本文摘要：摘要在石窟寺的保護工作中，裂縫水害對石窟文物的影響是廣泛且嚴重的。地球物理勘探技術依據不同的巖體構造及不同的巖石物性所產生的物理場來了解巖體的裂隙特征，具有無損高效的優勢，是石窟寺等巖體文物的保護工作基
摘要在石窟寺的保護工作中，裂縫水害對石窟文物的影響是廣泛且嚴重的。地球物理勘探技術依據不同的巖體構造及不同的巖石物性所產生的物理場來了解巖體的裂隙特征，具有無損高效的優勢，是石窟寺等巖體文物的保護工作基礎。本文通過廣泛調研，系統地總結了探地雷達技術、電法勘探技術、核磁共振技術等多種常用的地球物理探測手段在巖體文物裂縫探測中的相關工作，歸納了在石窟寺裂縫探測應用中存在的主要問題及解決方案。本文的研究內容不僅在石窟寺的保護研究與修復加固工作中具有重要意義，也有利于地球物理探測技術在石質相關文物保護工作中的推廣與應用。
關鍵詞石窟寺;巖體裂縫;地球物理探測;文物保護
引言石窟寺屬于古代廟宇建筑，建造時通常就著山勢，從山崖壁面向內部縱深開鑿，是最古老的佛教建筑形式。石窟寺遺跡集建筑、雕塑、壁畫、書法等藝術于一體，是悠久歷史的印記與見證，也是極為寶貴和豐富的歷史文化遺產，具有極高的藝術價值和研究價值。
但由于建立時代的久遠，經過千百年來風吹日曬、冰雪凍融以及人為因素等多種影響，石窟寺巖體不斷的發生變形、破裂與錯位，雕像表面巖體發生滑移、脫落、垮塌等，從而產生了表現程度各異、類型復雜多樣的文物病害(李耀華，2012)。2020年5月11日，習近平同志考察了大同云岡石窟歷史文化遺產的保護工作，并指示堅持保護第一，在保護的基礎上研究利用好。
2020年11月4日，為落實習總書記的關于石窟寺保護利用工作的重要指示精神，國務院辦公廳印發《關于加強石窟寺保護利用工作的指導意見》，指出到2022年，石窟寺管理體制機制創新取得重要進展，重大險情全面消除。在眾多文物病害中，裂隙病害是石窟寺較為普遍而廣泛存在的病害類型，裂隙的延伸并相互交切，會導致石窟邊坡巖體的失穩，進而危及參觀人員的生命安全。同時，裂隙病害與其他病害相互聯系，它可能是其他病害形成的根源，也可能是其他病害產生的結果。
因此，在對石窟巖體表層裂隙病害及分布特征探測的基礎上，開展石質文物的保護研究與修復加固工作尤為重要。如何盡量避免在裂隙檢測過程中對已經很脆弱的文物本體再次造成損壞，成為當前文物保護工作亟待解決的問題。地球物理探測技術具有無損高效的優勢，在評估巖石結構的分布規律、巖石內部的裂隙構造網絡、巖石的地球物理屬性(含水量、孔隙度等)和地下水地質因素的動力學機制等方面均取得了較好的應用效果。針對石窟寺文物裂縫探測問題，國內外也有一些良好的應用實例，本文就地球物理裂縫探測技術進行了系統梳理，分析了多種方法的探測能力，并針對石窟寺裂縫地球物理探測應用總結了目前存在的問題，并提出了相應的解決方案。
1.常用石質文物裂隙地球物理探測技術
地球物理探測方法的探測深度、探測精度及探測條件不盡相同。目前，在巖體裂縫探測中的常用地球物理手段，主要包括探地雷達技術、電法和低頻電磁法勘探技術、核磁共振技術、聲波或彈性波探測技術、綜合測井技術等(黃繼忠等，2011;朱軍昌，2013)。
1.1探地雷達技術
探地雷達(GroundPenetratingRadar，簡稱GPR)是一種非破壞性、高分辨率、定位準確的高頻電磁波探測技術，具有探測結果圖像實時顯示、方便快速等優點。理論上，探地雷達的探測分辨率為波長的四分之一，如果采用如450MHz主頻率的信號，在平均波速為0.13m/ns的情況下，理論上就可以探測到毫米級的裂縫。
