戎 巖，李玉虎，王保東

（1陜西師范大學(xué) 歷史文化教育部工程研究中心，陜西 西安710119；2咸陽(yáng)師范學(xué)院 歷史文化學(xué)院，陜西 咸陽(yáng)712000；3酒泉市肅州區(qū)文物局，甘肅 酒泉735000；4關(guān)中古代陵寢文化研究中心，陜西 咸陽(yáng)712000）

1 酒泉西溝四、五號(hào)墓保存現(xiàn)狀

1993年，甘肅省文物考古研究所于甘肅省酒泉市果園鄉(xiāng)西溝村，清理發(fā)掘出西溝魏晉四、五號(hào)壁畫墓，墓葬編號(hào)分別為93JXM4和93JXM5，發(fā)掘后原址保存。

兩座墓葬為河西走廊魏晉時(shí)期的代表性墓葬，均為“一磚一畫”形式的磚室壁畫墓。墓磚壁畫色彩豐富，畫工精巧，可為研究魏晉時(shí)期西北地區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)、文化、民俗等領(lǐng)域提供豐富的實(shí)物資料，是研究該地區(qū)文化的“地下畫廊”。墓室內(nèi)有大量的彩繪磚壁畫，其中西溝四號(hào)墓為雙室墓，而五號(hào)墓為三室墓，通長(zhǎng)分別為7.7m和12.24m，兩座墓葬相距7 m，墓底水平相差0.8m，墓底距地表深度分別為11 m 和11.8m［1］。

墓磚壁畫內(nèi)容豐富，反映出農(nóng)耕、養(yǎng)殖、采桑、宴居、出行、軍事操練、狩獵等內(nèi)容，是研究魏晉時(shí)期西北地區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)、文化、民族、民俗及生態(tài)環(huán)境的實(shí)物資料，其中繪畫方面的內(nèi)容，在美術(shù)領(lǐng)域填補(bǔ)了我國(guó)魏晉時(shí)期繪畫史上的空白。

然而，近20年來(lái)，由于墓室開放頻次的增多及墓室環(huán)境的改變，在壁畫四壁下部與畫面局部發(fā)生了鹽析病害和地仗層、顏料層脫落，情況日趨惡化，而“酥堿”、“皰疹”等病害又被學(xué)術(shù)界認(rèn)為是壁畫的“癌癥”。如圖1、2所示。因此，對(duì)壁畫現(xiàn)狀進(jìn)行全面、詳細(xì)的調(diào)查、分析，有助探明壁畫墓葬水鹽運(yùn)移的機(jī)理，對(duì)盡快制定有效的保護(hù)措施及長(zhǎng)期保存具有特殊意義。

圖1 五號(hào)墓前室壁畫表面顏料脫落Fig.1 Pigment hedding of the mural in tomb 5

圖2 五號(hào)墓前室壁畫表面酥堿病害Fig.2Efflorescence of the mural in tomb 5

2 水文地質(zhì)調(diào)查

2.1 地表水資源

酒泉地區(qū)位于甘肅省北部，年平均氣溫6.9～9.4℃，平均降雨量36～83mm，年蒸發(fā)量約在3 000mm以上。兩座墓葬所處的果園鄉(xiāng)西溝村位于平原區(qū)，降水少，蒸發(fā)大。酒泉市地表水全年來(lái)水量的60%以上集中在7、8、9三個(gè)月；1～6月份是灌溉的高峰期，河道來(lái)水只有全年總來(lái)水量的20%；1月份和12月份大部分靠降雨補(bǔ)給的河道斷流［2］。

2.2 地下水資源

酒泉市不同區(qū)域水文地質(zhì)條件差異較為明顯，可分為南部祁連山－阿爾金山區(qū)、北部低山丘陵區(qū)、中部走廊平原區(qū)［3］。其中平原區(qū)依據(jù)地下水成因、地理地貌等特征，又分為肅州盆地、玉門－踏實(shí)盆地、安西－敦煌盆地等，多為中新生界以來(lái)的沉降盆地，為地下水提供良好的聚集場(chǎng)所［4］。

