善忠偉,崔 強(qiáng),殷耀鵬,張文元,水碧紋,殷志媛,于宗仁

[1. 敦煌研究院保護(hù)研究所,甘肅酒泉 736200; 2. 國(guó)家古代壁畫(huà)與土遺址保護(hù)工程技術(shù)研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200;3. 甘肅省敦煌文物保護(hù)研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200; 4. 甘肅莫高窟文化遺產(chǎn)保護(hù)設(shè)計(jì)咨詢有限公司,甘肅酒泉 736200]

0 引 言

莫高窟,作為世界上現(xiàn)存持續(xù)營(yíng)造時(shí)間最長(zhǎng)、內(nèi)容最豐富的石窟建筑群之一,被譽(yù)為“沙漠中的美術(shù)館”和“墻壁上的博物館”。以其大量珍貴精美的壁畫(huà)和彩塑聞名于全世界,在中國(guó)和世界文化史研究領(lǐng)域具有十分重要的價(jià)值[1]。莫高窟位于我國(guó)西北地區(qū)中部,地處庫(kù)姆塔格沙漠的東北邊緣,四周被沙漠戈壁圍繞,多風(fēng)向的環(huán)境特征導(dǎo)致該地區(qū)在春、夏兩季極易出現(xiàn)沙塵天氣。屈建軍等[2]對(duì)莫高窟所在區(qū)域降塵情況時(shí)空分布規(guī)律研究表明在該區(qū)域大氣年降塵總量為365.4 t/km2,月均降塵量為30.45 t/km2。莫高窟屬于典型的石窟類建筑,洞窟均為單側(cè)開(kāi)口形式,窟門是窟內(nèi)外空氣交換的唯一途徑[3-4]。20世紀(jì)80年代,通過(guò)對(duì)莫高窟大多數(shù)洞窟安裝鋁合金紗窗門,調(diào)節(jié)洞窟內(nèi)外溫濕度差值,保證窟內(nèi)環(huán)境處于相對(duì)比較穩(wěn)定的狀態(tài)[5]。在具體運(yùn)行過(guò)程中采用鋁合金紗窗門半封閉保護(hù)模式進(jìn)行調(diào)控,但是在該模式下空氣流通速率較高,空氣中大量沙塵、浮塵物質(zhì)會(huì)隨氣流進(jìn)入洞窟,受到重力作用降落在壁畫(huà)彩塑表面,這種情況稱為降塵現(xiàn)象[6]。降塵會(huì)對(duì)壁畫(huà)彩塑產(chǎn)生重要的影響,一方面降塵覆蓋在壁畫(huà)彩塑表面,會(huì)對(duì)其色彩和內(nèi)容進(jìn)行遮蓋,影響觀賞價(jià)值,如圖1所示;另一方面,在一定條件下降塵會(huì)與壁畫(huà)彩塑表面顏料層發(fā)生物理化學(xué)相互作用,導(dǎo)致出現(xiàn)或加劇病害的發(fā)生和發(fā)展,對(duì)壁畫(huà)彩塑產(chǎn)生潛在的威脅。目前,已有學(xué)者著力研究降塵對(duì)文物的影響,如黃繼忠等[7]研究了粉塵對(duì)云岡石窟石雕的影響,得出粉塵對(duì)石雕物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化交替進(jìn)行,相互促進(jìn)致使云岡石窟石雕嚴(yán)重風(fēng)化;盧軒等[8]對(duì)陜西歷史博物館壁畫(huà)庫(kù)降塵進(jìn)行了分析研究,表明降塵對(duì)壁畫(huà)顏料顏色的主要影響是物理堆積作用;趙以辛等[9]對(duì)南響堂石窟石雕表面降塵進(jìn)行理化分析研究,指出粉塵主要由水泥塵、粘土塵、煙及煤炭塵組成,石雕表面的氣水-粉塵-巖相互作用,是使石雕表面破損的一個(gè)主要原因;牟煒等[10]對(duì)西安碑林博物館庫(kù)房?jī)?nèi)的降塵物相分析表明降塵中存在有大量的碳酸鈣和石膏等酸性物質(zhì),會(huì)導(dǎo)致紙張酸化和促進(jìn)纖維素的分解。由上可見(jiàn),降塵是文物保護(hù)和保存中不可忽視的重要環(huán)境因素。因此,對(duì)莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵進(jìn)行系統(tǒng)研究,以期為減少降塵對(duì)莫高窟壁畫(huà)彩塑的破壞和影響而采取的除塵等保護(hù)措施提供理論依據(jù)。

