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0 引言
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云冈石窟开凿于北魏王朝（公元460年），位于山西省大同市城西约16 km处，东西绵延1 km，现存主要洞窟45个，大小窟龛252个，造像51 000余尊，为中国规模最大的古代石窟群之一。1961年被国务院列为全国重点文物保护单位，2001年被列入《世界遗产名录》。2020年5月11日，习总书记视察云冈石窟时做出指示：云冈石窟是中华文化的珍宝，是多元文化汇聚的世界文化遗产，保护好云冈石窟，不仅具有中国意义，而且具有世界意义[1]。
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云冈石窟石质文物的风化是普遍存在的，这也是文物保护的关键性问题。岩石的风化分为物理风化、化学风化和生物风化。在云冈石窟主要包括物理风化和化学风化。物理风化是指受环境的温度、湿度的影响，岩石颗粒物质间的联结被破坏，逐渐成为松散破碎状态，随着破碎程度的增加，岩石的密度、比重减小，而孔隙度、表面积增加；化学风化是指岩石在水或水溶液的化学作用下，发生化学变化并生成新的矿物成份[2]。相对于较新鲜的砂岩，风化严重的砂岩是由于胶结物及岩石的风化，造成微观结构松散，导致片层间有较大的空隙，从而造成宏观上岩石强度下降，同时为水的储存提供了空间上的条件。水对云冈石窟的危害是普遍且严重的，其与岩石长期而缓慢的相互作用是石窟艺术品遭受风化破坏的主要原因，它通过各种裂隙渗入窟内，并以多种形态进入砂岩内部孔隙，促使石质文物遭受风化[3]。
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早在20世纪60年代云冈石窟的保护人员就开始了对石窟风化的研究，并对于风化程度的检测使用了很多方法。本综述以云冈石窟的物理和化学风化检测方法为核心，囊括了近几十年内曾使用过的重点检测方法，并全面分析每种检测方法的原理、优势和局限性，为云冈石窟保护提供便捷参考。
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1 云冈石窟风化现状
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云冈石窟的风化病害主要包括粉状风化、片状风化、带状风化、板状风化、表面溶蚀等，病害使石窟岩体的表层结构出现松散、脱落、开裂、石雕线条变浅、画面模糊等，严重影响了石窟的历史价值和艺术价值[4]。
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经历了1500多年的自然风化，导致云冈石窟所有的石雕有着不同程度的破坏。粉状风化和表面溶蚀病害使云冈石窟的外壁雕像几乎全部消失，而仅存的几片也是破烂不堪，如石窟的第16至19窟的外璧密布的小千佛已无法识别。片状风化、带状风化使得石窟出现风化裂隙，如石窟拱门前的列柱出现较深的裂隙，严重影响列柱结构的稳定性[5]。石窟的风化程度与各窟的位置密不可分，其中石窟窟内的风化程度不如窟外，而窟内的风化情况也不均一，后室较前室破坏严重，后室中、北壁相对东西壁更严重，东西壁较南壁—前后室界墙的内面更为严重，前室亦如此[6]。长时间的风化也导致石窟第14、15、16三窟的藻井剥蚀殆尽，甚至连一丝雕刻痕迹也不存在。石窟各窟主像也有一半左右受到较严重的风化破坏，除中部窟群的五华洞和昙曜五窟外，东西部窟群几乎无一完整主像。最为严重的是第14窟已全部损坏无可观之处。因此，为了石窟不再继续受到风化病害的破坏，石窟风化的检测已是势在必行。
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2 地球物理勘探方法
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地球物理勘探方法是一种有效的、成熟的现代地质探测技术，依据地下岩石所具有的不同地球物理性质而产生的不同物理场，接着利用仪器在地表将其测量并记录下来，最后进行分析研究，从而了解地下地质特征。多年来用于石雕检测的地球物理勘探方法[7]主要有：电法勘探、探地雷达、地震勘探以及井中物探等。依据云冈石窟不同岩石的物性和探测目的，在云冈石窟保护中采用了多种不同的勘探方法，探地雷达是使用最多的方法。
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2.1 利用电法勘探技术检测云冈石窟的风化深度
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电法勘探方法是地球物理方法中很重要的一种，它是以专门仪器探测地壳表层各种地质体的电场，从而判定水文地质及各种地质现象的一种勘探方法。其原理图如图1所示，通过接地电极在地下建立电场，以电测仪器观测，根据不同地质体存在时地表电场的变化，从而推断和解释地下地质体的分布和产状[8]。
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电法勘探是云冈石窟保护中使用最早和使用次数最多的一种技术，可以用来探测石雕的风化深度、岩石的裂隙程度以及含水层的分布等情况。1963年至1965年贾苓希和方玉禹[9-10]应用电剖面法研究了云冈石窟第16窟与17窟之间的立壁，发现立壁上存在一条45~50°角向西倾斜的风化裂隙，而且在研究贯穿第9、10窟窟顶裂隙发现，裂隙将第9、10窟前后室切开，使得前室具有坍塌的风险。1965年，方玉禹等[9-10]利用垂向电测深法研究了云冈石窟岩石风化厚度，他们认为强风化层厚度为25~30 cm，有的甚至达到40 cm，而风化较轻的岩面，风化层厚度达20 cm左右；1989年，钟世航等[11]采用电测C-1微测深仪在云冈石窟实测了岩面风化深度，图2给出了视电阻率ρs随深度变化的曲线，在电阻率突变处即为岩面风化的深度。
