張嘉馨

[摘要]巖畫是我們重要的文化遺產(chǎn)，它承載著人類遠古的歷史和文化。但由于自然風化和環(huán)境破壞等各方面因素，巖畫日漸斑駁模糊，珍貴的史料、生動的圖像漸行漸遠。巖畫保護成為一個嚴峻問題。本文通過對納米材料的研究和實驗，探索其在巖刻類巖畫保護中應用的可行性和優(yōu)勢，以期新材料的研究能為守護古老的巖畫貢獻力量。

[關鍵詞]巖畫保護 防風化 納米材料 具茨山巖畫

巖畫，在美洲多稱為“rock art”，在歐洲多稱為“cave art”，同時也常被稱作“rock carvings”“rockengravings”“rock inscriptions”等。在中國目前一般稱為“巖畫”，在20世紀中后期的著作中也稱為“崖畫”“石刻”等。此外，還有“Petroglyph”指巖刻類巖畫，“pictographs”指彩繪類巖畫。本文的納米技術主要針對巖刻類巖畫進行保護研究。目前，巖畫作為UNESCO世界遺產(chǎn)，在法國、意大利、印度、阿塞拜疆、蒙古、利比亞、挪威、瑞典、坦桑尼亞、西班牙、葡萄牙、墨西哥、馬拉維、印度、保加利亞、哈薩克斯坦等國均有。巖畫是一種全球性的現(xiàn)象，在世界不同地區(qū)的文化中均有發(fā)現(xiàn)。巖畫的創(chuàng)作貫穿于人類的整個歷史進程，在許多民族志資料的記錄中把巖畫作為儀式產(chǎn)物的一部分。巖畫作為一個學科引起人們廣泛的注意是在20世紀80到90年代，大衛(wèi)·惠特利（David S.Whitley）稱這一時期為“革命”。在這一時期，大量的以英語為母語的考古學家和拉丁美洲的考古學家開始把注意力轉向巖畫。他們認識到巖畫可以被用來理解象征、宗教系統(tǒng)、性別關系、文化邊界、文化演變、藝術起源和信仰。

具體到中國而言，從東海之濱的連云港、珠海到西部邊陲的新疆、西藏地區(qū)，從北部的大興安嶺到南部的珠江流域都廣泛分布有巖畫。目前我國共有1227處巖畫遺址，國家級文物保護單位19處，省級文物保護單位88處，縣級文物保護單位199處（第三次全國文物普查數(shù)據(jù)）。這些古老而神秘的巖畫從遠古遺留至今，一幅幅生動的圖像訴說著黃土埋塵般遠去的歷史。歷經(jīng)歲月的滄桑與歷史沉浮，風剝雨蝕，日曬塵降，昔日那清晰的畫面日漸模糊，褪去的不僅僅是清晰的線條，還有巖畫所承載的歷史記憶。然而，由于巖畫自身地理位置的特點，及其整體性保護的需要，很難像可移動文物一樣置于博物館中，這就為巖畫的保護帶來了挑戰(zhàn)。目前隨著各個巖畫點保護區(qū)的建立，盜竊、刻畫、涂鴉等人為性破壞已經(jīng)得到有效控制，但風化仍舊是擺在巖畫保護面前的一個嚴峻問題。

本文以納米二氧化硅復合二氧化鈦制劑為材料進行實驗和研究，探討其在巖畫保護中應用的可能性及其優(yōu)勢，并以河南具茨山為例，結合具茨山的生態(tài)環(huán)境和風化要素，在實驗室數(shù)據(jù)分析的基礎之上，對其進行了初步的實驗性應用。

一、巖畫風化與保護現(xiàn)狀

（一）巖石的風化類型

巖石是巖畫的物質載體。巖石的風化類型有三種：物理風化、化學風化和生物風化。引起這三種風化的要素各不相同，其導致的風化結果也有所差異。在具體保護中，所運用的保護策略也需根據(jù)風化的情況進行綜合分析。

1.巖石的物理風化

巖石物理風化的主要因素有干濕過程、冷熱過程和凍融過程。物理風化對巖石的主要破壞原理在于水冰相互轉化過程中引起的熱脹冷縮，導致巖體內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應力。在物理風化的長期作用下，巖體的強度下降，結構遭到破壞。