2.3 壁畫墓周邊環(huán)境

水文地質(zhì)勘查探明，在墓室附近農(nóng)村居民生活用水是打井取水，一般打井距地表20～30m左右。地質(zhì)巖體為砂礫巖，而墓底距地表深度為11m左右，地下水極有可能通過(guò)巖體的毛細(xì)管作用滲透至墓葬四壁及透過(guò)壁畫表面，形成墓室潮濕環(huán)境。從現(xiàn)場(chǎng)考察來(lái)看，墓室距農(nóng)田30～50m左右，五號(hào)墓封土西側(cè)距農(nóng)田灌溉水渠僅有十幾米遠(yuǎn)（圖3）。而從墓室內(nèi)部的現(xiàn)場(chǎng)考察，可明顯看出地表水對(duì)墓室頂部的滲漏作用（見(jiàn)圖5、圖6）。

圖3 墓葬西側(cè)農(nóng)田灌溉水溝Fig.3 Irrigation ditch in the west of the tomb

圖4 墓道塌陷部位Fig.4 Local collapses surrounding tomb

圖5 墓葬滲漏水情況Fig.5 Leakage water in the inner of the tomb

圖6 墓葬頂部滲漏水情況Fig.6 Leakage water in the top of the tomb

3 鹽害實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

ICS－1500離子色譜儀 （美 國(guó)戴安公司）；D／Max2550VB＋／PC全自動(dòng)X射線衍射儀（日本理學(xué)公司）；Quanta 200環(huán)境掃描電子顯微鏡（CFEI公司）；Mastersizer 2000激光粒度分析儀（英國(guó)馬爾文儀器公司）；PB－10pH計(jì)（美國(guó)Sartorium公司）；DDS－11A電導(dǎo)儀（上海大普儀器有限公司）；LP－100D型數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測(cè)定儀（上海路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）。

3.2 測(cè)試方法

通過(guò)在西溝四、五號(hào)壁畫墓前室、后室及墓道等部位采集已酥粉脫落土樣并在相應(yīng)未脫落位置取樣，經(jīng)四分法分樣并研磨過(guò)20目篩待測(cè)。分別取過(guò)20目篩的各樣品50g，準(zhǔn)確至0.01g，置于廣口瓶中，按土水比例1∶5加入超純水（已去除CO2），振蕩30min，減壓過(guò)濾，用離心機(jī)3 000r／min分離制備。浸出液一部分貯于細(xì)口瓶中，一部分低溫蒸干得到白色晶體，進(jìn)行下一步分析。

3.2.1 土壤含水率、pH、電導(dǎo)、易溶鹽測(cè)定以及液限、塑限測(cè)定 將采集的原土樣在105℃下烘干至恒重測(cè)定其含水率［5］，制備的土樣浸出液按照GB7859－87操作規(guī)程進(jìn)行酸堿度測(cè)試［6］，同時(shí)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 11007－2008的方法進(jìn)行土壤浸出液電導(dǎo)測(cè)試測(cè)試［7］，參照國(guó)家水土試驗(yàn)規(guī)程SL237－063－1999對(duì)土壤可溶鹽含量測(cè)定［8］。參照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB／T50123－1999對(duì)液限、塑限進(jìn)行測(cè)定［9］。

3.2.2 離子色譜測(cè)定 將取得的酥粉土樣磨細(xì)過(guò)100目篩子后放在烤箱內(nèi)105℃下烘烤至恒重，用鉛箔紙稱重，用去離子水溶解土樣，然后放于搖床震蕩1h，將溶液離心后后過(guò)0.45μm水系過(guò)濾器，將待測(cè)溶液稀釋后過(guò)0.45μm水系過(guò)濾器注入離子色譜儀測(cè)試。

3.2.3 X射線粉末衍射（XRD）測(cè)定 取一定量原狀土樣和土樣浸出液蒸干得到的結(jié)晶樣品研磨至全部通過(guò)200目分析篩，用XRD多晶粉末衍射儀測(cè)量10°～80°的衍射數(shù)據(jù)。

3.2.4 環(huán)境掃描電子顯微鏡（SEM）觀察及EDS能譜分析 將采集的泛白原狀土樣用小刀切成小塊，保持其表面的原始狀態(tài)，用雙面膠將樣品固定在金屬載物臺(tái)上，在低真空下進(jìn)行SEM觀察［10］。

3.2.5 激光粒徑測(cè)定 將已過(guò)篩的西溝四、五號(hào)墓酥粉土樣與未酥粉的原狀土進(jìn)行烘干處理，用激光粒度儀測(cè)定酥粉前后土樣的粒徑分布。