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图1 电法勘探原理图[8]
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Fig.1 Schematic diagram of the principle of electrical exploration
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图2 云冈石窟实测石雕风化深度电测深曲线[11]
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Fig.2 Electrical sounding curve of the measured weathering depth of stone carvings in Yungang Grottoes
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2.2 利用探地雷达技术探测云冈石窟的风化状况
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探地雷达[12]是近几十年发展起来的一种探测地下目标的有效手段，是一种无损探测技术，与其他常规的地下探测方法相比，具有探测速度快、探测过程连续、分辨率高、操作方便灵活、探测费用低等优点，在工程勘察领域的应用日益广泛。由于探地雷达探测的高精度、高效率以及无损的特点，目前主要被用于考古、矿产勘查、灾害地质调查、岩土工程勘察、工程质量检测、建筑结构检测以及军事目标探测等众多领域。因此，将其用于云冈石窟石雕的检测中也是石质文物无损探测技术的一次新的有益尝试。
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探地雷达工作原理[13]是利用高频电磁脉冲波的反射来探测目的体，它通过发射天线向地下或目的体发射高频宽带短脉冲电磁波，经过地下地层或目的体反射后返回地面，为接收天线所接收，如图3所示。电磁波在介质中传播时，其路径、场强与波形将随所通过介质的电性质及几何形态的变化而变化。因此，根据接收到波的行走时间、幅度与波形等资料，可探测地下介质或目的体的结构、构造及目的体的埋藏深度等。
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图3 探地雷达的工作原理[13]
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Fig.3 Principle of the ground penetrating radar
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因云冈石窟不同地方风化程度的差异，导致了石窟一些地方结构的不稳定，这对石窟的安全有很大的影响。第5、6窟是云冈石窟的精华洞窟，二者之间的岩壁上雕有精美雕刻，但其中部最薄处已经相通，一旦坍塌将造成毁灭性破坏。为了解整个岩壁的厚度分布情况和计算其稳定性，2005年方云等[14]利用探地雷达技术对云冈第5、6两窟之间岩壁的厚度进行了测定，预测出岩壁厚度为0.6~0.8 m，如图4所示。在岩壁水平方向上，表现出由中间向南北两侧逐渐加厚的趋势；在岩壁垂直方向上，表现出由中部向上下方向厚度逐渐增大；仅在几个大的龛窟部位，墙体厚度明显减薄。除了测试墙体的厚度，探地雷达也可用于石窟顶部裂隙发育区的调查。2003年至2004年，中国综合勘查研究设计院[15]在云冈石窟防水保护勘察中应用探地雷达结合地震勘探对石窟顶部裂隙发育情况进行了调查。这个研究结果为石窟窟顶防渗排水以及保护研究提供了重要的科学依据。
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图4 第5、6两窟之间岩壁的三维厚度[14]
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Fig.4 Three-dimensional thickness of the wall between Cave 5 and 6
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3 超声波技术
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超声波是一种频率在20KHz以上的声波，它具有方向性好，穿透能力强及易于获得较集中的声能，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。
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超声波[16]的运动学特性表现为在传播过程中具有一定的走时、传播速度和传播路径，若遇到两种不同弹性介质的分界面会出现反射、折射及波形转换现象，其射线方向会发生改变，因此，当超声波在岩体介质中传播时，遇到节理、断层、裂隙等不均匀带或不连续带时会出现反射、折射、透射和绕射等现象，进而就能够了解岩体内部的风化状况、裂隙分布及缺陷几何形态等结构特征。目前超声波检测技术在石质文物检测中常用透射法、反射法和折射法。而在云冈石窟病害检测中选用的是平面超声波透射法。原理[17]如图5所示。通过对得到的不同波形及首波声时、波速、波幅等声学参数的变化特征可分析判断岩石内部裂隙结构、位置和形状等。另外，还可以比较岩石处理前后超声波波速的变化，评价石质文物保护处理的效果。
