龙门石窟保护与地学研究

绪论 石窟寺是雕凿在山体崖壁间的寺庙或僧舍，是模仿地面的佛寺建筑而建造，*初为释迦牟尼和弟子们坐禅静修的场所，俗称石室。中国是世界上开凿和保存石窟寺*多的国家，汉代以来，石窟寺从印度传入我国，历经千年开枝蔓叶、开花结果，*终遍布全国，其类型各异、数量众多、价值突出，约有上千处(1)，其中列入全国重点文物保护单位的石窟寺有91处［见表0-1，全国重点文物保护单位（石窟寺）统计表］。这些石窟寺赋存的地理环境差异较大，岩石性质、气候类型、水文地质条件等复杂多样，分散又相对集中，主要分布在新疆、甘肃、陕西、山西、河南、四川、重庆等地，成为我国文化遗产宝库中重要的组成部分和优秀代表。 表0-1 全国重点文物保护单位（石窟寺）统计表(2) 中国石窟寺分布广泛、规模宏大、体系完整、内涵丰厚、价值突出，是我国古代灿烂文明的集中体现，是中华文明同其他古代文明交流互鉴的历史见证。洛阳龙门石窟是我国北方三大石窟艺术宝库之一，具有重要的历史、艺术和科学价值，很多学者都为之关注倾慕，被其深邃的蕴涵和艺术魅力所吸引。历史上记载龙门石窟的著作有《水经注》《洛阳伽蓝记》《魏书释老志》等。近现代以来，国内外许多专家学者十分重视对它的研究，诸如北京大学阎文儒、宿白教授，中央美术学院王逊、金维诺教授，以及日本学者关野贞、常盘大定、水野清一、长广敏雄等，都曾到龙门石窟考察访问，从考古、历史、美术、佛学、雕塑等不同角度发表文章，著书立说，使龙门石窟闻名遐迩，蜚声中外。*早对我国石窟寺进行专业考察的近代中国学者当属梁思成、林徽因和刘敦桢先生，他们在20世纪30年代陆续前往云冈、天龙山、龙门、南北响堂山等地考察文物古迹，“在草丛里读碑碣，在砖堆间看菩萨像”(1)，梁思成先生尤其对龙门赞誉有加。 中华人民共和国成立后，陆续有地质学家苏良赫、水文地质学家王大纯、工程地质专家潘别桐、石窟保护专家黄克忠等先后考察云冈石窟、龙门石窟、敦煌莫高窟、大足石刻等重要石窟寺，关注到石窟保护方面的问题，并有专业解读和论述(2)。20世纪80年代以来，我国文物事业肇兴，科技保护成为基础前沿工作，历史、考古、宗教、雕塑、地质、水文、气象、材料等多学科成果交叉运用到石窟寺研究和保护中来，推动了我国文化遗产保护事业的蓬勃发展，从地学角度来研究石窟文物破坏机理和保护问题逐渐得到重视和深化。 1988年在希腊雅典召开古代文物保护国际工程地质学术会议，讨论的主题包括：历史遗迹和建筑名胜的工程地质维护；历史建筑名胜的工程地质与建筑石料；工程地质与考古学勘察；工程地质和历史过程中的灾害；环境地质与历史遗迹：古代环境地质、古地理、古水文、古构造等；古代工程活动中的工程地质：古代建筑中的地基条件和稳定性等(3)。可以看出，会议主题已涉及较深入的地学研究及其在历史遗迹和建筑遗产保护中的应用，尤其在建筑材料研究、工程地质应用方面都受到较多关注和重视。 中华人民共和国成立以来，我国石窟寺保护管理经历了70年的探索和发展，以敦煌莫高窟、大同云冈石窟、洛阳龙门石窟等大型石窟寺为代表，实施了较为系统的地质勘察、测绘、维修、抢险加固等工程，并对麦积山石窟、大足石刻、须弥山石窟、克孜尔石窟等进行了抢救性保护，有效改善了石窟寺保存状况，逐步实现了从“抢救性保护”向“抢救性保护和预防性保护并重”转变，在国际上处于领先水平。这些保护维修工程多以地形地貌调查、地质勘察为基础，通过地学理论与文物保护工程实践的综合应用，为我国文物保护工程设计提供了科学依据和示范作用。我国持续增加文物保护工程的资金投入和技术支持，在工程地质、水文地质、自然环境影响等基础研究领域开展了大量保护研究、方案设计和工程施工，充分体现了地质、工程、水文等地球科学知识在石窟保护工作实践中的必要性和重要性。 