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北京孔庙砂岩类进士题名碑风化研究

时间:2015-2-27 9:57:58
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何海平

    北京孔庙进士题名碑作为研究古代科举制度的文献资料,具有重要的意义。现存的进士题名碑共有198通,其中元代3通,明代77通,清代118通。197通矗立在孔庙前院碑林,而明景泰五年(1454年)的进士题名碑没有放置在碑林。这197通石碑中最早的元代石碑已经有700年的历史①,最晚的也有100多年。随着岁月流逝,长时间的风化作用,这些不可移动的露天文物肯定会受到影响。而现代工业的发展,大气中污染物增多,北京一直以来酸雨频繁,对它们损害更大。为了更好地保护这些珍贵文物,在专家的建议下,这197通石碑上面采用遮雨棚覆盖,以阻挡雨水对石碑的冲刷。这在一定程度上减缓了进士题名碑的风化,但不能从根本上解决石碑的风化问题。因此进士题名碑仍处在风化的环境中,病害较严重。
    这些石碑中有13通的材质为砂岩,风化也非常严重,尤其是近50年来风化速度明显加快。这些砂岩进士题名碑主要存在裂隙、起翘和片状剥落等病害。裂隙是一种轻度风化,裂隙发展后就会导致表面起翘,表面起翘后如果不加以控制就会片状剥落。而一旦片状剥落后,石碑表面的历史信息就将荡然无存,导致文物的价值大大降低,所以石质碑刻类文物发生片状剥落说明病害非常严重,亟待保护。一般认为,砂岩作为沉积岩,耐风化性能较好,但北京孔庙砂岩类进士题名碑风化却比较严重。因此为了保护这些砂岩类石碑,对其进行风化研究非常有必要。根据现场调查,选择了矗立在孔庙第一进院落西南角的咸丰十年(1860年)的进士题名碑基体和风化区域进行分析,试图研究其风化原因。
    一、 试验方法
    1.采样方法
    图一至图四为北京孔庙编号为49号咸丰十年进士题名碑正面、背面、左侧面、右侧面照片。根据石材的外观和表面情况判断为粉砂岩材质,整块石碑有污染、起翘、片状剥落等病害,风化严重,为比较典型的自然风化状态。其表面有大块的黑色夹杂区(如图五所示),夹杂区的岩体呈片状剥落(如图六所示)。从图五和图六可以看出,夹杂区域风化比石碑整体风化严重。这一现象在砂岩类进士题名碑中比较少见,因此本研究对此碑进行详细分析。

    对石碑的底座、基体以及各风化区域采样,采用X射线荧光分析仪和X射线衍射仪对这些样品进行分析。共在底座、基体及各风化区域的不同部位上采集了6个样品,表1为具体的样品编号及采样部位。

    采样方法是使用手术刀轻刮采样部位,将样品袋打开放在手术刀下面,这样手术刀刮下的粉末就会掉入样品袋中。这种采样方法既能保证文物不受到损害,又能保证样品量能达到检测标准。

    2.分析方法
    X 射线荧光能谱仪:仪器为日本掘场XGT-5000II型X射线荧光能谱仪,仪器工作管电压和管电流分别为30kV和1mA。
    X 射线衍射仪:采用Rigaku D/max 2200型X射线衍射仪对这些样品进行分析,仪器工作管电压和管电流分别为40kV和40mA,Cu靶。发散狭缝、防散射狭缝和接收狭缝分别为1 ° 、1°和0.15mm。

    二、结果与讨论

    表二为49号进士题名碑的元素成分及含量。从表二可以看出此石碑所含元素较多,其中钙、铁、铝、硅、钾含量都较高,硫含量值得关注。同一块石碑上的硫含量从6%到0.8%,变化幅度最大,超过别的成分的变化幅度,说明硫并不是石碑本体的成分,而是石材与环境发生反应后增加的成分。49-5号样品为石碑本体,其硫含量为1.8%,49-6号样品为底座本体,其硫含量为0.8%,都在1%左右,是比较低的值,说明本体的硫含量都较低。而49-1为本体表面刮下的粉末,这是与环境反应最剧烈的地方,硫浓度高达6%。根据X射线荧光能谱仪分析结果可知,硫浓度的升高是石碑与环境反应的结果,这说明硫主要来自于环境中。而环境中的硫主要是以二氧化硫、三氧化硫等气体存在,遇到雨水后变成酸雨,有很强的腐蚀性。

