the direction of water and the location of the leaking positioning of Northern Grotto.Combined with the geological radar method and multi-channel transient surface wave non-destructive geophysical methods common characteristics nondestructive testing,it Provides an adequate and effective basis for identify the grotto fissure water reservoir type and channel, reduces water-rock ration, protectes them from weathering.
After the practical application of theory and field studies, compared with conventional means of exploration in Stone relics's Conservation, geophysical methods has obvious advantages, comprehensive utilization of the different geophysical methods, mutual authentication, provide the basis for the grotto disease management, also provides a new idea for other grottoes conservation.
广泛分布范围涉及到诸多环境地质问题,文物保存环境也变得极为复杂多变,在实际研究保护工作中查明石窟寺的岩体性质和赋存的地质环境尤为关键；近年来,在石窟病害研究中,应用地球物理方法越来越普遍。例如,利用超声波法探测岩体风化程度、灌浆效果及裂隙位置；利用微测深法探测裂隙延伸、风化层厚度；利用自然电场法等直流电阻率法探测窟顶基岩埋深、渗水途径；利用地质雷达探测掩埋的洞窟和古墓位置、窟区分层；利用浅层地震法用于探测石窟岩体深部裂隙发育状况、石雕内部缺陷以及窟前考古等；另外,电磁法也用于古墓、隐伏体、断裂、岩溶等的探查。
本文以云冈石窟、北石窟等为代表,将地震CT法、自然电场法以及高密度电阻率法等多种物探方法引入石窟文物保护,通过多种物探及定量钻探,从地震波性、电性差异分辨上相互印证,探测深度浅、深相结合揭示了窟区岩体破碎程度及软弱带的位置、空间展布情况及波速特征。通过场地试验得出地震CT法技术具有较高分辨率,通过同一观测记录,读取走时和频谱分析,得到云冈石窟三号窟、北石窟165窟南北两侧等窟壁波速图像及衰减图像；高密度电阻率法对云冈、北石窟窟区岩体电性差异性较为敏感,通过现场布置采集及使内处理定位窟区丰水、渗水等区域；同时,对山地过滤电场对地下水流向特性敏感特性进行研究,较适合北石窟浅层地下水流向、及渗漏位置等定向、定位；结合地质雷达法及多道瞬态面波等常见无损物探方法特点,为定位石窟裂隙水赋存类型及通道,降低水岩、风化作用等保护治理提供充分有效依据。
通过理论和现场实际应用研究,物探方法在石质文物保护中较常规勘探手段具有明显的优势,不同物探方法综合利用、相互验证,为石窟病害治理提供依据。本项应用研究为其他石窟文物保护工作提供了一种新的思路。
There are many Stone cultural relics of different types, in China. They are widely distributed throughout the whole country. Some relics are located in extremely complex environment, which have geological problems. Take Grotto as an example, study geophysical methods applied in the conservation of stone relics. Grotto can be found in many places, from KunLun to the East China Sea, from WuYue to YouYan, so much so that Grottoes can be found everywhere in NanZhao of DianNan. Grotto is one of the very important stone relics, no matter from the value of cultural or from art. Because, Grotto is laden with history of ancient buddhism、carving、society affairs、 financial condition, and is unrenewable resources. To protect it is urgent, and the method of protection must be scientific and rational.
Owing to the widespread of Grotto, protecting of the Grotto encounters environmental geological problems. So it is very important to find out the geological environment where grotto is located in and rock types of the grotto in the process of protection. In recent yeas,it is more and more widespread to use geophysical methods in the research of diseases of grottoes. Such as, taking advantage of the Ultrasonic Method for detecting rock weathering degree and the grouting effect and the localization of cracks; taking advantage of the micro-sounding method for detecting fracture extension and weathering depth; taking advantage of the direct current resistivity method for detecting the thickness of the bed rock that on the top of the grottoes and percolation passes; taking advantage of the ground penetrating radar for detecting the locate of the ancient tomb and buried grottoes; taking advantage of the Shallow Seismic Method for detecting the deep fracture development of grottoes and internal defects of stone carving. In addition, electromagnetic method can be used for detecting ancient tomb and buried block and fracture and karst.