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3.1 应用超声波技术检测云冈石窟的表层裂隙
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石雕的风化破坏与山体裂隙有着密切的关系，裂隙一方面直接威胁着石雕的安全，另一方面为上层滞水的渗入提供了输水通道。这样长期渗水，再加上其他因素，势必使石雕风化破坏日趋严重。
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图5 超声波检测原理示意图[17]
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Fig.5 Schematic diagram of the ultrasonic detection principle
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近年来，关于石雕裂隙检测的研究，超声波法展示了它独特的优势。2011年，姚远课题组[18]做了关于超声波法检测石雕裂隙病害的试验，充分证明了超声波法在检测裂隙的可行性和有效性。2021年，任建光等[17]利用超声波波数的等值线来判断石窟裂隙的位置，如图6所示，低速异常区域能清晰明显地反映裂隙位置及其延伸方向，邻近裂隙轴线位置等值线变化梯度可以定性确定裂隙相对深浅。在云冈石窟裂隙详细调查的基础上，超声波检测中的波速等值线能够很好地反映裂隙异常情况及特征，为云冈石窟文物的保护、修复提供技术支撑。
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图6 超声波波速平面等值线图[17]
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Fig.6 Plane contour map of the ultrasonic wave velocity
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3.2 应用超声波技术检测云冈石窟窟前列柱结构
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云冈石窟列柱不仅具有重要的文化价值，而且对于整个石窟来说是重要的受力部位。因此，列柱的稳定性是十分重要的，利用超声波技术检测石窟的风化情况是非常有意义的。
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2017年丁红玮等[16]使用DJUS-05非金属超声波仪对石窟的一些列柱进行了检测，通过对数据整理得到如图7的结果。通过观察图像可以看到：列柱的底部风化最为严重；列柱中部南侧及东侧表层风化为强风化，其余方向为中等风化；列柱的顶部，南南、南东、东东附近表层风化较为严重，均为强风化层，其余方向表层为中等风化。从整体的风化情况来看，石柱整体南侧风化较北侧严重，东侧风化程度较西侧严重，底部风化较顶部严重。利用得到的结果可以很清楚地了解列柱的稳定性，为列柱的保护与修复提供了重要的参考。
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图7 各个方向不同高度风化层剖面成图[16]
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Fig.7 Cross-sections of weathered layers with different heights in all directions
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4 太赫兹光谱技术
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太赫兹（THz）波是频率在0．1~10 THz范围的电磁波。当太赫兹波通过样品时，如果太赫兹频率与样品分子的振动和旋转频率一致，就会发生共振吸收，且这些特征吸收峰谱是唯一的。因此，太赫兹光谱可以鉴别不同的物质。太赫兹光谱技术还具有快速、无损、灵敏度高、无接触、信噪比高等优点。鉴于太赫兹波的特点，使得太赫兹光谱技术在材料、生物、安全、通信及成像等科学领域有着巨大的应用潜力。
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THz时域光谱系统（THz-TDS）是同步相干探测，对背景噪声不敏感，具有很高的信噪比，可以对物体进行无损、非电离和高灵敏度的光谱测量。THz技术于1998年开始应用在文化遗产的保存和分析领域，Koch等[19]证实了太赫兹成像作为分析树木年代的有效技术途径。此后，太赫兹光谱、太赫兹成像技术逐渐在文物材料分析、无损检测方面得到应用[20-24]，其中对云冈石窟风化物的THz光谱、空鼓病害检测等具有很大的研究意义。
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4.1 太赫兹光谱技术分析石质文物的风化程度
