温度对带有黑色结壳的岩石上岩画表面劣化发展的影响

为什么古代岩画在剥落

在世界各地的沙漠，人们数千年前在裸露的岩石上刻画了动物、人类和符号。如今，许多这些岩画正悄然消失：薄薄的岩石片起泡并剥落，把刻画一并带走。本文研究者对中国西北一处著名遗址进行了细致观察，以回答一个看似简单的问题：承载这些图像的岩石“皮”为什么会脱落，温度在其中起什么作用？

沙漠岩石上的脆弱外壳

研究人员把注意力集中在宁夏的大麦地岩刻上，该地区干燥，在迎风的山脊上暴露着 800 多块刻画面。刻画面覆盖着一层薄而深色的“黑色结壳”，这层结壳使图像更为显眼，但似乎也特别容易受损。现场调查显示，结壳鼓起成泡（称为起泡）然后剥落（脱落）的位置，刻画常常随之丧失。当碎片脱落时，会暴露出结壳下方一条狭窄的弱化带，其下方是更坚硬的砂岩。这样的分层结构——坚硬的黑色结壳、柔软的弱化中层、坚硬的基岩——对理解温度如何破坏岩石至关重要。

太阳、降雨与岩面朝向

研究小组用钻入不同深度的传感器和热红外相机监测了岩石表面及内部数月的温度，以发现隐藏的起泡。他们发现岩石的前 10 厘米每日温度波动很大，中午烈日下迅速升温，夜间又迅速降冷。朝向近南（在此北半球地点约 180 度）的岩面接受到最长且最强的日照。这些朝阳的岩面起泡和脱落的发生率最高，强烈将损伤与太阳加热联系起来。突如其来的降雨落在高温岩面上会带来第二类应力：表面快速降温，速度远快于岩体内部的响应。

测量岩层的力学与热学行为

为了解为何结壳表面与下方岩石行为不同，科学家从靠近但不在刻画上的区域采集了小块黑色结壳、弱化中层和完整的基岩。在实验室中，他们测量了每种材料中声波传播的速度（作为刚度和裂隙程度的代理）、热传导性以及受热膨胀的易变性。深处的新鲜砂岩较为坚硬、导热性好且膨胀较明显。黑色结壳也相对较硬且有一定膨胀性，导热性较差。夹在中间的弱化带更柔软、导热差且膨胀最小。简单来说，岩石表面呈现为一个与软弱带粘连的硬壳，而软弱带又位于坚硬的芯体之上。

模拟岩内应力

基于这些测量数据，团队建立了包含黑色结壳、弱化中层和坚实基岩的岩体计算模型，并施加了两类温度变化：缓慢的昼夜升降和像夏季暴雨那样的骤然降温。在模拟中，日常循环产生的是适度的应力，但在层间不断出现不均匀的拉伸与收缩。突降冷却则产生更强的应力，并在弱化中层处引起应变的尖锐跃变。这些跃变集中在软带中，促使沿表面方向形成裂缝。根据不同的温度模式，首次分离可能发生在结壳与弱化带之间，也可能发生在弱化带与深处基岩之间——这与现场观察到的薄壳片脱落与较厚板片剥离的现象相一致。

对保护岩画的意义

研究表明，带岩画的岩石并非随机失稳；其分层结构与强烈日照及偶发的快速降温共同驱动了起泡与剥落。由于外层结壳与内层基岩的膨胀收缩幅度都大于中间较软的带，热应力反复拉扯弱化层，直到裂缝扩展并使表层片剥落。因此，保护工作应着重减少剧烈的温度冲击——尤其是直接强烈日照和对过热表面的骤然降雨——可以采用遮蔽结构或受控的水管理等措施。更广泛地看，这项工作有助于解释世界各地其他沙漠岩石上类似的剥落现象，阐明气候与岩石结构如何共同威胁不可替代的古代艺术品。

引用: Wu, C., Liu, C., Wang, J. et al. The effect of temperature on the development of surface deterioration on the petroglyph-bearing rocks with black crust. npj Herit. Sci. 14, 173 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02447-1

关键词: 岩画保护, 岩石风化, 热应力, 沙漠岩画, 石材保护