Here,taking Yungang Grotto and Northern Grotto as an example, the methods of seismic tomography and natural electric field and high density resistivity method are introduced into the Preservation of Cultural Relics of Caves.
Through the method of field test, the result that seismic tomography have a high resolution ratio was got. After observing the same records, reading the time and spectrum, we can get the image of wave velocity and decayed wave velocity of the third Caves of Yungang Grotto and number165cave of Northern Grotto.The Yungang Grottoes and Northern Grotto is sensitive to electric differences, with the help of the method of high density resistivity, Located the ample flow and water seepage area.In addition, using the character that groundwater flow direction is the leaking positioning can find out the direction of water and the location of the leaking positioning of Northern Grotto.Combined with the geological radar method and multi-channel transient surface wave non-destructive geophysical methods common characteristics nondestructive testing,it Provides an adequate and effective basis for identify the grotto fissure water reservoir type and channel, reduces water-rock ration, protectes them from weathering.
After the practical application of theory and field studies, compared with conventional means of exploration in Stone relics's Conservation, geophysical methods has obvious advantages, comprehensive utilization of the different geophysical methods, mutual authentication, provide the basis for the grotto disease management, also provides a new idea for other grottoes conservation.
引文
[1]李宏松.中国石质文物保护中工程地质理论的实践与应用[J].工程地质学报.2004,12(z1)：242-243.
[2]任建光,黄继忠,李海,等.无损检测技术在石质文物保护中的应用[J].雁北师范学院学报,2006,22(5)：59-61.
[3]张金枫.石质文物病害机理研究[J].文物保护与考古科,2008.20(2)：63-65.
[4]李文军.中国石窟岩体病害治理技术[M].兰州：兰州大学出版社.2006.
[5]王大纯,沈孝宇.1960.云冈石窟工程地质问题[R].北京地质学院.
[6]田小甫,孙进忠.晋阳大佛边坡岩体风化分级研究[J].地质与勘探.2010,46(4)：1-2.
[7]黄继忠,袁道先,万力,等.水岩作用对云冈石窟石雕风化破坏的化学效应研[J].敦煌研究,2010,6：59-61.
[8]田小甫.太原晋阳大佛边坡岩体风化分级及地震稳定性评价研究[D].北京：中国地质大学(北京),.2009.10-25.
[9]王逢睿.庆阳北石窟斜坡岩体病害分析及治理工程设计[A].中国岩土锚固工程协会第十三次全国岩土锚固工程学术研讨会[C].2004.22-23.
[10]陈卉丽,蒋思维等.大足石刻的气象环境特征[J].华夏考古,2004,(1)：55-59.
[11]聂德新,韩爱果,巨广宏,等.岩体风化的综合分带研究[J].工程地质学报,2002.1：20-25.
[12]邢介明,太原晋阳西山大佛岩质边坡稳定性评价[D].北京：中国地质大学(北京)：2000,15-35.
[13]管旭东.太原西山大佛岩体边坡稳定性分析[D].呼和浩特：内蒙古农业大学：2008,20-27.
[14]钟世航.地球物理技术在我国考古和文物保护工作中的应用[J].地球物理学进,2002.3(17)：498-501.
[15]李宏松.石质文物保护领域四个概念及术语的研究[J].中国科技术语,2：51-54.
[16]汪东云.摩岩石刻文物保护防风化研究现状及深化方向[J].重庆建筑大学学报,1997,19(2)：106-111.
[17]任建光,黄继忠等.地球物理电法勘探技术在云冈石窟保护中的应用[J].大同大学学报,2008.5(24)：94-96.
[18]潘别桐,黄克忠主编.文物保护与环境地质[M].武汉：中国地质大学出版社,1992.
[19]崔凯,谌文武,张景科,等.交河故城台地土体结构面的面波探测方法初步研究[J].敦煌研究,2007,5：74-77.
[20]周仲华,郑龙.土遗址墙体含水量与电阻率关系研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(z2)：4056-4058.
[21]李义.锚杆锚固质量无损检测几个关键问题的研究[J].岩石力学与工程学报,2008,1(27)：108-110.
