用于破译石灰石中盐结晶—冻融协同损伤的多模态 NMR‑SEM 方法

石像为何会慢慢风化崩落

在中国龙门石窟的峭壁上，数千尊雕刻佛像经受了1500多年的风雨流转。然而，它们今天面临的最大威胁并非入侵的军队，而是微小的盐晶与一年一度的寒冬与暖夏的交替。本研究提出了一个对文物保护工作者和好奇参观者都紧迫的问题：水与盐如何与低温联手，将支撑这些无可替代雕刻的石灰石从内部掏空？

每天受到侵蚀的峭壁

龙门石窟位于潮湿的河谷中，石面不断被浸湿、干燥、冷却和加热。降雨与渗出水把溶解盐——主要是食盐（氯化钠）和硫酸盐——带入多孔的石灰石中。冬季温度在冰点之下与远高于冰点之间来回摆动，使岩石反复膨胀与收缩。经过数百年，这些温和但持续的变化会打开裂缝、松动颗粒并导致峭壁表面片片剥落。为保护遗址，保护人员需要洞察岩石内部并追踪这种损伤的演变，而非仅凭风化表面推测。

在不破坏石样的情况下窥视内部

研究者将两种强有力的手段结合起来追踪重复的“盐结晶—冻融”（SCFT）循环造成的损伤。核磁共振（NMR）使他们能够描绘水在小型石灰石圆柱体孔隙中的分布，将岩石内部隐蔽空隙的变化转化为可测量的信号。扫描电子显微镜（SEM）提供了粒级尺度的表面细节图像，便于计算机软件“着色”孔隙并计算形成了多少空隙。他们将试样浸泡在纯水、含氯化钠的盐溶液和含硫酸钠的溶液中，然后让样品经历最多90次模拟窟窿微气候的日常浸湿、干燥、冻结与融化循环。

从微小空隙到贯通通道

在显微镜下，岩石从完整到受损的过程可分为三个阶段。早期循环中，水与冰首先沿颗粒界面打开发微裂缝，最小孔隙数量增加。随着循环持续，这些孔隙开始相互连通形成通道，表面颗粒开始溶解或脱落，尤其在有盐存在的区域。最终阶段，许多小孔和中孔合并为更大的空洞和贯通裂缝。NMR 测量表明，大孔体积大致可翻倍，样品的总体孔隙率显著上升——在富盐试验中增长超过70%。这种不断扩展的更宽通路网络使得新的含盐水更容易渗入，形成一个恶性循环的损伤过程。

为何某些盐的破坏性更强

不同盐对石灰石的破坏方式并不相同。氯化钠会增加关键矿物的溶解速率，并在水分蒸发或冻结结晶时，对孔壁产生强烈的机械挤压力。相比之下，硫酸钠倾向于形成一层薄薄的新矿物，部分包被颗粒的同时也扩展孔隙。研究发现，含氯溶液导致最严重的破坏，产生更多的大孔洞和更不规则的破坏模式，超过硫酸盐溶液或纯水暴露的样品。通过追踪孔隙网络“分形维数”的变化——衡量其复杂性和互联程度——作者表明，含盐样品发展出更为纠结、非均匀的内部结构，而仅受冻融影响的样品则较为规则。

这对拯救雕刻峭壁意味着什么

对非专业人士而言，主要结论是：龙门的石灰石并非仅因寒冷开裂或被雨水溶蚀；盐与温度波动的联合作用正从内部改造石体。新的 NMR—SEM 方法为保护人员提供了定量指标——如孔隙率、孔径分布与分形复杂度——可揭示石体何时从无害的微裂转变为危险且快速扩展的劣化。这些知识可以指导实际措施，例如控制含盐潮湿环境、减缓雕刻附近的温度波动，以及在石材失去内在强度、珍贵的塑像开始坠落之前，优先对最脆弱区域进行干预。

引用: Wang, Z., Wang, Y., Zhao, Y. et al. Multi-modal NMR-SEM approach for deciphering salt crystallization-freeze-thaw synergistic damage in limestone. npj Herit. Sci. 14, 280 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02485-9

关键词: 岩石风化, 盐结晶, 冻融损伤, 文化遗产保护, 石灰石孔隙