數值模擬是理解系統物理行為的一種實用而可靠的方法，我們分別建立了二維的充水裂隙模型和雙層介質模型，圍巖的相對介電常數為12，裂隙的孔徑為2mm，相對介電常數是31，分界面與裂縫在同一深度(深度為1m)，第一層介質的相對介電常數為12，第二層的相對介電常數為31，兩個模型的深度都為1.5m，寬1m，使用主頻是450MHz的雷克子波，基于有限差分方法分別對上述模型進行正演模擬，得到兩個模型的單道雷達波反射波形對比圖，從反射的波形圖可以觀察到，2mm的充水裂縫的雷達波響應可以被探測到，但是與雙層介質模型分界面的反射波振幅相比較小。
亞米級波長的電磁波能夠響應毫米級孔徑的裂縫，這是因為裂縫填充物和圍巖之間存在強烈的電性差異，并且裂縫壁內部產生多次反射(薄層響應)，薄層反射的電磁波被多次內反射進而產生的相消干涉和相長干涉所干擾，這也使得即使孔徑較小的裂縫在探測結果中的響應依然不容易被噪聲干擾，所以利用探地雷達探測的裂縫的結果往往具有較高的分辨率，經常被應用在水文地質、礦產資源及核廢料保護等裂縫探測相關問題的研究上(曾昭發，2006;Daniels，2006)。Vickers,etal.,(1975)在對北美墨西哥州的科峽谷印第安遺跡勘探過程中，首次使用了探地雷達技術，這也是探地雷達在考古與文物保護領域中的首次應用，自此關于探地雷達技術在考古方面的應用便屢見不鮮(Quarta,etal.,2002;Novo,etal.,2013;Leucci,etal.,2013)。
根據探地雷達對龍泓洞探測結果的同相軸不連續特征與反射點的位置,陳愛云和方云(2003)確定了浙江省杭州市飛來峰造像區巖體的主要病害為裂隙的侵害，而水沿裂隙滲入內部則是石質文物破壞的主要原因。李銀真等(2006)采用探地雷達對山西平遙古城已有部分路面和墻體裂縫進行了探測，經過數據處理得到墻體內部清晰的雷達剖面圖，為檢測鑒定工作提供了詳細的地質資料。
通過用地質雷達對多個工區進行工程勘查，從地質雷達圖像的波形、頻率、振幅、相位及電磁波能量吸收情況(或自動增益梯度)等細節特征的變化規律出發，肖宏躍等(2008)建立了典型地質現象與地質雷達特征圖像的對應關系,為地質雷達圖像的解釋工作提供重要判斷依據。Zhouetal.,(2017)提出了一種利用介質內部多次反射的原理來估計地下充水裂縫寬度的方法。利用圓柱介質模擬巖石裂縫，基于射線延伸原理，分析了圓柱介質的電磁散射模型的能量傳遞及路徑。
結果表明在圓柱體內部的電磁波傳播的路徑長度與圓柱體直徑的比值為奇數時，探地雷達接收器會接收到爬行波;當比值偶數時，接受到射線的折射波，聚焦于徑向。得出了圓柱體內部路徑長度是直徑距離的倍數的結論來估計圓柱體的寬度，利用該結論可使用探地雷達直接探測巖體含水裂縫的寬度。Sassenetal.(2009)提出了基于地震屬性相干的極化探地雷達成像算法和基于薄層模型的對透射數據進行時域全波形反演，極化相干屬性有助于確定裂縫的位置和三維連續性，而反演則定量地確定裂縫孔徑和充填介質的電磁特性。
Justineetal.,(2020)針對核廢料的儲存庫裂縫泄露問題，評估了探地雷達在毫米級裂縫探測中的能力。在瑞典某海下核實驗室通道采用多種頻率的天線進行GPR的平面測量，探測結果與圍墻可見裂縫及3個鉆井數據所建立的三維裂縫統計密度模型進行對比，在1~10m2裂縫范圍內，GPR探測到全部傾角小于25°的所有裂縫的42%，而對于傾角小于25°的開裂縫，GPR的探測率達到80%，另外，識別的裂縫大小也與實際的建立裂縫密度模型近似。
