为了准确检测成分,对 23 号样品进行微区荧光分析,在风化样品表面取了 9 个微区,编号分别为 1、2、3、4、5、6、7、8、9。其中 1、2微区表面有黑壳、无灰尘,3—9 微区表面有灰尘覆盖。基体样品表面取了 8 个微区进行分析,编号分别为 1、2、3、4、5、6、7、8。其元素含量结果如表 2 和表 3 所示。
表 2 风化面元素成分及含量(Wt%)
表 3 基体面元素成分及含量(Wt%)
表 2 为风化面元素成分及含量表。从表 2 可以看出,无灰尘的风化面都含有钙、镁、硫,还含有微量的铝、硅、钾、铊等,而有灰尘的风化面主要含有钙、镁、硅、硫,还含有微量的铝、铁、铜、镱等金属。表 3 为基体面元素成分及含量表,从表 3 可以看出,石碑基体主要成分为钙、镁,含有微量的硅、铝、硫和镱等其他金属,铝和硫的含量都在 1% 以下。由于荧光分析显微镜只能检测到原子序数 10 以上的元素,所以石材中的碳、氧无法反映出来,但原子序数在10 以上的元素其含量的比例较为准确。
根据以上结果分析,在风化面钙镁含量为90% 左右,硫含量为 3% 左右,其中有灰尘的风化面含有硅,而干净的风化表面硅含量较低,且元素成分复杂;而在基体面钙镁含量为 98% 左右,硫含量为 1% 以下,硅含量也较低。根据这些数据可以看出风化后钙含量明显下降,而硫含量明显上升,且石材基体中硅含量与风化产物中硅含量大致相同,说明风化后主要是钙镁含量下降,硫含量上升,与 X 射线衍射结果相同。这种钙镁含量下降,并不是真的因为钙镁流失了,而是因为原物质中不能被检测出的氧原子被硫原子取代了,从而在荧光分析中有增加的成分,导致钙镁元素的占比下降,这一结果与酸雨侵蚀后的结果相一致。风化产物中硅含量升高主要是表面的灰尘沉积的结果,灰尘使风化表面的元素种类明显比基体表面多,这也说明风化后石材表面更加容易吸附灰尘。
图 4 和图 5 分别为 145 号石碑上风化面和基体面的 SEM 照片,其中图 4 为风化面放大 4000倍的 SEM 照片,图 5 为基体截面放大 4000 倍的SEM 照片。从这两幅图片可以看出风化前后表面形貌差距较大。风化前石材基体由一颗颗的晶粒组成,棱角分明,晶粒尺寸大于 20 微米,与一般大理岩的微观形貌吻合;而风化后未见晶体形貌,表面被一些细小颗粒覆盖,颗粒尺寸在 5 微米以下,说明表面基体发生了化学反应,变成了细小粉末,从而失去了石材的性能。从微观角度来说,进士题名碑的风化就是基体材料从晶体转变为无定形小颗粒的过程,从而失去了材料的性能。这些无定形小颗粒,与遭到酸雨侵蚀后的硫酸钙硬壳的形态很相似。
根据 23、135、145 号等石碑基体和风化层的分析结果可以看出,石碑风化层和石碑基体主要差别在硫酸盐的增加,且风化层微观形貌主要为硫酸钙硬壳的形貌,说明石碑表面与硫酸发生了化学反应,生成了硫酸钙。风化后的成分中明显都有较高含量的硅、铝、钾、钠等元素,都是灰尘的组成元素,说明风化层更容易吸附灰尘。