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2011年，杨成全等与首都师范大学太赫兹波谱成像教育部重点实验室合作[25]，首次将太赫兹技术应用于我国文化遗产物质分析。他们[25-26]利用THz-TDS（图8）对云冈石窟岩石样品进行了透射光谱测试，并依据太赫兹吸收谱特征对石柱、降尘和新鲜岩石三种样品进行区分；同时通过比较石窟内外风化石雕样品光谱吸收谱线和折射率，定性地鉴别不同云冈石窟石雕风化程度。2015年，孟田华等[27]同样利用THz-TDS对云冈石窟进行光谱测量，建立了一套基于石窟样品的太赫兹透射光谱的SVM模型，可以很好地预测石窟的风化程度，为云冈石窟的修复提供重要参考。
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图8 THz-TDS实验装置示意图[25]
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Fig.8 Schematic illustration of a THz-TDS experimental setup
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利用THz-TDS对云冈石窟岩石样品进行透射光谱测试如图9~11所示[26]。可以看到，在低频段由各石窟内部所采集样品的透射系数均大于外部采集样品的透射系数，而在高频段则由石窟外部所采集样品的透射系数则大一些。原因在于它们都经过1500多年的自然和人为的不良作用及环境有害因素的侵蚀，都产生了严重的风化破坏，但是由于风化的程度及受破坏的情况不同，便导致了石窟内外所含物质的性质改变不同，因此石窟不同部位所采集的样品在不同频段的透射情况也会不同。
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文献[26]中，同样也利用THz-TDS对云冈石窟岩石样品进行吸收系数谱和折射率谱测试。结果发现：在THz波段，不同样品的折射率曲线有明显不同，但同一样品的折射率变化不明显。石窟内部样品的折射率明显大于石窟外部样品的折射率。折射率的差异是样品中成分不同所造成的，可以根据不同的折射率值将不同石窟的风化石雕样品区分开来，进而推广到定性鉴别不同的云冈石窟石雕风化物，为云冈石窟治理工作提供THz波段的可靠光学参数。
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图9 云冈石窟第4窟砂岩的透射系数谱[26]
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Fig.9 Transmission coefficient spectrum of sandstone in Cave 4 of Yungang Grottoes
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图10 云冈石窟第9窟砂岩的透射系数谱[26]
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Fig.10 Transmission coefficient spectrum of sandstone in Cave 9 of Yungang Grottoes
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图11 云冈石窟第38窟砂岩的透射系数谱[26]
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Fig.11 Transmission coefficient spectrum of sandstone in Cave 38 of Yungang Grottoes
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4.2 太赫兹光谱技术检测空鼓病害
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空鼓病害[28]通常是指某区域存在明显鼓起并伴有由剪应力释放导致的裂隙，具有潜在危害大、肉眼难以识别等特点。在石质文物病害的诸多类型中，空鼓病害是非常典型的病害之一，其主要表现为石层中间出现空气层，导致完整的石壁变成了由前壁石层（露天）—空气层（空鼓）—背底岩石三者构成的空鼓病害结构。当空鼓厚度达到一定的程度，在温度变化较大或者受力不均匀时，前壁石层很容易产生裂缝而自然脱落，危害性极强。因此，对空鼓病害的情况进行及时评估，防止进一步劣化是非常重要的。通常空鼓病害的检测可以利用太赫兹的成像技术进行分析和研究[29]，图12给出了检测空鼓的太赫兹成像技术原理示意图。
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图12 检测空鼓的太赫兹成像技术原理示意图[29]
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Fig.12 Schematic diagram of the THz imaging technology for testing of hollowing deterioration
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2020年，孟田华等[29-30]利用THz-TDS对不同厚度的空鼓病害样品进行了检测，提取了每个病害样品的THz光谱特征数据作为训练和检测样本，建立空鼓病害的SVM回归预测模型，对空鼓病害进行有效的检测和评价，可以为石质文物的修复和防护提供可靠的病害检测数据。
