本文摘要：摘要在石窟寺的保护工作中，裂缝水害对石窟文物的影响是广泛且严重的。地球物理勘探技术依据不同的岩体构造及不同的岩石物性所产生的物理场来了解岩体的裂隙特征，具有无损高效的优势，是石窟寺等岩体文物的保护工作基
摘要在石窟寺的保护工作中，裂缝水害对石窟文物的影响是广泛且严重的。地球物理勘探技术依据不同的岩体构造及不同的岩石物性所产生的物理场来了解岩体的裂隙特征，具有无损高效的优势，是石窟寺等岩体文物的保护工作基础。本文通过广泛调研，系统地总结了探地雷达技术、电法勘探技术、核磁共振技术等多种常用的地球物理探测手段在岩体文物裂缝探测中的相关工作，归纳了在石窟寺裂缝探测应用中存在的主要问题及解决方案。本文的研究内容不仅在石窟寺的保护研究与修复加固工作中具有重要意义，也有利于地球物理探测技术在石质相关文物保护工作中的推广与应用。
关键词石窟寺;岩体裂缝;地球物理探测;文物保护
引言石窟寺属于古代庙宇建筑，建造时通常就着山势，从山崖壁面向内部纵深开凿，是最古老的佛教建筑形式。石窟寺遗迹集建筑、雕塑、壁画、书法等艺术于一体，是悠久历史的印记与见证，也是极为宝贵和丰富的历史文化遗产，具有极高的艺术价值和研究价值。
但由于建立时代的久远，经过千百年来风吹日晒、冰雪冻融以及人为因素等多种影响，石窟寺岩体不断的发生变形、破裂与错位，雕像表面岩体发生滑移、脱落、垮塌等，从而产生了表现程度各异、类型复杂多样的文物病害(李耀华，2012)。2020年5月11日，习近平同志考察了大同云冈石窟历史文化遗产的保护工作，并指示坚持保护第一，在保护的基础上研究利用好。
2020年11月4日，为落实习总书记的关于石窟寺保护利用工作的重要指示精神，国务院办公厅印发《关于加强石窟寺保护利用工作的指导意见》，指出到2022年，石窟寺管理体制机制创新取得重要进展，重大险情全面消除。在众多文物病害中，裂隙病害是石窟寺较为普遍而广泛存在的病害类型，裂隙的延伸并相互交切，会导致石窟边坡岩体的失稳，进而危及参观人员的生命安全。同时，裂隙病害与其他病害相互联系，它可能是其他病害形成的根源，也可能是其他病害产生的结果。
因此，在对石窟岩体表层裂隙病害及分布特征探测的基础上，开展石质文物的保护研究与修复加固工作尤为重要。如何尽量避免在裂隙检测过程中对已经很脆弱的文物本体再次造成损坏，成为当前文物保护工作亟待解决的问题。地球物理探测技术具有无损高效的优势，在评估岩石结构的分布规律、岩石内部的裂隙构造网络、岩石的地球物理属性(含水量、孔隙度等)和地下水地质因素的动力学机制等方面均取得了较好的应用效果。针对石窟寺文物裂缝探测问题，国内外也有一些良好的应用实例，本文就地球物理裂缝探测技术进行了系统梳理，分析了多种方法的探测能力，并针对石窟寺裂缝地球物理探测应用总结了目前存在的问题，并提出了相应的解决方案。
1.常用石质文物裂隙地球物理探测技术
地球物理探测方法的探测深度、探测精度及探测条件不尽相同。目前，在岩体裂缝探测中的常用地球物理手段，主要包括探地雷达技术、电法和低频电磁法勘探技术、核磁共振技术、声波或弹性波探测技术、综合测井技术等(黄继忠等，2011;朱军昌，2013)。
1.1探地雷达技术
探地雷达(GroundPenetratingRadar，简称GPR)是一种非破坏性、高分辨率、定位准确的高频电磁波探测技术，具有探测结果图像实时显示、方便快速等优点。理论上，探地雷达的探测分辨率为波长的四分之一，如果采用如450MHz主频率的信号，在平均波速为0.13m/ns的情况下，理论上就可以探测到毫米级的裂缝。