4 結(jié)果與討論

4.1 土壤性能測(cè)試

通過(guò)酒泉地區(qū)的水文地質(zhì)資料可知，該遺址所處地區(qū)氣候干旱，蒸發(fā)量較大，遺址土體中含有較多的可溶鹽。土壤電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果顯示（表1），土壤電導(dǎo)率隨高度的升高有減小的趨勢(shì)，也與表1中土壤含鹽量的變化趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。pH測(cè)試結(jié)果（表1）顯示該遺址土壤pH值介于7.8～8.4之間，可知該遺址的土壤以堿性為主，結(jié)合離子色譜測(cè)試數(shù)據(jù)可判斷出該區(qū)域土壤為硫酸鹽漬土。塑性指數(shù)小于10，該地區(qū)土質(zhì)應(yīng)為砂土，土壤顆粒組成中砂粒含量較高，該土種通透性強(qiáng)，通氣良好，土壤疏松，土壤毛管作用強(qiáng)，水分運(yùn)行快。

含水率隨高度的升高有減小的趨勢(shì)，液態(tài)形式的水進(jìn)入土壤孔隙結(jié)構(gòu)中，主要通過(guò)毛細(xì)作用和靜水壓力機(jī)理發(fā)揮作用［11］，而毛細(xì)吸力是非飽和滲流的原動(dòng)力。該地區(qū)屬于典型的大陸性干旱氣候，降水較少，因此水鹽運(yùn)移主要由地下水的毛細(xì)吸力提供驅(qū)動(dòng)力，這也與所測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。土壤的鹽漬化與水分在非飽和帶土壤中的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，壁畫地仗層土壤由粗細(xì)不同的毛管孔隙連通在一起，進(jìn)而組成較為復(fù)雜的毛管體系，“鹽隨水來(lái)，水走鹽留”，水分從地下水位面沿土壤毛管上升，土壤內(nèi)的鹽分隨著水分的運(yùn)動(dòng)遷移到上層，致使上層土的含鹽量較下層土高。長(zhǎng)期的溫濕度交替變化，在地下水毛細(xì)作用和水分蒸發(fā)作用的長(zhǎng)期影響下，土壤內(nèi)部和礦化的地下水中的鹽分在表層富集，造成了遺址的泛白和酥粉的產(chǎn)生。可溶鹽經(jīng)歷溶解－結(jié)晶－再溶解－再結(jié)晶的反復(fù)循環(huán)過(guò)程，使得壁畫本體表面遭受嚴(yán)重的破壞。

表1 五號(hào)壁畫墓不同層位土壤性能測(cè)試Tab.1 Properties of the soil from different locations in the tomb 5

4.2 物相分析

根據(jù)X射線衍射結(jié)果（圖7、圖8）可知，酒泉西溝四、五號(hào)壁畫墓的土樣主要成分為石英、鈣長(zhǎng)石及硫酸鈉等。不難看出，該墓中主要可溶鹽為硫酸鈉及硫酸鈣，在硫酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中，易在外圍結(jié)合一層水分子，形成較穩(wěn)定的含水硫酸鹽。當(dāng)鹽分周圍水分較少時(shí)形成過(guò)飽和溶液，鹽晶體從土遺址孔隙溶液中結(jié)晶析出，占據(jù)了較大孔隙空間，對(duì)孔壁產(chǎn)生擠壓，使土壤擠壓相鄰顆粒。通過(guò)與環(huán)境中水分相互作用，土體內(nèi)含水量增加時(shí)，已結(jié)晶析出的可溶鹽晶體又會(huì)再次地溶解在水中，孔隙擠壓力減小，孔壁回縮。在這種結(jié)晶、溶解、結(jié)晶的循環(huán)過(guò)程中，使得壁畫含鹽地仗始終處于“活動(dòng)”狀態(tài)，土壤的孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞，遺址表面發(fā)生酥堿破壞，表面土體成粉末狀脫落，最終導(dǎo)致壁畫逐漸產(chǎn)生劣化。

隨著墓道中濕度的變化，壁畫地仗層土體中的硫酸鈉不斷經(jīng)歷結(jié)晶－溶解過(guò)程，鹽類礦物結(jié)晶膨脹，體積產(chǎn)生較大變化，而造成對(duì)土壤圍巖的擠壓崩解，土體結(jié)構(gòu)不斷疏松，引起壁畫地仗層土體的破壞，致使壁畫文物本體表面崩解、開裂，對(duì)壁畫本體造成不可挽回的損失。