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5 VIS/NIR高光谱成像技术
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高光谱成像技术是一种先进的无损检测技术，能够获得检测样本丰富的物理和化学信息，同时捕获空间图像和光谱信息，被广泛应用在不同研究领域中。
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在高光谱技术发展中，在矿物勘探、森林植被划分等方面有所应用，并获得成功。将高光谱成像技术用在检测大型石质文物风化状态，为石质文物的保护修复工作的提供了重要技术支持。
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云冈石窟的风化方式主要有两种，片状风化和粉状风化，其中粉状风化比片状风化多。粉状风化是由岩石表面物质变化导致的，不同的风化程度表面的物质也不尽相同。高光谱成像技术是根据不同物质的光谱反射率以区别不同区域的风化程度。2012年，周霄等[31]利用高光谱成像技术测得云冈石窟不同粉状风化程度砂岩的光谱数据，然后以此为依据对云冈石窟环境下砂岩的风化程度进行分级光谱识别，建立了一套可以识别多级砂岩粉状风化的模型，为石窟开展相关预防性保护提供了重要参考。
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6 核磁共振T2谱技术
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核磁共振是一种基于物理学原理的医学常用的检测技术。随着科技手段的迅速发展，核磁共振技术日渐成熟，而低场核磁也被人们应用到岩石物理的研究上。
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岩石的孔隙尺寸及其分布是表征岩石力学、水理性质等重要参数。同种岩石，其孔隙率越高或者孔隙分布越大，则表示岩石的力学和水理性质越差。因此，借助孔隙率及孔隙分布状况，可表征同种岩石的风化情况。核磁共振T2谱分布与孔隙结构有直接关系，其通过获得岩石的毛管压力信息，进而获得样品的孔径分布信息。与传统的利用实验室岩芯分析毛管压力曲线测量相比，核磁共振T2谱技术测量更加快速、方便且损耗性小[32]。2013年，周华课题组[33]利用核磁共振T2谱技术得到的云冈石窟岩石剖面的孔径分布情况，如图13所示。
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图13 岩石剖面T2孔径分布[33]
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Fig.13 T2 distribution of the stone profile
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可以看到，从岩石表面到岩石内部，孔径分布总体左移、趋于减小并在9 mm深度处达到稳定；在9~12 mm深度岩石只有一类小孔隙；在岩石剖面6.5 mm深度内，岩石出现一类大孔隙，可以判定这类大孔隙是由风化造成的；7~8.5 mm深度孔径位于两类孔隙之间，应为T2反演造成，是这两种孔隙的综合反映。由此可以得出，风化岩石的新鲜层只有一类小孔隙，弛豫时间约为2~6 ms，风化层岩石有大孔隙生成，从岩石内部到岩石表层，孔径分布右移，呈现不断增大的趋势，这与石窟实际的风化情况是一致的。据此可将孔隙率和孔隙半径变化作为风化程度强弱的指标。
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7 扫描技术
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7.1 扫描电镜技术
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扫描电子显微镜，简称扫描电镜（SEM），不仅具有分辨率高、成像直观、放大倍数范围宽等特点，而且具有可测样品种类丰富、损伤小及可获得形貌、结构、成分和结晶学信息等优点[34]。将SEM技术应用到云冈石窟检测，利用它的优势可为石窟的保护提供重要的技术参考，其在有关岩石的研究中已有许多进展。蒋博文等[34]利用SEM观察页岩的微观孔隙，识别不同孔隙的特征，根据不同的特征将孔隙分类；孙寅森等[36]使用图像分析软件提取页岩SEM图像中孔隙的定量信息，分析了分形维数、有机质含量、矿物成分、孔隙度的相关性；唐朝生等[37]计算了多个SEM图像对应土体的表观孔隙率，研究了阈值大小、分析区域大小、扫描点位置、放大倍率等因素对土体微观结构的影响。
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石窟文物有效保护的重要基础是有关风化作用、岩石微观结构、岩石微观渗流特性定量关系的研究，砂岩风化作用对岩体上石窟文物的有效保护具有严重影响。2021年，汪军等[34]利用SEM技术得到云冈石窟砂岩SEM图像数字特征参数与风化程度密切相关的结论（图14），这为表征石窟的风化程度提供了一种新的思路。
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图14 不同窟砂岩样本的SEM图像[34]
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Fig.14 SEM images of sandstone samples from various grottoes