2.巖石的化學風化

巖石的化學風化主要是指巖石與外部環(huán)境中的大氣、水分等發(fā)生化學反應，形成新的化學物質和礦物質，從而使巖體遭到侵蝕破壞?；瘜W風化的主要形式有溶解作用、水化作用、氧化作用、碳酸化作用、堿化作用等。

3.巖石的生物風化

巖石的生物風化主要是指動植物的生命活動對巖石的破壞作用，如植物的根系在巖石中生長時的膨脹作用，以及根系中有機酸、真菌、細菌、地衣等微生物的生命活動對巖體的侵蝕等。

具體到對巖畫本身的影響而言，物理風化容易導致畫面開裂、剝落；化學風化容易導致畫面模糊，加速畫面整體性的消失；生物風化易導致畫面產(chǎn)生裂隙、生長地衣等破壞畫面。在實際的過程中，這三種風化往往同時進行，但根據(jù)巖石性質、周邊生態(tài)環(huán)境的不同，風化類型有所區(qū)別和側重，同時針對巖體不同的風化程度（見表1）所采取的措施也各異。在微風化和弱風化狀態(tài)下可用納米涂層的方法進行日后風化的預防；而對于強風化和全風化狀態(tài)的巖體，要先對巖體本身進行修復和加固，才能進一步做納米涂層的保護。

（二）巖刻類巖畫的傳統(tǒng)保護方式與保護現(xiàn)狀

自中國巖畫發(fā)現(xiàn)100年以來，特別是20世紀90年代之后，巖畫的價值日益受到重視，保護也隨之有所發(fā)展。但就各個地區(qū)的巖畫保護措施而言，主要是建立巖畫保護區(qū)（寧夏賀蘭山、連云港將軍崖、河南具茨山、珠海寶鏡灣等），文管部門定期檢查（浙江仙居等），搭建巖畫保護掩體（內(nèi)蒙古烏海），硅膠涂層（江蘇省連云港）。

1.建立巖畫保護區(qū)

保護區(qū)的建設有效防止了涂鴉、刻畫、偷盜等人為因素對巖畫造成的破壞，但并未能有效防止巖體的風化。

2.巖畫保護掩體

在巖畫上搭建小型建筑對巖畫進行遮蔽和保護，雖然能有效防止風蝕、水蝕、酸雨等風化要素，但對巖畫所在的原生自然景觀有一定影響。往往新搭建的保護建筑與周邊自然環(huán)境不能有效協(xié)調，也使人們難以近距離接近巖畫，進行細節(jié)的觀察（如內(nèi)蒙古烏海巖畫）。

3.硅膠涂層對巖體進行防風化處理

2005年連云港將軍崖巖畫用有機硅材料對巖體進行了防風化處理。有機硅具有良好的憎水性，但將軍崖巖畫位于近海地帶，濕度大，地下土層鹽分高，有機硅的疏水性使得巖體內(nèi)部由于水分的交換不暢產(chǎn)生內(nèi)應力，易對巖體造成破壞。

基于目前巖畫保護中對于防風化缺少有效的方法以及納米技術近年來的發(fā)展和在其他領域中應用的成果，針對納米二氧化硅復合二氧化鈦進行了進一步的研究和實驗，以期通過納米材料特有的性能，對巖畫的防風化保護能有所裨益。

二、納米二氧化硅復合二氧化鈦的特性及防風化實驗

納米材料通常是指粒徑在1nm到10nm之間的材料，因其粒徑過小而具有界面效應、小尺寸效應及宏觀量子隧道效應等，從而改變了材料的性能，具備了新的物理和化學特性。當材料在納米尺度時，材料的表面相會影響到材料的性質。同時，在納米材料中電子相關性很強，能級分裂和電子布局的改變、量子隧道和輸運的不同以及材料中的激發(fā)態(tài)都會對納米材料的性能產(chǎn)生影響。其中納米材料的小尺寸效應和宏觀量子隧道效應，使其與其他材料（如高分子聚合物）中不飽鍵的電子云發(fā)生作用，進而與材料中的大分子相互結合形成立體的網(wǎng)狀，這大幅度提高了材料的強度、韌性、延展性，使材料具有極強的耐腐蝕抗氧化性。