数值模拟是理解系统物理行为的一种实用而可靠的方法，我们分别建立了二维的充水裂隙模型和双层介质模型，围岩的相对介电常数为12，裂隙的孔径为2mm，相对介电常数是31，分界面与裂缝在同一深度(深度为1m)，第一层介质的相对介电常数为12，第二层的相对介电常数为31，两个模型的深度都为1.5m，宽1m，使用主频是450MHz的雷克子波，基于有限差分方法分别对上述模型进行正演模拟，得到两个模型的单道雷达波反射波形对比图，从反射的波形图可以观察到，2mm的充水裂缝的雷达波响应可以被探测到，但是与双层介质模型分界面的反射波振幅相比较小。
亚米级波长的电磁波能够响应毫米级孔径的裂缝，这是因为裂缝填充物和围岩之间存在强烈的电性差异，并且裂缝壁内部产生多次反射(薄层响应)，薄层反射的电磁波被多次内反射进而产生的相消干涉和相长干涉所干扰，这也使得即使孔径较小的裂缝在探测结果中的响应依然不容易被噪声干扰，所以利用探地雷达探测的裂缝的结果往往具有较高的分辨率，经常被应用在水文地质、矿产资源及核废料保护等裂缝探测相关问题的研究上(曾昭发，2006;Daniels，2006)。Vickers,etal.,(1975)在对北美墨西哥州的科峡谷印第安遗迹勘探过程中，首次使用了探地雷达技术，这也是探地雷达在考古与文物保护领域中的首次应用，自此关于探地雷达技术在考古方面的应用便屡见不鲜(Quarta,etal.,2002;Novo,etal.,2013;Leucci,etal.,2013)。
根据探地雷达对龙泓洞探测结果的同相轴不连续特征与反射点的位置,陈爱云和方云(2003)确定了浙江省杭州市飞来峰造像区岩体的主要病害为裂隙的侵害，而水沿裂隙渗入内部则是石质文物破坏的主要原因。李银真等(2006)采用探地雷达对山西平遥古城已有部分路面和墙体裂缝进行了探测，经过数据处理得到墙体内部清晰的雷达剖面图，为检测鉴定工作提供了详细的地质资料。
通过用地质雷达对多个工区进行工程勘查，从地质雷达图像的波形、频率、振幅、相位及电磁波能量吸收情况(或自动增益梯度)等细节特征的变化规律出发，肖宏跃等(2008)建立了典型地质现象与地质雷达特征图像的对应关系,为地质雷达图像的解释工作提供重要判断依据。Zhouetal.,(2017)提出了一种利用介质内部多次反射的原理来估计地下充水裂缝宽度的方法。利用圆柱介质模拟岩石裂缝，基于射线延伸原理，分析了圆柱介质的电磁散射模型的能量传递及路径。
结果表明在圆柱体内部的电磁波传播的路径长度与圆柱体直径的比值为奇数时，探地雷达接收器会接收到爬行波;当比值偶数时，接受到射线的折射波，聚焦于径向。得出了圆柱体内部路径长度是直径距离的倍数的结论来估计圆柱体的宽度，利用该结论可使用探地雷达直接探测岩体含水裂缝的宽度。Sassenetal.(2009)提出了基于地震属性相干的极化探地雷达成像算法和基于薄层模型的对透射数据进行时域全波形反演，极化相干属性有助于确定裂缝的位置和三维连续性，而反演则定量地确定裂缝孔径和充填介质的电磁特性。
Justineetal.,(2020)针对核废料的储存库裂缝泄露问题，评估了探地雷达在毫米级裂缝探测中的能力。在瑞典某海下核实验室通道采用多种频率的天线进行GPR的平面测量，探测结果与围墙可见裂缝及3个钻井数据所建立的三维裂缝统计密度模型进行对比，在1~10m2裂缝范围内，GPR探测到全部倾角小于25°的所有裂缝的42%，而对于倾角小于25°的开裂缝，GPR的探测率达到80%，另外，识别的裂缝大小也与实际的建立裂缝密度模型近似。