    表三为49号进士题名碑样品的X射线衍射分析结果。从表三可以看出本体表面刮下的风化产物成分为石英、石膏和钠长石,底座下的发白粉末成分为方解石、石英、硬石膏、石膏、钠长石、云母,夹杂区域表面片状剥落的黑皮成分为石英、石膏、云母,夹杂区域绿色表面成分为石英、绿泥石、石膏、钠长石、云母,石碑本体成分为石英、钠长石、云母、褐磷铁矿、方解石,碑座本体的成分为石英、云母、钠长石、方解石。从以上结果可知49号石碑本体为砂岩,主要成分为石英,另含有少量云母、长石、方解石等杂质或填充物。根据这些结果可以看出,元素硫主要以硫酸钙的形式存在,而石碑本体和基座本体都没有石膏的成分,这说明硫酸钙是环境与石碑发生反应带来的。
    本体上有大片的含有绿泥石的区域,明显与石碑主体不同。从其成分对比可以看出,这些显示绿色的区域与基体成分的差别主要是在这个局域有绿泥石,这说明第49号进士题名碑的绿色夹杂物主要为绿泥石。绿泥石的颜色为绿色,其化学组成可表示为Y3(Z4O10)(OH)2•Y3(OH)6,晶体属单斜、三斜或正交(斜方)晶系的一族层状结构硅酸盐矿物的总称。化学式中Y主要代表Mg2+、Fe2+、Al3+和Fe3+等金属离子,在某些矿物种(如镍绿泥石、锰绿泥石、锂硼绿泥石等)中还可以是Cr、Ni、Mn、V、Cu或Li等元素;Z是Si和Al,偶尔可以是Fe3+或B3+。从绿泥石的化学组成可以看出,绿泥石是一种碱性矿物,非常容易与酸发生中和反应,生成盐,所以绿泥石特别易于受到酸雨的侵蚀。
    一般认为,物理作用是导致石质文物风化的重要原因。②雨水、冷凝水或地下水通过微孔进入石材,随着温湿度的变化,石材的体积反复收缩或膨胀,其应力可造成石材的裂损,尤其是长期处于潮湿环境且日夜温差较大的室外石材。对于北京孔庙内材质为砂岩的进士题名碑来说,在室外存放,且北京的昼夜温差大,冬天室外的气温都在0℃以下,极易引起冻损。这些物理作用会对进士题名碑有一定的影响,尤其对于砂岩影响大,因为其孔隙较大,更容易受到环境影响。但物理作用应该是一种均匀的破坏作用,且风化速度比较慢,无法解释石碑风化速度加快的问题。
    从以上检测结果可以看出,石膏成分在49-5和49-6两个样品中不存在,而这两个样品分别是石碑基体和基座基体。基体中不存在石膏,而所有风化样品中都含有石膏,说明石膏是风化产物。石膏的主要成分为硫酸钙,硫酸钙中含有硫酸根,硫酸根主要是空气中的酸性气体二氧化硫氧化后与碳酸盐反应而得到的,这与陆寿麟等先生研究的故宫汉白玉风化作用相同。③碳酸钙与二氧化硫反应的化学方程式如下:
    2CaCO3 + 2SO2 + O2 =2 CaSO4+2CO2↑
    砂岩的主要成分为石英、长石、云母等,这些成分不易被酸侵蚀,但其胶结物为含有碳酸盐的方解石、白云石、绿泥石等无定形泥质材料④,与X射线衍射结果一致,非常容易与酸雨发生反应,生成石膏类产物,与石碑上残留的风化产物一致。这些胶结物风化后,砂粒之间缺乏胶结物质,导致粉化剥落。绿色夹杂物区域岩体呈片状剥落,对石碑整体影响较大。绿泥石作为碱性矿石,遇到酸雨发生酸碱中和反应,且比碳酸盐的溶解反应更容易,这就是绿色区域风化更严重的原因。根据X射线衍射分析结果与X射线荧光分析结果,以及关于酸雨对碳酸盐和碱性矿石的侵蚀作用,可以断定砂岩进士题名碑风化的主要原因就是酸雨的侵蚀。
    三、结 论
    一般来说,大理岩石碑受酸雨的影响较大,因为大理岩主要是由碳酸盐组成,如方解石是由碳酸钙组成,白云石是由碳酸钙和碳酸镁组成⑤,碳酸盐遇酸雨后会分解,所以大理岩最容易受到酸雨侵蚀。砂岩的主要成分为石英、长石等硅酸盐类材质,本身并不受酸雨的影响,但其胶结物的成分可能会与酸雨发生反应。如果其胶结物是碳酸盐类或碱性物质,非常容易与酸雨发生化学反应,使胶结物方解石、白云石、绿泥石等失去粘性,导致石英、长石等颗粒粉化剥落。根据对咸丰十年(1860年)进士题名碑的分析可以看出,这块砂岩石碑的胶结物主要是方解石,夹杂区域主要是绿泥石,因此正是酸雨导致了咸丰十年进士题名碑的加速风化。自环境污染加重以来,有的砂岩石碑风化没有加速或者加速不明显,主要是因为其胶结物中碳酸盐或者碱性物质较少,所以酸雨对其破坏较小。综上所述,酸雨不但能导致大理岩类进士题名碑风化加速,也是导致砂岩类进士题名碑风化加速的原因。
    ① (清)文庆、李宗昉等:《钦定国子监志》,北京古籍出版社,1998年,第1102-1126页。
    ② 石玉成:《石窟文物病害成因分析及其对策研究》,《自然灾害学报》1997年第1期。
    ③ 陆寿麟、梁宝鎏、程昌炳:《故宫博物院中汉白玉构件风化研究》,《故宫博物院院刊》2001年第1期。
    ④ 成都地质学院、岩石教研室编:《岩石学简明教程》,地质出版社,1979年,第56-108页。
    ⑤ 张秉坚、陈劲松:《石材的腐蚀机理和破坏因素》,《石材》1999年第11期。

(作者为北京大学考古文博学院博士后)

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