1、课题来源与背景 由黄继忠研究员、万力教授主持,云冈石窟研究院承担的“石窟水分来源综合探查技术研究”课题为国家“十一五”科技支撑计划项目“石质文物保护关键技术研究” 七个课题之一, 课题编号为2009BAK53B02。课题于2012年8月30日由国家文物局组织验收通过,项目于2012年9月24日由科技部社会发展科技司在北京组织验收通过。 本课题利用科技手段查明了云冈石窟围岩裂隙渗水和凝结水形成转化的规律,对石窟周边整体环境中的水分来源进行了综合探查,确定了降水入渗和大气中的水汽迁移转化过程对云冈石窟的影响,解决了以下几个方面的技术难点和问题: (1)解决了云冈石窟含泥岩夹层的砂岩裂隙连通导水的复杂问题。 (2)解决了洞窟内岩壁凝结水形成环境和凝结水量的监测问题,以及洞窟内部凝结水控制的技术。(3)调查及研究了石窟山体降水入渗和水分盐分聚散规律,开展了盐分在石窟岩壁的分布规律和破坏机理的研究。 (4)采用洞窟和钻孔中的温度、湿度、气流连续密集监测,开展了石窟山体水汽循环转化规律的研究。 2、技术原理与性能指标 在已有工程物探、水文地质测绘和水文地质勘探的调查资料的基础上,采用计算机空间建模技术,开发裂隙岩体三维导水通道模拟识别系统,形成三维导水通道模型;利用六氟化硫(SF6)混合气体钻孔压入技术,开展石窟渗水通道与规律研究。研究开发洞壁凝结水量的测量技术及石窟凝结水形成环境综合监测技术,探究洞窟内岩壁表面凝结水形成的环境因素,研发凝结水治理技术。调查及研究石窟山体降水入渗和水分盐分聚散规律,盐分在石窟岩壁的分布规律和破坏机理,为盐分治理提供科学依据。采用钻孔中的温度、湿度、气流连续密集监测,开展大气降水、空气中的水汽在气候因子驱动下的循环转化规律的研究。通过以上研究,最终形成石窟水分来源综合探查技术,为石窟寺防水保护和治理风化病害提供科学依据。 性能指标: (1)技术成果 形成一套基于地球物理勘探、水文地质勘查等技术的石窟渗水来源、凝结水的综合探查技术。 (2)研发石窟水份探查新装置3套:新型实用岩壁凝结水测量仪。控制石窟凝结水形成环境的装置。岩石盐分吸湿效应检测装置。 (3)论文、专著 完成专著2部(由文物出版社出版,已签订出版合同),专项报告4部,完成论文21篇,发表论文14篇。 (4)专利成果 获得国家专利1项(专利号:ZL2011 20012623.2),制定了《石窟凝结水环境监测规范(送审稿)》和《石窟水患综合探查规范(送审稿)》2项技术标准。 3、技术的创造性与先进性 (1)首次采用中国地质大学(北京)研发的Joint-OKY2裂隙分析系统进行三维裂隙网络模拟。 (2)首次采用六氟化硫(SF6)混合气体进行了石窟岩体示踪试验。 (3)首次应用探针气体吸附等温线法对云冈砂岩孔隙结构特征进行了研究。 (4)首次选择CO2、N2作为吸附剂,采用等温物理吸附的静态容量法对云冈多孔砂岩表面吸附渗透特征进行了分析。 (5)对以往开发的比较简单的凝结水测量装置进行了系统改造。 (6)采用无线传感网络技术作为实时、动态信息采集的手段,结合太阳能技术等构建了石窟区的环境监测系统。 (7)研发了文物保存环境无线远程控制除湿系统。 (8)首次采用硫同位素研究确定了云冈石窟区硫的来源。 (9)建立了第一个石窟山体水汽循环监测体系。 4、技术的成熟程度,应用范围与安全性 经过多年的研究实践,本课题该术成果现已成熟。可直接应用于类似石窟寺保护中水分来源的调查研究之中,同时也可应用于大型遗址保护等对水分要求严格的其他重要文物保护以及有关重要工程研究领域。在应用实践中,该技术成果安全可靠。 5、应用情况及存在问题 本课题研究成果可直接应用于类似石窟寺保护中水分来源的调查研究之中,同时也可应用于大型遗址保护等对水分要求严格的其他重要文物保护以及有关重要工程研究领域。 本课题研发的新型实用岩壁凝结水测量仪实现了较大的采样面积,使干燥剂、流量计、湿度计、风机形成了一体化的封闭回路测量系统。新装置拓展了设备应用范围、提高了工作效率和观测精度,已经成功应用于世界遗产大足石刻和高句丽壁画墓保护研究之中,并取得的良好的效果。 本课题对目前正在计划实施的云冈石窟防水保护工程具有一定的指导意义。但是,由于课题实施时间较短,一些结论还有待进一步的长期监测结果来进行验证。目前,一些现场监测仍在进行之中。 6、历年获奖情况 本课题的部分技术成果“云冈石窟凝结水监测研究”已获得国家文物局2009年度文物保护科学和技术创新奖二等奖。