该研究表明了，GPR在非常适合进行近水平的亚毫米级裂缝探测工作。Pujarietal.,(2014)利用GPR对印度马哈拉施特拉的阿旃陀洞裂缝情况进行了探测，经过处理的GPR的结果，不仅支持了迄今所持有的对穴下关于玄武岩中具有强烈异质性的观点，而且也解释了回旋水在玄武岩中出现及其运动的不确定性。
研究表明，在阿旃陀洞穴中发现的任何渗漏都是裂缝且连通的。除此之外，采用全波形反演实现了介质电性结构的重建，探地雷达还能提供建筑结构的高分辨率图像，进而推断可能影响建筑的裂缝。实验表明对于混凝土和灰泥的典型介电常数和电导率值，可以探测到材料的物理特性并检测小于1毫米厚的裂缝。通过不同配置的非钢筋混凝土和石膏测试板实验，也表明了探地雷达具有以下良好的潜力：
(1)在建筑物或艺术品中提供全面的断裂响应模型;(2)根据电磁特性对样品进行非侵入性表征。Daniloetal.,(2003)对位于意大利中部教中世纪的堂科莱马乔大教堂外墙结构监测和修复项目的初期阶段进行了探地雷达的探测调查，在确定墙体厚度、具有方石饰面和瓦砾芯的砌体的变形及破损、檐口的形式和位置判定等方面都得到了较为满意的结果，探地雷达调查对于评估墙体的保护状态具有非常重要的意义。许多研究也证明，探地雷达是研究和保护具有较高文化和历史价值古代建筑的理想无损探测方法(García,etal.,2007;Persico,etal.,2014;Yalçıner,etal.,2019)。
1.2电法探测技术
电法探测技术中的许多方法都被广泛地应用于岩体裂缝探测中，其中常用的包括电阻率测深法、电剖面法、高密度电法、自然电场法、频域电磁法和电阻层析成像等。电阻率法常用于岩石表层裂隙的调查;应用联合剖面法可以确定断裂带的位置;高密度电法集中了常规的电测深和电剖面法的优点，能够揭示基岩沿测线地下各断面的垂向电性差异和横向电性差异;自然电场法是通过观测和研究自然电场的分布来解决地质问题的一种勘探方法(黄继忠和任建光，2011)。电阻层析成像法则是被用于地下勘探问题最广泛的地球物理技术之一。
在最近几年，这种方法已被证明是一种有效的探测手段，它不仅可以监测墙壁的退化状态和历史建筑的地基，而且也可对加固的注浆空间(如历史遗迹墙体)分布进行成像。在莫高窟的保护工作中，Liuetal.(2020)通过人工降雨模拟实验和高密度电法无损探测，研究了降雨入渗与墙面涂料被损坏之间的关系。结果表明，石窟上方覆盖层径流系数较小，降雨渗透量远大于径流量。
雨水以液体和气体形式沿岩石裂隙或通过洞檐与岩石之间的缝隙运移，这是引起岩画盐渍损伤和变质的主要机制。在云冈石窟的保护工作中，贾苓希(1963)和方玉禹等(1965)应用电剖面法发现了在多个窟顶岩体存在尺寸规模较大的裂隙;煤炭科学院西安物探研究所(1988)采用自动电阻率系统发现18、19窟顶有发育三条规模较大的裂隙发育带;建设综合勘察研究设计院(2004)根据破碎裂隙带充水前后电阻率差异，采用二维和三维高密度电阻率法发现并追溯了窟顶破碎含水区和泥岩滞水区。
李宏松等(2010)采用微电极高密度电法探测系在云冈石窟对文物进行探测，在电阻率剖面中也发现了节理裂隙。在重庆大足石刻的保护工作中,钟世航(2004)成功地用电阻率微分电测深法探测了裂缝和止水注浆液的注入深度。中国地质大学团队(2002)采用高密度和自然电位方法查明了主要控水构造裂隙的平面分布规律,地下含水带(层)的空间分布格局,为渗水防治工程提供依据。
河南龙门石窟研究院(2010)采用高密度电阻率，联合浅层地震和探地雷达进行探测，确定了潜溪寺区域的渗漏机理和渗漏通道。Zeidetal.(2010)利用电阻率层析成像方法监测历史建筑物的墙壁和地基的退化状态，以及在工程修复中确定砂浆的空间分布和加固效果。在意大利中部佩鲁贾的蒙特佩特里奥洛历史教堂墙壁进行了三维电阻率层析成像调查和灌浆前后墙壁的内部结构图像，定量确定了砂浆填充区域的空间分布，建立了电阻率和孔隙率之间的相关关系，确定注入砂浆的单位体积，结果令人满意。