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7.2 三维激光扫描技术
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三维激光扫描技术是一种方便、快捷、高效的技术，可以用于研究石质文物的风化剥落深度。研究岩石的风化剥落深度对了解石质文物的风化有重要的意义，由所获得的岩石风化剥落深度可以评价和预测风化程度与抗风化能力。传统的风化剥落深度的检测技术（卡尺和量规、印模材料、横条孔式钢针和孔板式百分表测量技术）具有低分辨率、低精度并且易损坏样品的缺点，而三维激光扫描技术具有非接触无损测量、数据采样率高、主动发射扫描光源、高分辨率和高精度、数字化采集、兼容性好等优点。三维激光扫描技术是基于测绘技术发展起来的，它是利用激光测距的原理，可以瞬时测得空间三维坐标[38]。
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2012年，张中俭等[39]利用Surphaser-25HSX-SR三维激光扫描仪对云冈石窟15号洞窟西侧佛像进行测量，如图15所示。通过对测量结果分析发现，所研究的5尊佛像中，风化剥落深度较大的点位于岩壁左侧的两尊佛像及附近，而风化剥落深度较小的点位于中间及其右侧的3尊佛像及附近。造成上述风化差异是由于所处的微环境的差异，这种差异可能与洞外壁面所接触到的阳光、雨水、风等导致风化的环境因子有关。相关研究为制定云冈石窟物理防风化的措施提供了理论支持。
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图15 三维激光扫描仪的测量结果及拟分析的三条剖面线[39]
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Fig.15 Measurement results of a 3D laser scanner and three profile lines to analyze
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8 环境磁学
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环境磁学[40]是20世纪80年代发展起来的一门介于地球科学、环境科学和磁学之间的新兴学科。它通过研究环境物质的磁性特征，探索磁性矿物在环境系统中的迁移、转化和组合规律，从而得到物质的重要信息。近年来也被应用于与岩石风化相关的研究[41-43]。风化深度是石窟等石质文物稳定性、耐久性评价和保护方案制定的重要依据之一。它不仅是判定哪一部分发生风化、材料性质发生变化的依据，同时还是计算风化速度、判定风化程度和确定石窟等石质文物加固方法与加固深度的依据。2013年，任建光等[44]利用SM-30便携式磁化率仪在现场对云冈石窟龙王庙沟西侧崖壁砂岩新鲜中粗砂岩、片状风化砂岩进行测试，然后使用EXCEL2003软件进行数据分析统计得到了云冈石窟片状风化砂岩现场无损测试磁化率频率分布曲线图，如图16所示。
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图16 云冈石窟片状风化砂岩现场无损测试磁化率频率分布曲线[44]
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Fig.16 Magnetic susceptibility frequency distribution curves of field nondestructive testing for flaky weathered sandstone in Yungang Grottoes
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通过对数据分析，发现云冈石窟片状风化砂岩在风化退质过程中磁化率值具有先升高后降低的特征，这种变化趋势为：弱风化阶段，磁化率低；中等风化阶段，磁化率最高；强风化阶段，磁化率较高，较中等风化阶段略有下降；全风化阶段，磁化率较低。定性的将云冈石窟片状风化砂岩风化程度分为5级，这为石窟文物保护者制定合理的防风化措施提供基础数据，具有重要的科学意义。
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9 材料表征技术
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随着科学技术的发展，越来越多的技术被用于文物保护的领域中，并且取得了很好的效果。材料表征技术可以通过分析石窟石雕的矿物成份、化学成份及元素组成、微观结构等，从而得到石窟的风化状况，为云冈石窟的保护提供了重要的数据。
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9.1 X射线衍射（XRD）
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XRD通过对石窟岩石进行X射线衍射分析，获得的衍射图谱与标准PDF卡片对比，从而定性地得到岩石的成份。