該研究表明了，GPR在非常適合進行近水平的亞毫米級裂縫探測工作。Pujarietal.,(2014)利用GPR對印度馬哈拉施特拉的阿旃陀洞裂縫情況進行了探測，經過處理的GPR的結果，不僅支持了迄今所持有的對穴下關于玄武巖中具有強烈異質性的觀點，而且也解釋了回旋水在玄武巖中出現及其運動的不確定性。
研究表明，在阿旃陀洞穴中發現的任何滲漏都是裂縫且連通的。除此之外，采用全波形反演實現了介質電性結構的重建，探地雷達還能提供建筑結構的高分辨率圖像，進而推斷可能影響建筑的裂縫。實驗表明對于混凝土和灰泥的典型介電常數和電導率值，可以探測到材料的物理特性并檢測小于1毫米厚的裂縫。通過不同配置的非鋼筋混凝土和石膏測試板實驗，也表明了探地雷達具有以下良好的潛力：
(1)在建筑物或藝術品中提供全面的斷裂響應模型;(2)根據電磁特性對樣品進行非侵入性表征。Daniloetal.,(2003)對位于意大利中部教中世紀的堂科萊馬喬大教堂外墻結構監測和修復項目的初期階段進行了探地雷達的探測調查，在確定墻體厚度、具有方石飾面和瓦礫芯的砌體的變形及破損、檐口的形式和位置判定等方面都得到了較為滿意的結果，探地雷達調查對于評估墻體的保護狀態具有非常重要的意義。許多研究也證明，探地雷達是研究和保護具有較高文化和歷史價值古代建筑的理想無損探測方法(García,etal.,2007;Persico,etal.,2014;Yalçıner,etal.,2019)。
1.2電法探測技術
電法探測技術中的許多方法都被廣泛地應用于巖體裂縫探測中，其中常用的包括電阻率測深法、電剖面法、高密度電法、自然電場法、頻域電磁法和電阻層析成像等。電阻率法常用于巖石表層裂隙的調查;應用聯合剖面法可以確定斷裂帶的位置;高密度電法集中了常規的電測深和電剖面法的優點，能夠揭示基巖沿測線地下各斷面的垂向電性差異和橫向電性差異;自然電場法是通過觀測和研究自然電場的分布來解決地質問題的一種勘探方法(黃繼忠和任建光，2011)。電阻層析成像法則是被用于地下勘探問題最廣泛的地球物理技術之一。
在最近幾年，這種方法已被證明是一種有效的探測手段，它不僅可以監測墻壁的退化狀態和歷史建筑的地基，而且也可對加固的注漿空間(如歷史遺跡墻體)分布進行成像。在莫高窟的保護工作中，Liuetal.(2020)通過人工降雨模擬實驗和高密度電法無損探測，研究了降雨入滲與墻面涂料被損壞之間的關系。結果表明，石窟上方覆蓋層徑流系數較小，降雨滲透量遠大于徑流量。
雨水以液體和氣體形式沿巖石裂隙或通過洞檐與巖石之間的縫隙運移，這是引起巖畫鹽漬損傷和變質的主要機制。在云岡石窟的保護工作中，賈苓希(1963)和方玉禹等(1965)應用電剖面法發現了在多個窟頂巖體存在尺寸規模較大的裂隙;煤炭科學院西安物探研究所(1988)采用自動電阻率系統發現18、19窟頂有發育三條規模較大的裂隙發育帶;建設綜合勘察研究設計院(2004)根據破碎裂隙帶充水前后電阻率差異，采用二維和三維高密度電阻率法發現并追溯了窟頂破碎含水區和泥巖滯水區。
李宏松等(2010)采用微電極高密度電法探測系在云岡石窟對文物進行探測，在電阻率剖面中也發現了節理裂隙。在重慶大足石刻的保護工作中,鐘世航(2004)成功地用電阻率微分電測深法探測了裂縫和止水注漿液的注入深度。中國地質大學團隊(2002)采用高密度和自然電位方法查明了主要控水構造裂隙的平面分布規律,地下含水帶(層)的空間分布格局,為滲水防治工程提供依據。
河南龍門石窟研究院(2010)采用高密度電阻率，聯合淺層地震和探地雷達進行探測，確定了潛溪寺區域的滲漏機理和滲漏通道。Zeidetal.(2010)利用電阻率層析成像方法監測歷史建筑物的墻壁和地基的退化狀態，以及在工程修復中確定砂漿的空間分布和加固效果。在意大利中部佩魯賈的蒙特佩特里奧洛歷史教堂墻壁進行了三維電阻率層析成像調查和灌漿前后墻壁的內部結構圖像，定量確定了砂漿填充區域的空間分布，建立了電阻率和孔隙率之間的相關關系，確定注入砂漿的單位體積，結果令人滿意。