對(duì)西溝四、五號(hào)壁畫墓表面酥粉土樣進(jìn)行XRD物相分析（圖7、圖8）可知，墓室壁畫表面酥粉土樣內(nèi)的可溶鹽主要是Na2SO4和CaSO4，此外還含有微量的鎂鹽和氯鹽（圖9、圖10）等?？扇茺}極易破壞土壤的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，其中氯鹽的溶解隨溫度變化較小，吸濕保水性較強(qiáng)，易使土體變得軟化；硫酸鹽則隨溫度的變化而極易膨脹，易使得土壤產(chǎn)生擠壓收縮，從而使土體變得疏松。

圖7 四號(hào)壁畫墓酥粉土樣X(jué)RD物相Fig.7 XRD pattern of the powdery soil sample from the tomb 4

圖8 五號(hào)壁畫墓酥粉土樣X(jué)RD物相Fig.8 XRD pattern of the powdery soil sample from the tomb 5

圖9 五號(hào)壁畫墓酥粉土樣X(jué)RD物相Fig.9 XRD pattern of the powdery soil sample from the tomb 5

4.3 離子色譜分析

通過(guò)實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)西溝四、五號(hào)壁畫墓的鹽害主要發(fā)生在距墓室底部高約1m處至墓室底部的縱向范圍內(nèi)，因此取樣也主要針對(duì)該范圍內(nèi)。測(cè)試結(jié)果（表2）顯示，該墓葬遺址土樣中陽(yáng)離子主要為Na＋、Ca2＋，陰離子主要為、Cl－。因此不難推斷，可溶鹽主要為硫酸鈉、氯化鈉等，并含有部分微溶鹽CaSO4，同時(shí)還可以清楚地看到遺址內(nèi)有一定含量的離子，這可能與壁畫墓頂周圍環(huán)境有農(nóng)田耕種有關(guān)，土壤內(nèi)的有機(jī)氮通過(guò)微生物的硝化作用轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)鹽形式。

圖10 五號(hào)壁畫墓酥粉土樣X(jué)RD物相Fig.10 XRD pattern of the powdery soil sample from the tomb 5

表2數(shù)據(jù)顯示，縱向上，硫酸根離子變化較為明顯，隨著距墓室底部高度的增加，硫酸根離子濃度有所減小，而氯離子恰好相反，在距墓室底部較高處，離子濃度較大。其余陰、陽(yáng)離子隨高度變化的規(guī)律不甚明顯。而按照可溶鹽成鹽計(jì)算規(guī)則可知［12］，該遺址所取土壤可溶鹽中氯鹽主要是氯化鈉，硫酸鹽主要為硫酸鈉。由不同高度的離子含量的變化規(guī)律，可看出混合鹽溶液在地仗層內(nèi)進(jìn)行毛細(xì)遷移時(shí)，毛細(xì)前鋒為氯鹽的富集結(jié)晶，而亞前鋒則主要為硫酸鹽的富集結(jié)晶。

表2 四號(hào)墓不同位置土壤提取液離子含量測(cè)試Tab.2 The ion contents extracted with water from the soils at different locations in tomb 4 mg／kg

壁畫地仗層的土體是多孔介質(zhì)，隨著水分的蒸發(fā)，地下水在土壤孔隙的毛細(xì)作用下向上運(yùn)移，水在毛細(xì)作用下沿土體中的毛細(xì)管上升。同時(shí)，溶解在水里的鹽分也隨之發(fā)生移動(dòng)，當(dāng)鹽溶液到達(dá)遺址表面或者距表面一定深度后，水分蒸發(fā)散失到外界環(huán)境中而鹽分就會(huì)富集，同時(shí)大氣中的酸性氣體以及水汽也會(huì)和土壤表面的礦物成分發(fā)生復(fù)雜反應(yīng)，生成一些鹽分。對(duì)比不同高度的離子濃度，可看出毛細(xì)前鋒為氯鹽的富集結(jié)晶，而亞前鋒則主要為硫酸鹽的富集結(jié)晶。