納米二氧化硅（SiO₂）粒徑很小，表面吸附力強，表面能大，分散性能好，廣泛應用于航空航天、醫(yī)學、防護涂層等領域。具體到保護涂層而言，納米二氧化硅不僅具有良好的韌性和耐候性，還具有三維網(wǎng)狀結構，擁有龐大的比表面積，表現(xiàn)出極大的活性，能在涂層干燥時形成網(wǎng)狀結構，從而增加了涂層的強度和通透性。同時，納米二氧化硅還具有良好的生物親和性。

納米二氧化鈦（TiO₂）具有很高的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、無毒性、超親水性、非遷移性。作為保護涂層有良好的分散性和耐候性、較強的屏蔽紫外線的作用。納米二氧化鈦的抗紫外線能力與其粒徑有關：當粒徑較大時，對紫外線的阻隔是以反射、散射為主，且對中波區(qū)和長波區(qū)紫外線均有效；隨著粒徑的減小，光線能透過納米二氧化鈦的粒子面，對中波區(qū)紫外線的吸收性明顯增強。即納米二氧化鈦對不同波長紫外線的防曬機理不一樣，對長波區(qū)紫外線的阻隔以散射為主，對中波區(qū)紫外線的阻隔以吸收為主。

基于日后在具茨山巖畫進行納米技術防風化實驗的設想，樣本于2014年9月6日采集于河南省新鄭市具茨山（見圖1）。地理坐標：北緯34°20′41.91″，東經(jīng)113°34′44.19″，海拔209米。巖石種類為片巖。針對巖畫風化的要素和納米材料在巖畫保護中的效度，對樣本進行了涂層厚度、接觸角測試、紫外線測試、酸堿度和附著力方面的測試。下面將結合納米二氧化硅復合二氧化鈦的特性和實驗結果對其在巖刻類巖畫保護中的可行性進行進一步的探討。

（一）提高強度和耐候性

納米二氧化硅復合二氧化鈦酸堿測試：將附有該納米涂層的玻璃基材浸泡到10%HCl或者NaOH溶液中，納米涂層表面無變化。因此，對待環(huán)境中的鹽分、酸雨、塵降等具有較好的防御性能。

納米二氧化硅復合二氧化鈦附著力測試：利用附著力測定儀測定該納米涂層的附著力，納米涂層的附著力為0級（利用附著力測試標準儀器作劃格法測試，切割邊緣完全平滑，無一格脫落）?？杀Ｗo巖體表面沙化脫落以及物理撞擊（風、雨水、沙塵等）對巖體產(chǎn)生的破壞作用。

通過納米材料的覆蓋，形成保護層，有利于提高巖面的強度，增加抗擊打的能力，有效抵制雨水、沙塵等產(chǎn)生的撞擊力而帶來的破壞。同時，保護層對于周邊環(huán)境的波動、溫差帶來的巖體張力、濕氣、鹽分的滲入具有一定的隔離效果，從而提高了巖體的耐候性。

（二）透明及防遮蓋性

涂層厚度（見圖2）：根據(jù)SEM照片顯示，將納米材料涂在具有氧化層的硅片上，涂抹三層的厚度約為300nm。也即平均每層僅為100nm。同時，納米材料的粒徑都小于100mn，而可見光的波長則為400mn至750nm，因此根據(jù)Mie理論可知納米級材料相對于可見光而言是透明的?；诩{米材料良好的透明性和防遮蓋性將其涂在巖畫表面不會改變巖畫的視覺效果和原有性狀。

（三）良好的親水性

傳統(tǒng)的有機材料（如連云港將軍崖使用的有機硅）與巖體的相容性尚待提高。第一，巖石本身的親水性和有機保護膜之間憎水性的矛盾會導致巖體產(chǎn)生應力破壞，即表層的憎水性使石頭的內(nèi)外層產(chǎn)生顯著的溫度、濕度梯度從而造成應力破壞。保護材料的憎水性越大，界面應力越集中，破壞速度也越快；同時，巖石的強度越小、吸水率越高，也更易于遭到破壞。第二，在干濕循環(huán)過程中，被保護部分的憎水性和巖石基底親水性的物理性質差異及界面應力也會對巖體內(nèi)部造成破壞。第三，傳統(tǒng)有機材料的保護膜阻止了可溶性鹽分在巖體內(nèi)部和表面的遷移，鹽的結晶應力可以頂破保護層，甚至漲破巖體的表層組織，使巖體呈粉狀剝落。通過水在巖石內(nèi)部的運移和相變過程，鹽結晶、加熱、凍融將加劇表面保護層的破壞速度。與傳統(tǒng)材料相比，納米二氧化硅復合二氧化鈦，具有良好的親水性，能在有效提高巖石強度和耐候性的同時，保持巖石的內(nèi)部與外部的水氣交換，保持巖體與自然界交流的暢通，減少傳統(tǒng)有機保護材料因憎水性對巖體帶來的應力破壞。這也是基于巖畫的破壞主要來自于外界的環(huán)境，巖體本身的生態(tài)微循環(huán)對巖畫的破壞極小。納米材料的應用主要是基于對外界破壞的防護，并在防護的同時保持巖體與外部環(huán)境正常的水氣、鹽分交換及與周邊巖體保持同步的應力，維護巖體本身的小生態(tài)圈，有效避免了因保護涂層而隔斷巖體與外界的正常交流而造成的保護性破壞。