1.3聲波勘探技術
由于巖石與聲波之間存在關聯，在類似石窟寺等石質文物的保護工作中，可以利用超聲波來測量巖石內部的結構和強度變化，進而得到石質文物內部的裂縫情況。利用聲波層析成像技術，何發亮等(2001)對瀘定橋東橋臺的內部結構進行無損探測，解釋了橋體裂縫病害狀況及產生的原因，為橋臺病害整治方案的設計提供了可靠的基礎資料。針對不同截面形狀的乾陵石刻，馬濤等(2002)采用網格法和層析法進行超聲波探測，并估測石刻斷面內部的波速分布及變化規律，通過反射法推算了石刻內部裂隙的分布及發育情況。
張志國等(2005)利用巖石與超聲波波速之間的相關關系,對乾陵不同截面形狀的石刻分別進行了網格法、層析法的超聲波現場布點探測,通過測定、計算,估測出所測石刻斷面內部各點(或區域)的超聲波波速分布及變化規律,并輔以反射波法來進一步確定石刻內部結構情況,從而探測出石刻內部的裂隙或風化情況。針對廣西崇左市花山巖畫的保護工作，張新鵬等(2014)通過聲波測試的方法和過程，建立開裂巖體厚度與劣化程度的數學模型。
結果表明，開裂巖體厚度小于30mm時，強度損失較大;開裂巖體厚度大于30mm時，強度基本保持不變。Bindaetal.(2001)在諾托大教堂的現有墻壁上系統地進行了聲波測試和其他診斷技術。通過墻體斷面的形態來鑒定砌體;檢測空隙和缺陷的存在，并找到裂紋和損壞的方式;控制注射技術修復的有效性;和檢測材料的物理特性何時發生了變化。Piuzzi,etal.(2018)研發了一種用于監測石質文化遺產的水含量的無損微波探測系統。通過將平面諧振器與石材樣品接觸，獲得諧振頻率和水含量之間的關系。
1.4地面核磁共振技術
地面核磁共振(SurfaceNuclearMagneticResonance，縮寫為SNMR)方法是一種地球物理新方法，相比于探地雷達、高密度電阻率等其他方法，它可以利用地下水中氫核的核磁共振(NuclearMagneticResonance，縮寫為NMR)特性差異來直接探查地下水(張榮等，2018)。
在使用移動雜散場NMR時，樣品無需放置在磁體中，可以在雜散磁場中進行外部檢查，因此，核磁共振便攜式設備可用于文化遺產結構中水含量的非破壞性原位分析(BlümichB.,etal.,2010)。通過SNMR方法進行無損探測時，可以提供石質文物或石質文物所依附巖體中的含水量分布狀況，再結合其他物探方法，就可以推測巖溶、裂隙、裂縫是否含水等信息。中國地質大學(武漢)核磁共振科研組潘玉玲等人(2004)將地面核磁共振測深方法直接應用于查明秦始皇陵地宮封土堆下的含水層分布情況，為推斷地宮的完好性提供了重要依據，這是世界上將核磁共振測深技術首次應用于文物保護的相關工作。
魯愷等人(2018)對陽華巖摩崖石刻露天石質文物病害進行探查，采用地面核磁共振方法直接找水，成功探測出摩崖石刻依附巖體地層含水分布狀況，結合探地雷達方法得到的依附巖山體內巖溶、裂隙的發育狀況，推測出部分區域巖溶裂隙帶已成為地下水匯聚場所或流通通道，對陽華巖摩崖石刻構成了極為嚴峻的侵蝕威脅，為陽華巖摩崖石刻的病害治理和保護提供了寶貴的基礎資料。
LuKai,etal(2020)使用核磁共振，聯合自然電位法，調查了具有500多年歷史的金燈寺石窟滲流的原因。地面核磁共振法成功地用于探測石窟上方山體中地下水空間的分布和含水量，而自然電位的結果揭示了山體上部的地下水補給和流動方向，通過兩種方法的互補，不僅確定了石窟的滲水原因以及山體上部的含水區域位置與滲漏之間的關系，同時也為制定保護和保存文物的工作計劃提供了重要的基礎數據。