[22]陈爱云,方云.地质雷达在石质文物保护工程中的应用[J].西部探矿工程,2003.8：165-167.
[23]张红梅.大同云冈石窟文物渗水病害防治方案探讨[J].水文地质工程地质,2004.5：64-67.
[24]周嗣辉,宋涛,韦伯蔓,等.国内外工程物探技术现状对比[J].科技与生活,2011,15：219-220.
[25]李海.大气污染对云冈石窟的风化侵蚀及防护对策[J].雁北师范学院学报,2003,19(5)：60-63.
[26]梅宝,邓世坤,胡朝彬,等.探地雷达技术在云冈石窟维护中的应用[J].2006,3(6)：449-452.
[27]樊锦诗.《中国文物古迹保护准则》在莫高窟项目中的应用——以《敦煌莫高窟保护总体规划》和《莫高窟第85窟保护研究》为例[J].2007,(5)：1-5.
[28]雷涛.石质文物保护材料评价方法研究.[D].兰州：兰州理工大学.2010,65-73.
[29]陈敏强.文化遗产保护与旧城改造关系的研究[D].武汉：华中农业大学,2004.70-90.
[30]高秀玲.天津市历史建筑保护与再开发管理模式研究[D].天津：天津大学,2005,34-56.
[31]李世峰.资源与工程地球物理勘探[M].北京：化学工业出版,2008.
[32]曾昭发.探地雷达方法原理及应用[M].北京：科学出版社,2006.
[33]王兴泰.工程与环境物探方法新技术[M].北京：地质出版社,1996.41-50.
[34]杨峰,彭苏萍.地质雷达探测原理与方法研究[M].北京.科学出版社.2010.
[35]陈仲侯等.工程与环境物探教程[M].北京：地质出版社,2005.
[36]徐华全,顾勤平,刘远志,等.多道瞬态面波法在覆盖层调查中的应用[J].2008,17：26-27.
[37]张国华,何峰,谭巨刚,等.瞬态面波法在工程地质勘察中的应用[J].华南地质与矿产,2006,4：58-60.
[38]白兰.物探方法在污染场地中的应用研究[D].兰州：兰州大学,2008.36-29.
[39]李世峰.资源与工程地球物理勘探[M].北京：化学工业出版社.2008.
[40]何门贵,温永辉.高密度电阻率法二维反演在工程勘探中的应用[J].物探与化探,2002,(26)：156-157.
[41]李玲.盐渍土电阻率特性研究[D].兰州：兰州大学,2012,26-45.
[42]杨峰.岩溶地区路基病害勘察技术及处理方案研究[D].湖南,中南大学,2004,56-79.
[43]李文军.北石窟寺地下水与石窟岩体潮湿渗水的关系及地下水治理措施[J].敦煌研究,2006,04：109-114
[44]王逢睿,肖碧.甘肃北石窟寺第165窟岩体稳定性分析研究[J].敦煌研究,2011,06：232-238.
[45]任建光,黄继忠,石云龙,等.地球物理电法勘探技术在云冈石窟保护中的应用[J].山西大同大学学报,24(5)：94-95.
[46]李耀刚,靳洪晓,彭涛,等.物探新技术在云冈石窟防水保护勘察中的应用——2005年云冈国际学术研讨会论文集(保护卷)[C].北京,文物出版社,2006：253-254.
[47]王延涛.瞬态瑞利波法在秦峪滑坡勘查中的应用[J].兰州大学学报(自然科学版),2007,43(2)：25-26.
[48]康燕玲.水泥土防渗墙无损检测方法的研究[D].天津：天津大学,2005.
[49]崔凯.交河故城台地土体结构面的面波探测方法初步研究[J].敦煌研究,2007,5：74-77.
[50]林茂炳,赵不忆.大同云冈石窟岩石风化调查报告[R].1964.
[51]黄继忠,云冈石窟主要病害及治理[J].雁北师范学院学报,19(5)：57-58.
[52]吴宝燕,张爱国,朱丽君,等.云冈石窟水害及其治理措施[J].地下水,30(3)：116-118.