（四）良好的透氣性

透氣性是指保護材料在阻止外界液態(tài)水進入巖體的同時，也可以讓巖體內(nèi)部的水分通過氣體的形式從內(nèi)部散發(fā)出來，使得巖體內(nèi)外的濕度達到一個相對平衡的狀態(tài)。就原生的巖體本身而言，其自身的毛細孔就可以保證巖體與外界的水氣交換。一旦使用了高分子保護材料，由于材料的憎水性，使得巖體內(nèi)部與外部不能進行有效的水氣交換，進而對巖體產(chǎn)生破壞。但納米材料，基于其表面相和良好的透氣、透水性，可以保證巖體內(nèi)部與外部的水氣交換。

（五）防紫外線、抗老化性

紫外線是一種比可見光光波短的電磁波，波長越短，能量越大，危害也就越大。因此，紫外線也是造成巖面風化的重要原因之一。納米材料的表面效應和量子尺寸效應（納米顆粒的量子尺寸效應使其在吸光時產(chǎn)生“寬化”和“藍移”現(xiàn)象進而增強了對紫外線的吸收作用）對光有良好的吸收作用。納米二氧化鈦具有高折光性和高光活性，它本身具有半導體的特性，可以通過吸收或者散射紫外線來減小紫外線的通過率。與高分子聚合物按照一定方式復合，納米顆粒的尺寸與光波波長相當或更小時，小尺寸效應導致對光的吸收顯著增強，尤其對紫外線具有強烈的吸收作用，這樣就使得納米復合材料具有很好的紫外線屏蔽作用。

（六）自清潔功能

光催化功能的研究發(fā)現(xiàn)：在日光的紫外線作用下，納米二氧化鈦被激活并生成具有高催化活性的游離基，能產(chǎn)生很強的光氧化及還原能力，可催化、光解附著于物體表面的各種有機物及部分無機物。利用二氧化鈦的光催化反應可以把吸附在二氧化鈦表面的有機污染物分解為自然揮發(fā)的CO₂和O₂，剩余的無機物可被雨水直接沖刷干凈，從而實現(xiàn)自清潔功能。同時，納米二氧化鈦可成為親水性和親油性兩相共存的“二元協(xié)同納米界面”。

三、納米涂層保護技術在具茨山巖畫中初步的實驗性應用

具茨山位于河南省新鄭市辛店鎮(zhèn)，為中岳嵩山之余脈，東西長2公里，南北寬1.5公里，面積3平方公里，海拔793米，相對高度540米。具茨山歷史悠久，人文資源豐富?！肚f子·徐無鬼》載：“黃帝見大隗于具茨之山?！贬B道元《水經(jīng)注》記載：“黃帝登具茨山，升于洪堤上，受《神芝圖》于華蓋童子，即是山也?！本叽纳綆r畫數(shù)量多，以凹穴、方格紋為主，多用磨刻或敲鑿法制作而成，有著悠久的歷史和獨特的文化價值。而有效的保護措施和防風化處理能夠保證畫面的品質，為日后的學術研究提供優(yōu)質的實體基礎。

就具茨山所處的氣候、地理環(huán)境而言，地處豫西平原向華北平原的過渡地帶，屬暖溫帶大陸性季風氣候。年平均氣溫14.2℃，年平均降水量662.0mm。汛期通常在6月至8月，能占到全年降水量的54%。由1960年至52000年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知該地區(qū)（新鄭）沙塵暴的發(fā)生次數(shù)為24次。除了水蝕、風蝕、日照、沙塵暴等侵蝕要素外，由于近年來新鄭及其周邊地區(qū)工業(yè)化的發(fā)展，塵降、酸雨、霧霾等也成為對巖畫破壞的要素之一。所以，并非沒有人為的破壞，就能完好地保護巖畫，面對日益嚴峻的自然環(huán)境和斑駁模糊的巖畫圖像，防風化的研究和舉措有一定的必要性。