一、地学研究的对象和范畴 地学，即地球科学（Geoscience），自然科学六大基础学科之一，是一门研究地球系统（包括大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和日地空间）的过程与变化及其相互作用的自然科学，其研究范畴很广，涵盖地质学、地理学、气象学及其他衍生学科。今天所说的地学主要是指地质学和地理学的统称。其中，地质学（Geology）是地球科学的主要分支学科。 地学的研究对象是地球，其研究范畴和任务主要包括：地球的结构和构造；地球物质元素分布及其迁移富集规律与矿产资源；地质事件如地震、火山、海啸、褶皱、断裂等；预测和预防可能发生的地质事件。 其中，与石窟寺营造和保护修复关系密切的，主要包括岩石材料构成、岩土体的物质组成性质、岩体结构与稳定性、自然环境对石窟保护的影响、风化作用对石窟寺文物破坏机理等方面，目前已有相当广泛而深入的研究成果，并得到一定程度的实践检验。近二十年来，许多地质学家、地理学家把目光投入到文物保护领域尤其是石质文物保护工作中来，许多实验室正在研究石雕刻物质组成性质和保护材料加固效果的关系等，其研究结论与成果应用反映了石质文物保护与地球科学研究密不可分。尤其值得注意的，近些年国家文物局发布的《文物保护工程管理办法》《石质文物保护工程勘察规范》（WW/T0063—2015）是石窟寺等不可移动石质文物病害调查和保护修复工作的重要依据，规范中的勘察办法和标准重点沿用了工程地质学领域的理论、方法和技术；《石质文物岩石材料劣化特征及评价方法》(1)，是近年来石质文物保护领域比较重要的一个研究成果，其中关于岩石材料劣化的分类、描述和定性定量评价方法和系统，具有较大的创新性和应用性，值得学界关注和推广。 二、地学研究方法及研究意义 地球科学的研究方法建立在地球的基本特点之上，即空间的广泛性与微观性、时间的漫长性与瞬间性、过程的复杂性与有序性，其研究方法中与石窟寺保护修复关系密切的主要包括以下三个方面。 （1）野外调查。野外调查是自然科学工作*基本、*重要的环节，能获取研究对象的**手资料，例如野外地质、水系水文、自然地理、植被土壤、资源环境等信息。其中，岩石、水、植被、生物等环境因素对石窟雕刻的保存影响较大，需重点调查或开展专题调研。 （2）仪器观测。仪器观测是地球科学用来获取研究对象的定性和定量数据的重要手段，通过仪器观测了解对象的物化性质、参量的静态特征和动态变化，为分析、推理提供科学依据。近几年来在国家文物局的重点支持下，龙门石窟建立了较为全面的监测系统，可对洞窟内外微环境要素（温湿度、渗漏水量、裂隙位移、光照强度、降水量、地下水位、大气污染物浓度等）进行实时、连续、动态监测和预警保护，并实现了同国家文物局世界文化遗产监测平台的对接、传输与数据共享。 （3）实验室分析、测试与科学实验。这是地球科学各门学科普遍采用的研究方法，主要是从研究对象中取得各种样品或标本，进行实验室分析、测试，获取物质成分、结构、物化性质等定性定量资料，并通过科学实验分析、模拟和推断其形成、演变过程和发展趋势。实验室分析是石窟寺保护修复研究的基础和手段，对获取石窟岩体物质组成、理化性质，模拟分析岩石腐蚀、冻融等石窟病害形成机理以及保护材料防治效果等方面具有重要作用。 地球科学是人类在实践和应用中逐渐发展起来的，因此，其研究应具有重要的实际应用意义。在生产建设过程中，需修建一些大型工程设施，如公路、铁路、港口、水坝、核电站等，为确保其安全、正常运转，首先必须应用地质学的研究进行地基选址与场地稳定性评价，弄清场地地质条件，避开不利因素。这在文物古建和石窟寺保护中也有重要的借鉴意义。 有关自然环境的利用、改造和管理研究，首先要进行定性评价，地理学是定性评价的主要依据，在自然资源和条件的评价（对龙门石窟及其周边区域的地理环境、地质地貌、山川水文条件的评估）、人类影响地理环境所引起的变化预测（如两山植树造林，伊河橡胶坝蓄水形成人工湖面，周边生产水泥、开采煤矿、抽取地下水等）、环境的合理地域组织、区域经济结构的优选等方面的应用发挥了重要作用。 