石窟（寺）是指在河畔山崖开凿的佛教寺庙，广义上含摩崖造像，即在岩面上开凿的露天或浅龛中的造像。石窟作为佛教及其艺术的最主要载体，随佛教传播主要分布在南亚、中亚、东亚和东南亚等区域。我国石窟历史悠久、内容丰富，主要沿丝绸之路密集分布。开凿时间约始于3世纪，盛于5-8世纪，最晚可到16世纪。石窟集建筑、雕塑、壁画和书法于一体，蕴含珍贵的文化信息，充分体现了中华民族的审美追求和文化精神，是文化遗产的重要载体。

石窟多赋存在易于开凿且具有较好的自稳能力的岩体中，几乎涵盖了沉积岩、岩浆岩与变质岩三大类型，以砂岩、灰岩、大理岩、花岗岩等居多。据全国石窟寺专项调查，我国石窟共5986处，其中约80％以上的石窟均开凿于砂岩之中，包括著名的莫高窟、云冈石窟和麦积山石窟等。然而，历经千百年沧桑，我国70%以上的石窟均遭受了不同程度的劣化及破坏，甚至造成了不可逆的文化信息层丢失，其损失难以用经济价值估量。由于大部分石窟砂岩以泥质、钙质胶结为主，遇水易崩解，层间裂隙发育，我国砂岩石窟的剥落病害极为突出，是仅次于缺失的最常见的劣化模式，也是砂岩石窟最难治理的劣化现象。

图1 我国典型砂岩石窟分布及劣化现象

为更好地保护石窟，前人针对砂岩石窟的劣化模式、劣化机理和劣化防控方面开展了大量研究。特别是近十余年来，多个国家级重大研发项目围绕砂岩破坏机理及保护材料与工艺展开，取得了一系列的成果认识。砂岩石窟常见的剥落模式主要包括粉状剥落、片状剥落、层状剥落、板状剥落，剥落尺度涵盖了微观(< 0.1 mm)、细观(0.1–10 mm)、宏观(> 10 mm)等多个尺度。对于劣化机理主要有三种观点：岩性控制论、微环境控制论和多因素耦合过程论。岩性控制论强调岩性的控制作用，如粗砂岩和细砂岩由于颗粒粒径差异，渗透系数不同，表现出不同的劣化模式。微环境控制论侧重外部环境的影响，即在干湿交替、冷热交替和冻融循环过程中，由于水的相态等变化导致砂岩颗粒连接的破坏。多因素耦合过程论强调岩性、结构、侵蚀作用的综合过程，但其结构主要是指宏观尺度的裂隙。

基于劣化机理认识发展了三类防控方法：物理隔离、化学注浆和微生物调控。物理隔离通过对影响砂岩劣化的主控因子如水进行防控，实现对微环境的剧烈变化的隔绝；化学注浆则通过对微裂隙注入化学浆液进行粘接加固，在干旱地区石窟寺较为适用，但在潮湿地区由于透气性不好易失效；微生物调控则通过微生物矿化技术，利用脲酶水解尿素生成碳酸根离子，使其与胶结液中的钙离子结合析出碳酸钙结晶以达到填充和胶结的目的。上述技术支撑了我国对石窟的早期抢救性保护工作，保证了石窟的整体稳定性。然而，由于对机理认识不足，常导致防控不当甚至出现二次破坏，如加固材料在表面形成结壳、限制加固深度，结晶压力导致开裂等，同时也很难满足预防性、精细化保护需求。

中国科学院地质与地球物理研究所研究团队经过多年的研究发现，砂岩具有独特的纹层结构。不仅在米级、分米级、厘米级发育纹层结构，在毫米级和微米级也有明显的纹层结构，主要由是由颗粒形态、粒径、排列、物质成分等差异形成的。这些纹层结构形成多尺度界面，制约了水-盐-热的运移，控制石窟的变形和破坏，但在已有的石窟劣化机理和防控研究中一直忽视了纹层结构的影响。近期国家自然科学基金委批准了文物保护方向的首个重点项目“石窟纹层砂岩多尺度劣化机理与防控”，预计2026年开始启动新一轮石窟保护利用研究工作。

图2 石窟砂岩中极其发育的纹层结构特征

未来研究工作中，研究团队将以纹层结构为核心，聚焦砂岩纹层结构如何制约石窟多尺度劣化过程、砂岩纹层结构如何影响防控效果两个科学问题开展深入研究。预期将破解石窟纹层砂岩的劣化过程，揭示纹层砂岩劣化的岩性-结构-水力耦合作用机制，实现理论原始创新；同时，发展纹层砂岩微细观结构力学研究方法，提出石窟劣化绿色韧性防控技术，为我国石窟长期保护提供科学依据，支撑文化强国战略。