1.3声波勘探技术
由于岩石与声波之间存在关联，在类似石窟寺等石质文物的保护工作中，可以利用超声波来测量岩石内部的结构和强度变化，进而得到石质文物内部的裂缝情况。利用声波层析成像技术，何发亮等(2001)对泸定桥东桥台的内部结构进行无损探测，解释了桥体裂缝病害状况及产生的原因，为桥台病害整治方案的设计提供了可靠的基础资料。针对不同截面形状的乾陵石刻，马涛等(2002)采用网格法和层析法进行超声波探测，并估测石刻断面内部的波速分布及变化规律，通过反射法推算了石刻内部裂隙的分布及发育情况。
张志国等(2005)利用岩石与超声波波速之间的相关关系,对乾陵不同截面形状的石刻分别进行了网格法、层析法的超声波现场布点探测,通过测定、计算,估测出所测石刻断面内部各点(或区域)的超声波波速分布及变化规律,并辅以反射波法来进一步确定石刻内部结构情况,从而探测出石刻内部的裂隙或风化情况。针对广西崇左市花山岩画的保护工作，张新鹏等(2014)通过声波测试的方法和过程，建立开裂岩体厚度与劣化程度的数学模型。
结果表明，开裂岩体厚度小于30mm时，强度损失较大;开裂岩体厚度大于30mm时，强度基本保持不变。Bindaetal.(2001)在诺托大教堂的现有墙壁上系统地进行了声波测试和其他诊断技术。通过墙体断面的形态来鉴定砌体;检测空隙和缺陷的存在，并找到裂纹和损坏的方式;控制注射技术修复的有效性;和检测材料的物理特性何时发生了变化。Piuzzi,etal.(2018)研发了一种用于监测石质文化遗产的水含量的无损微波探测系统。通过将平面谐振器与石材样品接触，获得谐振频率和水含量之间的关系。
1.4地面核磁共振技术
地面核磁共振(SurfaceNuclearMagneticResonance，缩写为SNMR)方法是一种地球物理新方法，相比于探地雷达、高密度电阻率等其他方法，它可以利用地下水中氢核的核磁共振(NuclearMagneticResonance，缩写为NMR)特性差异来直接探查地下水(张荣等，2018)。
在使用移动杂散场NMR时，样品无需放置在磁体中，可以在杂散磁场中进行外部检查，因此，核磁共振便携式设备可用于文化遗产结构中水含量的非破坏性原位分析(BlümichB.,etal.,2010)。通过SNMR方法进行无损探测时，可以提供石质文物或石质文物所依附岩体中的含水量分布状况，再结合其他物探方法，就可以推测岩溶、裂隙、裂缝是否含水等信息。中国地质大学(武汉)核磁共振科研组潘玉玲等人(2004)将地面核磁共振测深方法直接应用于查明秦始皇陵地宫封土堆下的含水层分布情况，为推断地宫的完好性提供了重要依据，这是世界上将核磁共振测深技术首次应用于文物保护的相关工作。
鲁恺等人(2018)对阳华岩摩崖石刻露天石质文物病害进行探查，采用地面核磁共振方法直接找水，成功探测出摩崖石刻依附岩体地层含水分布状况，结合探地雷达方法得到的依附岩山体内岩溶、裂隙的发育状况，推测出部分区域岩溶裂隙带已成为地下水汇聚场所或流通通道，对阳华岩摩崖石刻构成了极为严峻的侵蚀威胁，为阳华岩摩崖石刻的病害治理和保护提供了宝贵的基础资料。
LuKai,etal(2020)使用核磁共振，联合自然电位法，调查了具有500多年历史的金灯寺石窟渗流的原因。地面核磁共振法成功地用于探测石窟上方山体中地下水空间的分布和含水量，而自然电位的结果揭示了山体上部的地下水补给和流动方向，通过两种方法的互补，不仅确定了石窟的渗水原因以及山体上部的含水区域位置与渗漏之间的关系，同时也为制定保护和保存文物的工作计划提供了重要的基础数据。