4.4 SEM 分析

通過(guò)低真空條件下，高倍顯微觀察，對(duì)比未酥粉與酥粉土樣的SEM和EDX圖譜（圖11—14），不難看出在遺址土壤的表面或填充于土壤孔隙之間有鹽分析出。當(dāng)這些鹽分晶體析出在遺址的表面時(shí)，遺址土壤失去原來(lái)的外觀，出現(xiàn)酥粉等病害。當(dāng)這些微溶、可溶鹽填充在土顆粒之間時(shí)，一方面由于物理作用，通過(guò)反復(fù)的溶解－結(jié)晶過(guò)程，引起的體積變化對(duì)周圍的土壤孔隙產(chǎn)生擠壓；另一方面通過(guò)化學(xué)作用，即空氣中水和二氧化碳以及一些酸性氣體與土壤中的鹽分和土壤礦物發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，遺址土壤中的可溶鹽易與水分結(jié)合形成水合鹽，在干旱情況下，又易失去結(jié)晶水；通過(guò)化學(xué)、物理等協(xié)同作用的影響，導(dǎo)致土壤的團(tuán)聚力降低導(dǎo)致表面產(chǎn)生酥粉、脫落等病害。

圖11 壁畫表面未酥粉土樣SEM圖譜Fig.11 SEM image of the mural soil samples without pulverization

圖12 壁畫表面未酥粉土樣EDX測(cè)試Fig.12 EDX spectrum of the mural soil samples without pulverization

圖13 壁畫表面酥粉土樣SEM圖譜Fig.13 SEM image of the mural soil samples with pulverization

圖14 壁畫表面酥粉土樣EDX測(cè)試Fig.14 EDX spectrum of the mural soil samples with pulverization

4.5 激光粒度測(cè)試

由粒徑概率分布圖和積累分布圖（圖15）可看出，酥粉土樣的粒度集中在30μm左右，未酥粉土樣的顆粒度集中在45μm左右，土壤內(nèi)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)遭到破壞從而導(dǎo)致遺址表面的穩(wěn)定性降低發(fā)生粉化和脫落現(xiàn)象。

圖15 五號(hào)墓酥粉與未酥粉土壤粒徑分布圖Fig.15 Particle size distributions of the mural soils with and without pulverization

5 結(jié)論

（1）在上世紀(jì)90年代，考古學(xué)者撥開該墓的神秘的面紗。隨著進(jìn)行深入的考古發(fā)掘后，墓室內(nèi)有利于壁畫保存的微環(huán)境由封閉體系轉(zhuǎn)為開放體系；特別是開放次數(shù)頻繁及幾十年間墓室環(huán)境的改變，土壤內(nèi)部鹽分在地下水毛細(xì)作用、水分蒸騰作用以及地表水的入滲等共同作用下在壁畫表面富集，產(chǎn)生明顯的泛白現(xiàn)象。而停留在干濕交界面的鹽分則在外界水汽和地下水的作用下產(chǎn)生溶解收縮－結(jié)晶膨脹－溶解收縮的過(guò)程，導(dǎo)致遺址表面產(chǎn)生了酥粉和脫落。

（2）通過(guò)XRD、離子色譜等分析手段對(duì)壁畫墓土樣的分析檢測(cè)，可看出硫酸鈉和硫酸鈣在酥粉鹽害土樣中含量較高，是導(dǎo)致該墓葬表面顏料層脫落、墓葬磚石開裂等病害的最關(guān)鍵因素。為探明該墓葬酥粉病害機(jī)理，采用掃描電子顯微鏡觀察的手段對(duì)酥粉土樣進(jìn)行觀察，微溶性鹽硫酸鈣類沉積于遺址土壤表面，填充于遺址土壤顆粒之間，造成遺址的泛白和遺址土壤的酥粉、脫落等病害。

（3）激光粒度分析測(cè)試結(jié)果不難看出，易溶鹽硫酸鈉及微溶鹽硫酸鈣含量的增多，土壤顆粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，較未發(fā)生嚴(yán)重酥粉病害的土壤顆粒度整體偏小，團(tuán)聚力減小，使得酥粉土樣更容易從遺址本體表面脫落。

（4）上述病害均對(duì)壁畫表面信息造成了不可挽回的損失，有必要及時(shí)采取有效的保護(hù)方案及對(duì)策，及時(shí)搶救珍貴的文化遺產(chǎn)。對(duì)于西溝四、五號(hào)壁畫墓而言，應(yīng)及時(shí)采取防水、隔水措施，對(duì)壁畫表面顏料層脫落較為嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行搶救性保護(hù)。

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