[53]黄继忠.云冈石窟地质特征研究[J].文物保护,2002,91-95.
[54]黄继忠,袁道先,万力等;水岩作用对云冈窟石雕风化破坏的化学效应研究[J].敦煌研究,124(6)：59-60.
[55]傅志斌,彭涛,李耀刚.云冈石窟石雕风化保护的渗水机制分析——2005年云冈国际学术研讨会论文集(保护卷)[C].北京：文物出版社.2006：192-195.
[56]谭峰屹,王新志,林祖锴.岩土工程中的无损检测技术[J].路基工程.2010,(1)：25-26.
[57]董浩斌,王传雷.高密度电法的发展与应用[J].地学前缘.2003,10(1)：172-173.
[2]任建光,黄继忠,李海,等.无损检测技术在石质文物保护中的应用[J].雁北师范学院学报,2006,22(5)：59-61.
[3]张金枫.石质文物病害机理研究[J].文物保护与考古科,2008.20(2)：63-65.
[4]李文军.中国石窟岩体病害治理技术[M].兰州：兰州大学出版社.2006.
[5]王大纯,沈孝宇.1960.云冈石窟工程地质问题[R].北京地质学院.
[6]田小甫,孙进忠.晋阳大佛边坡岩体风化分级研究[J].地质与勘探.2010,46(4)：1-2.
[7]黄继忠,袁道先,万力,等.水岩作用对云冈石窟石雕风化破坏的化学效应研[J].敦煌研究,2010,6：59-61.
[8]田小甫.太原晋阳大佛边坡岩体风化分级及地震稳定性评价研究[D].北京：中国地质大学(北京),.2009.10-25.
[9]王逢睿.庆阳北石窟斜坡岩体病害分析及治理工程设计[A].中国岩土锚固工程协会第十三次全国岩土锚固工程学术研讨会[C].2004.22-23.
[10]陈卉丽,蒋思维等.大足石刻的气象环境特征[J].华夏考古,2004,(1)：55-59.
[11]聂德新,韩爱果,巨广宏,等.岩体风化的综合分带研究[J].工程地质学报,2002.1：20-25.
[12]邢介明,太原晋阳西山大佛岩质边坡稳定性评价[D].北京：中国地质大学(北京)：2000,15-35.
[13]管旭东.太原西山大佛岩体边坡稳定性分析[D].呼和浩特：内蒙古农业大学：2008,20-27.
[14]钟世航.地球物理技术在我国考古和文物保护工作中的应用[J].地球物理学进,2002.3(17)：498-501.
[15]李宏松.石质文物保护领域四个概念及术语的研究[J].中国科技术语,2：51-54.
[16]汪东云.摩岩石刻文物保护防风化研究现状及深化方向[J].重庆建筑大学学报,1997,19(2)：106-111.
[17]任建光,黄继忠等.地球物理电法勘探技术在云冈石窟保护中的应用[J].大同大学学报,2008.5(24)：94-96.
[18]潘别桐,黄克忠主编.文物保护与环境地质[M].武汉：中国地质大学出版社,1992.
[19]崔凯,谌文武,张景科,等.交河故城台地土体结构面的面波探测方法初步研究[J].敦煌研究,2007,5：74-77.
[20]周仲华,郑龙.土遗址墙体含水量与电阻率关系研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(z2)：4056-4058.
[21]李义.锚杆锚固质量无损检测几个关键问题的研究[J].岩石力学与工程学报,2008,1(27)：108-110.
[22]陈爱云,方云.地质雷达在石质文物保护工程中的应用[J].西部探矿工程,2003.8：165-167.
[23]张红梅.大同云冈石窟文物渗水病害防治方案探讨[J].水文地质工程地质,2004.5：64-67.
[24]周嗣辉,宋涛,韦伯蔓,等.国内外工程物探技术现状对比[J].科技与生活,2011,15：219-220.
[25]李海.大气污染对云冈石窟的风化侵蚀及防护对策[J].雁北师范学院学报,2003,19(5)：60-63.
[26]梅宝,邓世坤,胡朝彬,等.探地雷达技术在云冈石窟维护中的应用[J].2006,3(6)：449-452.