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在2011年翁履谦等[45]利用XRD得到石窟砂岩的主要为石英（SiO2）、高岭石[Al2Si2O5（OH）4]、微斜长石（KAlSi3O8），通过将新鲜砂岩与风化砂岩对比，发现石窟的风化是由于砂岩中的胶结物和长石风化导致的。2019年张世杰课题组[46]利用XRD和SEM-EDX（扫描电镜能谱仪）测定岩石的抗压强度和有效孔隙度，研究了云冈石窟砂岩样品的理化、力学性质和纵波速度。2021年张梦婷等[47]同样利用XRD对云冈石窟风化样品与新鲜岩样的矿物成分及化学成分的对比分析，得出云冈石窟砂岩风化前后的成分变化，得出云冈石窟风化产物。同年任建光等[48]利用XRD对云冈石窟进行了盐类矿物和硅酸盐矿物定性鉴定，结果发现云冈石窟表面的片状风化与砂岩碳酸盐含量高有关，粉状风化与石膏含量高有关，这对石窟的保护具有重要意义。XRD作为一种重要的材料表征技术，把它用在石窟的风化检测中，为石窟的防风化工作提供了关键数据，具有重要的科学意义。
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9.2 X射线荧光光谱（XRF）
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XRF分析具有高速、样品制备简单、无损或微损测量等优点，能够准确获得岩石的化学元素组成，为XRD的结果分析奠定基础。
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2004年苑静虎等[49]测得云冈石窟不同深度的化学成份比例，结果发现风化岩石相对新鲜岩石的K2O、Al2O3的含量高，而SiO2含量低，为石窟风化等级的分类提供了一种新的方法。2016年王颖红课题组[50]用XRF对云冈砂岩样品的化学成份进行分析，分析结果表明，样品中含量最高的为SiO2，其次为Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、K2O。因此，对于云冈石窟的风化检测可以通过对其成份的检测来表征，这也为表征石窟的风化程度提供了一种新的思路。
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9.3 近红外光谱（NIR）
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近红外光是介于可见光和中红外之间的电磁辐射波，波长范围为780~2 526 nm，是人们在吸收光谱中发现的第一个非可见光区。通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团（O—H、N—H、C—H）的特征峰信息，而且，由于近红外光谱技术具有快速、高效、准确、低成本以及不消耗化学试剂、环保等优点，因此该技术受到越来越多的青睐。
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一般而言，在云冈石窟的检测中通常使用近红外漫反射光谱法。2015年，Zhao等[51]利用傅里叶变换近红外光谱仪测量了云冈石窟样品的光谱，如图17所示，（a）图是实验室模拟的石窟样品的光谱，（b）图是实际样品的光谱。可以看到，实验室模拟样品的吸收带与实际样品基本相同。因此，实验室样品可以模拟实际的样品。最后通过偏最小二乘回归法将其傅里叶变换近红外光谱与结晶水含量相关联，建立了结晶水含量的近红外模型。该模型可用于对云冈石窟岩石进行现场检测，即可得到二水石膏的结晶水含量，对估计石窟的风化程度有重要意义。2019年，Yang等[52]利用近红外光谱研究了云冈石窟化学风化砂岩，发现其可用于检测泥质蚀变和方解石溶解。因此，砂岩的近红外反射光谱可作为化学风化长期监测的重要工具，同时为制定适当的环境保护政策提供有价值的参考。
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图17 云冈石窟样品的NIR光谱图[51]
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Fig.17 NIR spectra of a simulated sample (a) and a sample from Yungang Grottoes (b) in the whole NIR range
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10 总结与展望
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在云冈石窟的风化检测中，地球物理方法以其快速、简单的特性备受青睐，它也为早期石窟的修复提供了重要的技术支持。随着政府对石窟保护的重视，影响石窟风化的一些重要因素已经得到解决。同时，其他无损的检测技术脱颖而出，为石窟后期的保护工作提供了有力支撑。光谱技术作为一种现代成熟的科学技术，具有无损、高精度和范围广等优点，将其用于石窟的风化检测恰到好处，相关的研究也已取得许多进展。太赫兹光谱技术可将石窟内外两种石雕区分开并对石窟的空鼓病害实现检测。近红外光谱技术利用反射光谱可得到石雕中结晶水的含量，这对估计石窟的风化程度有重要意义。高光谱成像技术可根据不同物质的光谱反射率区别不同区域的风化程度。核磁共振T2谱分布与孔隙结构直接相关，通过获得岩石的毛管压力信息，以获得石窟样品的孔径分布信息，进而为判断石窟风化程度提供参考。除光谱技术外，其他技术也可用于石窟的风化检测。超声波技术可以检测石窟窟前列柱结构和石窟的表层裂隙；SEM技术可得到与风化程度密切相关的石窟砂岩数字特征参数；环境磁学对石窟风化程度的无损评价具有重要意义。材料表征技术通过对石窟岩石的化学成份的表征实现了对石窟风化程度的检测。这些技术的应用为石窟的风化检测提供了重要的理论指导。
