石窟作为集历史、艺术与科学价值于一体的重要文化遗产，深刻反映了古代人类的生产生活方式、社会结构体制、精神信仰体系及其文化内涵。在长期自然风化与复杂赋存环境的耦合作用下，石窟表层岩体持续发生劣化，病害类型多样且程度迥异，呈现出复杂的空间差异性。在长期的水-岩相互作用下，剥落成为分布最广、出现频率最高的典型石窟病害类型之一。前期研究表明，石窟岩石微观结构中的潜在剥落面，多由沿黑云母解理面扩展的微裂隙相互贯通而成，揭示出黑云母风化与片状剥落发育之间存在密切关联。厘清石窟浅表部岩石中黑云母的微观赋存特征及其与微裂纹发育之间的耦合关系，可实现黑云母微观膨胀致裂效应与宏观剥落病害发育的跨尺度关联。

近日，智能建造学院张雪凝博士团队围绕“黑云母膨胀机制”和“膨胀致裂损伤机理”两个关键科学问题，通过扫描电镜、电子探针等微区分析技术，对黑云母矿物的微观风化行为进行了系统分析。SEM图像显示，黑云母解理面内有明显的次生矿物沉淀，使其呈现出拱桥状凸起并发生体积膨胀。次生沉淀主要为黑云母中的Fe2+氧化形成的赤铁矿。黑云母风化过程伴随微观膨胀变形，引发矿物边界及粒间裂隙的萌生与扩展。其产生的膨胀力足以压碎邻近矿物颗粒，对岩石的细微观结构造成损伤，最终在岩石表层形成宏观的剥落病害。实验结合分子动力学模拟，系统揭示了黑云母风化膨胀致裂效应对石窟剥落病害发育的内在机制。研究成果对延续石窟的历史、艺术与科学价值具有核心意义，也可为国内外类似地质与环境条件下石质文物保护提供理论依据与科学指导。

图1  黑云母宏微观膨胀致裂效应诱发石窟剥落病害示意图

研究结果以论文形式发表于《Catena》期刊，题目为“Micro-fracturing and deterioration mechanisms of sandstone in the Nankan grotto, China: Critical role of biotite weathering”。张雪凝博士为该论文的第一作者。《Catena》是爱思唯尔（Elsevier）旗下的一本国际学术期刊，该期刊以发表原创研究论文为主，研究主题为环境科学-地球科学综合。

该研究得到山东省自然科学基金项目的资助。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0341816226003176