[27]樊锦诗.《中国文物古迹保护准则》在莫高窟项目中的应用——以《敦煌莫高窟保护总体规划》和《莫高窟第85窟保护研究》为例[J].2007,(5)：1-5.
[28]雷涛.石质文物保护材料评价方法研究.[D].兰州：兰州理工大学.2010,65-73.
[29]陈敏强.文化遗产保护与旧城改造关系的研究[D].武汉：华中农业大学,2004.70-90.
[30]高秀玲.天津市历史建筑保护与再开发管理模式研究[D].天津：天津大学,2005,34-56.
[31]李世峰.资源与工程地球物理勘探[M].北京：化学工业出版,2008.
[32]曾昭发.探地雷达方法原理及应用[M].北京：科学出版社,2006.
[33]王兴泰.工程与环境物探方法新技术[M].北京：地质出版社,1996.41-50.
[34]杨峰,彭苏萍.地质雷达探测原理与方法研究[M].北京.科学出版社.2010.
[35]陈仲侯等.工程与环境物探教程[M].北京：地质出版社,2005.
[36]徐华全,顾勤平,刘远志,等.多道瞬态面波法在覆盖层调查中的应用[J].2008,17：26-27.
[37]张国华,何峰,谭巨刚,等.瞬态面波法在工程地质勘察中的应用[J].华南地质与矿产,2006,4：58-60.
[38]白兰.物探方法在污染场地中的应用研究[D].兰州：兰州大学,2008.36-29.
[39]李世峰.资源与工程地球物理勘探[M].北京：化学工业出版社.2008.
[40]何门贵,温永辉.高密度电阻率法二维反演在工程勘探中的应用[J].物探与化探,2002,(26)：156-157.
[41]李玲.盐渍土电阻率特性研究[D].兰州：兰州大学,2012,26-45.
[42]杨峰.岩溶地区路基病害勘察技术及处理方案研究[D].湖南,中南大学,2004,56-79.
[43]李文军.北石窟寺地下水与石窟岩体潮湿渗水的关系及地下水治理措施[J].敦煌研究,2006,04：109-114
[44]王逢睿,肖碧.甘肃北石窟寺第165窟岩体稳定性分析研究[J].敦煌研究,2011,06：232-238.
[45]任建光,黄继忠,石云龙,等.地球物理电法勘探技术在云冈石窟保护中的应用[J].山西大同大学学报,24(5)：94-95.
[46]李耀刚,靳洪晓,彭涛,等.物探新技术在云冈石窟防水保护勘察中的应用——2005年云冈国际学术研讨会论文集(保护卷)[C].北京,文物出版社,2006：253-254.
[47]王延涛.瞬态瑞利波法在秦峪滑坡勘查中的应用[J].兰州大学学报(自然科学版),2007,43(2)：25-26.
[48]康燕玲.水泥土防渗墙无损检测方法的研究[D].天津：天津大学,2005.
[49]崔凯.交河故城台地土体结构面的面波探测方法初步研究[J].敦煌研究,2007,5：74-77.
[50]林茂炳,赵不忆.大同云冈石窟岩石风化调查报告[R].1964.
[51]黄继忠,云冈石窟主要病害及治理[J].雁北师范学院学报,19(5)：57-58.
[52]吴宝燕,张爱国,朱丽君,等.云冈石窟水害及其治理措施[J].地下水,30(3)：116-118.
[53]黄继忠.云冈石窟地质特征研究[J].文物保护,2002,91-95.
[54]黄继忠,袁道先,万力等;水岩作用对云冈窟石雕风化破坏的化学效应研究[J].敦煌研究,124(6)：59-60.
[55]傅志斌,彭涛,李耀刚.云冈石窟石雕风化保护的渗水机制分析——2005年云冈国际学术研讨会论文集(保护卷)[C].北京：文物出版社.2006：192-195.
[56]谭峰屹,王新志,林祖锴.岩土工程中的无损检测技术[J].路基工程.2010,(1)：25-26.
[57]董浩斌,王传雷.高密度电法的发展与应用[J].地学前缘.2003,10(1)：172-173.