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应用于云冈石窟的风化检测技术包括物理、化学等领域的技术，而各种技术对于石窟的风化检测的侧重点是不同的。如地球物理方法是用于检测石窟的风化深度、岩石的裂隙程度等；超声波技术是用于检测石窟表层的裂隙以及结构，太赫兹光谱技术是用于识别石窟不同的风化程度和检测石窟的空鼓病害；核磁共振用于检测石窟的孔隙结构，从而得到石窟的风化强度；各种材料表征技术是通过分析石窟石雕的矿物成份、化学成份及元素组成、微观结构等，从而得到石窟的风化状况。其中，有一些技术之间也存在相同的研究部分，电法勘探技术通过电场的判断来判断石窟的风化的深度，而XRF利用对石窟成份的表征来判断石窟的风化深度。电法勘探技术在对地下进行电场检测时，很易受外部电场的干扰，而XRF则是直接检测成份，因此，它对石窟风化深度的判断是更加准确的。
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目前，对于云冈石窟风化类型的分类没有统一标准，因此，有很多种技术根据检测的方式区分石窟的风化。如：太赫兹技术通过石窟样品的光谱吸收谱线和折射率的差异，定性地鉴别不同云冈石窟石雕风化程度；高光谱成像技术是根据不同物质的光谱反射率以区别不同区域的风化程度；扫描电镜通过云冈石窟砂岩SEM图像数字特征参数来分类石窟不同风化程度；环境磁学技术是利用云冈石窟砂岩的磁性特征来分类石窟的风化等级。但是，相比于太赫兹技术与高光谱成像技术，环境磁学的方法更加便携。前两种技术只能通过将样品放入实验进行测试，而环境磁学则可以进行现场测试，这将使云冈石窟的风化检测实现便捷以及低成本的优势。
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以上所述石窟风化检测技术均可在石窟保护中起重要作用，然而任何技术手段都存在一定的局限性。
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1）地球物理方法探测的精度不够且易受干扰，往往需要结合其他的物探技术进行探测。
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2）各种光谱检测技术和材料表征技术成本高、检测速度慢且局限于实验室并不适合现场检测。
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3）超声波技术精度低，仅能分析规则的形状。
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4）扫描技术检测成本较高且数据处理复杂。
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5）环境磁学精度低、局限性大。
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鉴于上述问题，在今后的工作中应重视技术的优势及局限性，力求寻找一种可以避其弊端的科学手段，以便更适用于云冈石窟风化检测。
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摘要
云冈石窟，作为我国规模最大的古代石窟群，是文化遗产的重要组成部分。由于年代久远，许多石质文物都遭受着严重的风化病害侵蚀，对其风化程度进行检测已经成为石质文物保护中的一项紧迫任务。随着检测技术的不断发展，石质文物风化的检测方法也越来越多，并且每种检测方法都有其侧重的检测目的和优势。本研究综述近几十年内曾使用过的重点检测方法，并分析每种检测方法的原理、优势和局限性，为云冈石窟风化检测和保护提供参考。
Abstract
Yungang Grottoes, the largest group of ancient caves in China, is an important part of cultural heritage. Due to its long history, many stone cultural relics have suffered from severe weathering diseases, and thus detection of their degrees of weathering has become an urgent task. With the continuous development of detection technologies, there are more and more detection methods for the weathering of stone cultural relics, and each method has its own detection purpose and advantages. This paper reviews the key detection methods used in recent decades, and analyzes the principles, advantages and limitations of each method, so as to provide references for the weathering detection and conservation of Yungang Grottoes.
Keywords
Yungang Grottoes ； Weathering detection ； Stone cultural relics
沪公网安备 31010102005301号