2.石窟寺地球物理探測技術存在問題
雖然，地球物理相關探測技術在石窟寺等石質文物保護方面取得了一定的研究進展。不過，基于地球物理的巖體裂縫探測技術的應用主體還是在礦產資源勘探、水文地質研究及自然災害預測等方面。但相關技術的分析總結研究(關寶飛，等2014;商曉飛，等2021;Golsanami,etal.,2016;Warpinski,etal.,2014;Day-Lewis,etal.,2017)，對于地球物理探測技術在石窟寺等石質文物保護工作的推廣上也具有重要意義。
例如，Day-Lewisetal.,(2017)針對含水層探測的巖體裂縫問題，通過模型理論實驗結果及以往的地球物理探測實例進行了比較系統的分析，分別從地面測量和井中測量兩個方面，討論了不同常用地球物理方法適合的應用條件和探測精度，對相關巖石裂縫探測工作具有指導作用。
3.結論與展望
經過上述討論，我們知道由于石窟寺巖體裂隙自身的特殊性和地球物理方法的局限性、多解性，需要針對石窟寺裂隙的特點，建立各種方法的數學物理模型，優化探測方法，研發探測裝備。針對石窟寺裂縫探測問題，未來的研究方向可以從以下幾個方面進行：
(1)對傳統探測設備進行適應性改造。由于探測目標與傳統目標的不同，為了適應石窟寺裂縫探測的條件，需要突破儀器的限制。攻克大功率發射、全波形同步采集、多參數自由級聯組合、寬頻帶大動態范圍微弱信號檢測等技術，也需要對高密度電法、工程測井、地震儀等典型石窟裂隙滲流探測裝備適應性改造。
(2)采用多源地球物理方法聯合的方式，降低石窟寺裂隙反演的多解性。可以開展基于綜合測井裂隙精細識別的地-井聯合三維空間成像技術研究。采用電阻率測井—地面電磁等聯合探測方式進行石窟寺裂隙滲流網絡探測，在干季、旱季條件下進行分時、多次、多源觀測，通過差分探測方式獲取高分辨率、高精度裂隙滲流地球物理響應弱異常信號。
(3)從基礎理論算法上尋找適合石窟寺裂縫的探測算法。可以從分形理論和蒙特卡洛馬爾科夫隨機模型出發，開展自適應網格有限元方法地—井聯合地球物理石窟裂隙滲流模型響應模擬，以研究微小裂隙滲流模型多地球物理場正演響應機理。再結合石窟裂隙滲流模型正演模擬結果，基于多源聚類分析和地學統計先驗信息，采用U-net、遷移學習等人工智能方法開展裂隙滲流智能識別，進行地—井聯合約束的石窟裂隙滲流分布隨機反演方法研究。
地球物理論文投稿刊物：《地球物理學報》創刊于1948年，是中國地球物理學會、中國科學院地質與地球物理研究所聯合主辦的有關地球物理科學的綜合性學術刊物。主要刊載固體地球物理、應用地球物理、地磁和空間物理、大氣和海洋地球物理，以及與地球物理密切相關的交叉學科研究成果的高質量論文。作者和讀者對象主要為從事地球物理學、地球科學及其他相關學科的國內外科技工作者和大專院校師生。
綜上所述，要解決地球物理方法技術在石窟寺探測中的難點，就要開拓新途徑，擴大應用范圍，積極采用和推廣新技術，這也是石窟文物裂隙水探測的發展趨勢，上述相關研究內容不僅對石窟保護研究與修復加固工作具有重要的現實意義，同時對地球物理探測技術在相關石質文物的保護工作也有積極的推廣作用。
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作者：趙勇，曾昭發，李靜，周帥，盧鵬羽，霍祉君
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