中国西北昌马石窟页岩风化机制研究：干旱碱性环境下黏土矿物转化对文化遗产劣化的启示

针对干旱碱性环境下页岩文化遗产（以黏土矿物为主要成分）风化机制不明的问题，兰州大学团队通过矿物学-地球化学-光谱学多方法联用，揭示了钙质页岩（CSH）与非钙质页岩（NCSH）差异化的黏土矿物转化路径（如I/V和I/S形成），阐明了石膏结晶、黏土膨胀和裂隙发育协同作用导致石窟劣化的机制，为丝绸之路文化遗产保护提供科学依据。

　　

在中国西北广袤的戈壁深处，昌马石窟作为丝绸之路上重要的佛教艺术遗存，历经1600余年风雨仍保留着珍贵壁画与造像。然而这些开凿于页岩中的文化遗产正面临严峻挑战——石窟外立面和洞窟内部普遍出现裂隙扩展、盐霜析出和表层剥落等劣化现象。与广泛研究的砂岩、石灰岩遗产不同，页岩遗产（由黏土矿物主导的沉积岩构成）在干旱碱性环境下的风化机制长期缺乏系统研究，尤其黏土矿物（如绿泥石、伊利石）如何通过氧化溶解或层间转化（如形成伊利石/蛭石混层I/V）影响岩石稳定性，成为遗产保护中的"黑箱"。

为破解这一难题，兰州大学的研究团队选取昌马石窟两种典型页岩——含白云石骨架的钙质页岩（CSH）和黏土矿物主导的非钙质页岩（NCSH），采用矿物学、地球化学、光谱学和显微分析相结合的方法，首次系统揭示了干旱区页岩差异化的风化路径。研究发现，尽管两类页岩均以方解石溶解和石膏沉淀启动风化过程，但黏土矿物转化呈现显著分异：NCSH中黑云母和伊利石通过氧化溶解转化为I/V混层，而CSH因黏土含量低且裂隙连通性差未出现该路径；两类页岩中的绿泥石和斜长石则在历史湿润气候下可能转化为伊利石/蒙脱石混层（I/S）。现代干旱气候中，I/S和I/V混层引发的黏土膨胀、石膏-方解石的盐风化以及裂隙网络扩展形成协同破坏效应，其强度受控于水氧供给条件。该成果发表于《Applied Clay Science》，为丝绸之路同类遗产的保护提供了矿物转化-环境响应-劣化模式的完整证据链。

关键技术方法包括：薄片显微观察（区分CSH与NCSH的矿物组成与结构）、X射线衍射（XRD）定量矿物相变、X射线光电子能谱（XPS）分析元素价态变化、扫描电镜-能谱（SEM-EDS）表征微观形貌与成分。研究样本来自昌马石窟北侧30米处新鲜露头，按风化程度分为基岩、半风化岩和强风化土。

【Petrological observations on shale】
显微分析显示，新鲜NCSH含91%黏土矿物（伊利石、绿泥石为主）及少量碎屑矿物（石英、长石等），发育水平层理；CSH则以白云石（56%）为骨架，黏土矿物仅占38%。风化过程中NCSH的伊利石、绿泥石含量显著下降，I/V混层增加；CSH则保持白云石骨架稳定性。

【Formation of saprolites】
元素迁移规律表明，历史湿润气候促使Ca、Na、Mg等活泼元素淋失，Fe³⁺/Fe²⁺比值升高证实氧化环境主导黏土转化。现代干旱条件下，石膏（CaSO₄·2H₂O）在裂隙处重结晶加剧岩石破碎。

【Conclusion】
研究首次阐明干旱区页岩遗产劣化的三阶段模型：1）方解石溶解形成初始孔隙；2）历史湿润期黏土矿物向I/S转化；3）现代干旱期I/S膨胀与盐风化协同加速破坏。该机制提示保护工程需重点控制裂隙渗水和环境湿度，抑制黏土-盐分的协同破坏效应。

这项工作的创新性在于：首次对比干旱环境钙质/非钙质页岩的风化分异，揭示I/V混层形成需同时满足黏土丰度、裂隙连通和氧化条件；提出"古湿润转化-现代干旱触发"的跨时空劣化模式，为全球干旱区页岩遗产保护提供了普适性理论框架。兰州大学团队通过多尺度分析技术，将宏观劣化现象与微观矿物转化精准关联，彰显了地球科学与文化遗产保护的深度交叉价值。