2.石窟寺地球物理探测技术存在问题
虽然，地球物理相关探测技术在石窟寺等石质文物保护方面取得了一定的研究进展。不过，基于地球物理的岩体裂缝探测技术的应用主体还是在矿产资源勘探、水文地质研究及自然灾害预测等方面。但相关技术的分析总结研究(关宝飞，等2014;商晓飞，等2021;Golsanami,etal.,2016;Warpinski,etal.,2014;Day-Lewis,etal.,2017)，对于地球物理探测技术在石窟寺等石质文物保护工作的推广上也具有重要意义。
例如，Day-Lewisetal.,(2017)针对含水层探测的岩体裂缝问题，通过模型理论实验结果及以往的地球物理探测实例进行了比较系统的分析，分别从地面测量和井中测量两个方面，讨论了不同常用地球物理方法适合的应用条件和探测精度，对相关岩石裂缝探测工作具有指导作用。
3.结论与展望
经过上述讨论，我们知道由于石窟寺岩体裂隙自身的特殊性和地球物理方法的局限性、多解性，需要针对石窟寺裂隙的特点，建立各种方法的数学物理模型，优化探测方法，研发探测装备。针对石窟寺裂缝探测问题，未来的研究方向可以从以下几个方面进行：
(1)对传统探测设备进行适应性改造。由于探测目标与传统目标的不同，为了适应石窟寺裂缝探测的条件，需要突破仪器的限制。攻克大功率发射、全波形同步采集、多参数自由级联组合、宽频带大动态范围微弱信号检测等技术，也需要对高密度电法、工程测井、地震仪等典型石窟裂隙渗流探测装备适应性改造。
(2)采用多源地球物理方法联合的方式，降低石窟寺裂隙反演的多解性。可以开展基于综合测井裂隙精细识别的地-井联合三维空间成像技术研究。采用电阻率测井—地面电磁等联合探测方式进行石窟寺裂隙渗流网络探测，在干季、旱季条件下进行分时、多次、多源观测，通过差分探测方式获取高分辨率、高精度裂隙渗流地球物理响应弱异常信号。
(3)从基础理论算法上寻找适合石窟寺裂缝的探测算法。可以从分形理论和蒙特卡洛马尔科夫随机模型出发，开展自适应网格有限元方法地—井联合地球物理石窟裂隙渗流模型响应模拟，以研究微小裂隙渗流模型多地球物理场正演响应机理。再结合石窟裂隙渗流模型正演模拟结果，基于多源聚类分析和地学统计先验信息，采用U-net、迁移学习等人工智能方法开展裂隙渗流智能识别，进行地—井联合约束的石窟裂隙渗流分布随机反演方法研究。
地球物理论文投稿刊物：《地球物理学报》创刊于1948年，是中国地球物理学会、中国科学院地质与地球物理研究所联合主办的有关地球物理科学的综合性学术刊物。主要刊载固体地球物理、应用地球物理、地磁和空间物理、大气和海洋地球物理，以及与地球物理密切相关的交叉学科研究成果的高质量论文。作者和读者对象主要为从事地球物理学、地球科学及其他相关学科的国内外科技工作者和大专院校师生。
综上所述，要解决地球物理方法技术在石窟寺探测中的难点，就要开拓新途径，扩大应用范围，积极采用和推广新技术，这也是石窟文物裂隙水探测的发展趋势，上述相关研究内容不仅对石窟保护研究与修复加固工作具有重要的现实意义，同时对地球物理探测技术在相关石质文物的保护工作也有积极的推广作用。
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作者：赵勇，曾昭发，李静，周帅，卢鹏羽，霍祉君
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