三、石窟寺保护与地学问题的关系 今天的石窟寺保护工作，除了安全保卫、防止盗窃和杜绝人为破坏，主要是防止自然因素对石窟的侵蚀破坏，即科技保护工作。一千多年来受自然环境侵蚀作用的影响，石窟造像风化、剥落、溶蚀等现象严重，岩体开裂、变形、崩塌等病害屡见不鲜，因此，研究自然因素对石窟的破坏机理，设计防治技术和方法，采取维修加固措施，是石窟科技保护研究的核心任务。石窟寺病害治理和综合保护工程大多是多学科交叉应用的结果，涉及地质学、地貌学、岩体力学、水文地质工程地质学、土木工程学、环境科学、生物学以及探测技术等多个学科领域。在这些科研领域里，地学方面的问题联系十分紧密。 归纳与石窟保护相关的地学问题，发现集中在岩石学、地貌学、构造地质、工程地质、水文地质、气象气候以及植物地理等方面。其中，地貌和岩石条件对石窟的选址、开凿具有基础性作用，构造、气候、水文、生物等因素对石窟石刻病害形成及保存利用具有重要影响。 开凿石窟需要一定的岩石空间，需要能形成直立陡壁的特殊地貌环境。一般而言，丹霞地貌、喀斯特地貌和河谷地貌容易形成陡峭崖壁。我国许多著名石窟均位于丹霞地貌环境中，如甘肃的麦积山石窟、炳灵寺石窟、北石窟寺、马蹄寺石窟，宁夏的须弥山石窟，陕西的万佛洞、大佛寺，四川的大足石刻、广元千佛崖造像、乐山大佛，云南的剑川石窟等，多分布于西北和西南地方。总结发现，我国石窟寺大多开凿在依山傍水的崖壁上，岩体完整性较好，地层产状多接近水平或缓倾状。 岩石是地貌发育的基础，岩石性质*能反映石窟与地学的关系。在一定的地貌条件下，只要岩石具有良好的可雕性、可塑性和稳定性，就适宜开凿石窟。我国大多数石窟开凿在红砂岩、砾岩、石灰岩、砂砾岩、泥岩等山体中，前四种岩石是开凿石窟的主体。可见，石窟的开凿对岩石具有明显的选择性，其地域分布与相关岩层分布的区域地质特征联系密切，例如砂岩类石窟多分布于甘肃、宁夏、四川等地，而灰岩类石窟主要分布于华北、华东和华南地区。 同时，岩石类型和性质对于石窟造像艺术、风格也有直接影响。比如壁画彩塑类石窟，多开凿于成岩性质不佳的半胶结状砂砾岩中，其岩层松散粗糙，不宜精雕细凿，也不宜“石胎泥塑”等技法，以敦煌莫高窟为代表。石胎泥塑类石窟，多开凿于红色砂砾岩中，如麦积山石窟保存了19个朝代的泥塑。精雕细刻类石窟，开凿于砂岩、石灰岩中，岩石性质均一性好，适宜精雕细琢，以炳灵寺石窟、云冈石窟、龙门石窟等为代表。 石窟保护更与地学关系密切，绝大多数石窟造像出现的病害都来源于其地质环境和自然环境。由于地质病害影响，众多石窟出现边坡失稳、溶蚀风化、裂隙渗水等问题，安全受到威胁。另外，人类工程活动会加剧地质病害，有的还直接威胁石窟安全，比如在石窟附近修建铁路、公路、工矿企业、水库等，会加剧裂隙扩张，抬高地下水位，改变窟区微环境特征，致使石窟造像艺术品遭受破坏。也有因附近开采煤矿降低地下水位，造成石窟景区泉水断流、景观破坏的现象，本书第七章即介绍龙门石窟泉水断流及复涌治理问题。 因此，只有从地学研究入手，找出地质病害的形成机理，才能制定行之有效的保护措施。如四川大足北山、宝顶造像出现神佛“淌汗流泪”，危害文物，从地学研究查明是石窟开凿在侏罗纪砂岩中，处于背斜构造轴部，受张力影响，产生垂直裂隙，成为地下水渗流通道。找到原因后，实施了平洞治水工程，治好了北山石窟的“淌汗症”(1)。 石窟寺及石刻的物质载体是各类自然岩石，其性质、组成、地质年代不同，经风化、侵蚀后的形态特征亦不尽相同，甚至有特殊表现。比如云冈石窟砂岩中含长石成分，胶结物中以碳酸钙为主，长石易风化，碳酸钙易溶解流失，造成云冈石窟砂岩风化松散(2)。龙门石窟属于石灰岩，易溶解，洞窟造像的溶蚀问题比较突出，甚至出现大中型规模的溶洞发育，给石窟造像安全和崖壁边坡稳定带来威胁。 地形地貌学研究对于石窟寺开凿与保护均关系密切。其相关理论为古代大型建设工程的选址、布局、设计和施