基于此前的研究基礎，2014年10月17日在河南具茨山進行了納米涂層保護的實驗，具體位置位于新鄭市白馬寺東北虎頭嶺。地理坐標：34°17.5230N；113°34.5877E；海拔：292m；實驗面積：長130cm，寬130cm。

實驗步驟：

（1）選定實驗巖石，對巖石的性質進行分析和測算，并根據(jù)巖石性質制定合適的納米材料制備方案。

（2）對實驗的巖石進行數(shù)據(jù)測量和記錄（見圖3-1）。

（3）對巖體表面進行處理，去除微生物、細菌、真菌，噴殺菌劑（見圖3-2）。

（4）蒸餾水清洗，并待巖石表面自然晾干。

（5）噴涂納米保護涂層，在噴涂過程中以氣壓方式均勻噴灑為佳（見圖3-3）。

（6）對實驗后的巖面進行數(shù)據(jù)記錄和拍照（見圖3-4）。

四、對于不同地區(qū)的巖刻保護與納米涂層制備的探索

在使用納米材料對巖刻類巖畫進行保護時，要注意“因地制宜”，根據(jù)不同地區(qū)巖石的性質和所處的自然地理環(huán)境及其風化要素的分析，對納米材料的配置在實驗室中進行相應的調整。

1.根據(jù)巖石本身的物理性質、透氣性、含水性等，對納米涂層的制備進行調整。同時要著重注意巖石的張力與涂層之間的張力是否匹配，避免因二者張力不一致造成的破壞。在納米材料的硬度方面，要注意材料的熱脹系數(shù)與巖石的熱脹系數(shù)要接近。如果材料硬度低，延展伸縮性好，與巖體的熱脹系數(shù)保持一致，就不會因涂層與巖體的熱脹系數(shù)不同產(chǎn)生的應力而導致巖體表面的剝落現(xiàn)象。

2.增強材料的親水性和透氣性，促進巖面與自然界的水氣交換，避免所保護巖石的小生態(tài)環(huán)境部受到破壞。

（1）把握水（潮氣）在巖體內(nèi)外的運移和相變情況，避免干濕循環(huán)本身產(chǎn)生的和由此引發(fā)的應力破壞。

（2）掌握可溶鹽在巖石內(nèi)部的運移情況，注意巖體脫鹽和隔離鹽的來源。

3.考量日照因素，根據(jù)巖刻所處地域的日照情況和數(shù)據(jù)分析，增加納米二氧化鈦的含量，提高防紫外線的能力。

4.分析巖刻點所在周邊環(huán)境中造成化學腐蝕的主要來源與物質，如酸雨中的二氧化硫、霧霾中的氮氧化物、塵降中的有害化學物質等。針對不同地區(qū)主要化學腐蝕物質的來源不同，對納米材料的合成進行調整。

例如，連云港地區(qū)的巖畫，由于靠海，就要特別注意巖石的水氣循環(huán)，水分、鹽分在巖石和外界的相互作用，制備中增加二氧化硅加強透氣性，在保證耐候性和強度的前提下，保障水分的有效循環(huán)。新疆地區(qū)的巖畫，由于日照時間長，紫外線強度高，風沙大，在制備過程中增加二氧化鈦的含量，加強防紫外線的能力。要從整體上理解巖體的退化和侵蝕機制，對氣候變化、污染要素、環(huán)境影響因子、巖體性能和狀態(tài)進行綜合評估，制定相應的防風化方案和系統(tǒng)的保護策略。

五、結語

面對斑駁疏離的圖像，對巖刻進行防風化保護將為以后的斷代和學術研究提供條件和基礎。本文借用納米材料對巖刻本體保護進行了初步的實驗和探索，并以具茨山巖刻為依托進行了個案研究，探索納米材料在巖刻保護中的信度和效度。此外，在納米保護涂層的實踐中由于不同地區(qū)的自然氣候環(huán)境各異，納米二氧化硅復合二氧化鈦的實驗室配制也將有所不同。