圖1 莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵

1 樣品和方法

1.1 樣品采集

莫高窟南北全長(zhǎng)1 680 m,現(xiàn)存歷代營(yíng)建的洞窟共735個(gè),分布于高15～30多米高的斷崖上,上下分布1～4層不等?？邊^(qū)分為南、北兩區(qū),其中南區(qū)長(zhǎng)約980 m,現(xiàn)存壁畫(huà)和彩塑的洞窟492個(gè),彩塑2 400多身,壁畫(huà)4.5萬(wàn)多平方米。本研究選取莫高窟南區(qū)不同水平距離和不同層位高度洞窟,用軟毛刷收集壁畫(huà)、彩塑表面降塵,洞窟包括開(kāi)放洞窟和非開(kāi)放洞窟,洞窟位置見(jiàn)圖2所示,具體采樣信息見(jiàn)表1。樣品編號(hào)中字母“M”代表莫高窟,數(shù)字代表窟號(hào),數(shù)字后面字母“W”和“S”分別代表壁畫(huà)和彩塑。

圖2 莫高窟降塵采樣洞窟位置

表1 莫高窟降塵采樣信息

1.2 降塵分布調(diào)查

通過(guò)收集莫高窟第55窟、425窟、148窟、310窟、88窟單位面積壁畫(huà)彩塑表面降塵,進(jìn)行樣品稱量計(jì)算莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵量分布(表2)。壁畫(huà)表面(豎直方向)降塵量為7.09～28.35 g/m2,彩塑表面(水平方向)降塵量為237.02～297.43 g/m2。敦煌研究院在2019～2020年對(duì)莫高窟第88窟壁畫(huà)彩塑進(jìn)行保護(hù)修復(fù),在莫高窟第88窟放置降塵收集裝置收集2020年12月～2021年12月窟內(nèi)壁畫(huà)彩塑表面降塵,在1 dm2壁畫(huà)表面(豎直方向)收集到降塵0.0393 g,降塵量為3.93 g/m2,年降塵量為3.93 g/m2,在1 dm2彩塑表面(水平方向)收集到降塵0.285 7 g,降塵量為28.57 g/m2,年降塵量為28.57 g/m2。

表2 莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵量調(diào)查

1.3 測(cè)試設(shè)備與方法

莫高窟內(nèi)部壁畫(huà)彩塑結(jié)構(gòu)復(fù)雜,進(jìn)入洞窟的降塵不易隨空氣流流出洞窟。當(dāng)降塵附著在壁畫(huà)彩塑表面后,對(duì)壁畫(huà)彩塑所產(chǎn)生的物理或化學(xué)影響,取決于降塵的理化性質(zhì)。對(duì)莫高窟壁畫(huà)彩塑表面的降塵進(jìn)行分析其粒徑分布、微觀形貌、元素組成、物相組成、可溶鹽含量等理化性質(zhì),測(cè)試設(shè)備見(jiàn)表3。

2 結(jié)果與討論

2.1 降塵的理化性質(zhì)

2.1.1降塵粒度分析 莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵粒徑分布范圍為0.4～586 μm(表4),降塵粒徑主要集中在2～70 μm(圖3),不同洞窟壁畫(huà)彩塑表面降塵粒徑分布差別較大,中值粒徑D50在10.5～20.0 μm,D90在32.9～75.3 μm。同一洞窟內(nèi)壁畫(huà)表面降塵粒徑小于彩塑表面降塵粒徑。由于莫高窟第148洞窟為開(kāi)放洞窟中必參觀洞窟之一,會(huì)對(duì)參觀洞窟地面進(jìn)行日常吸塵清掃,降塵粒徑分布受清掃工作和大量游客日常參觀游覽活動(dòng)影響,第148窟降塵粒徑在主要集中在2.5～141 μm。

表4 莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵粒徑分布結(jié)果

(續(xù)表4)

圖3 莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵粒度分布圖

2.1.2降塵微觀形貌分析 通過(guò)顯微鏡觀察收集到的莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵,可觀察到細(xì)小片狀的石英、方解石及無(wú)明顯特征的黏土顆粒。此外還觀察到有壁畫(huà)彩塑顏料碎片(圖4a)、絲狀物質(zhì)(4b)、絮狀物質(zhì)(4c)[11]、植物纖維(4d)、織物纖維(4e)和昆蟲(chóng)類尸體(4f)。由此推斷壁畫(huà)彩塑因起甲、酥堿、龜裂等脫落的顆粒、碎片,地仗層脫落的澄板土、動(dòng)植物纖維,游客參觀活動(dòng)脫落的衣物纖維是降塵的主要來(lái)源之一。

電子顯微鏡是表征單顆粒的理想工具,與X射線能譜結(jié)合,電子顯微鏡可以同時(shí)提供顆粒物的形貌、化學(xué)成分和粒度分布等信息[12]。通過(guò)掃描電鏡觀察,莫高窟內(nèi)的降塵呈粉末狀,由各種不同粒徑的顆粒組成,微觀形貌有棱角狀、次棱角狀、絲絮狀和各種不規(guī)則形狀(圖5)。利用掃描電鏡-能譜對(duì)莫高窟壁畫(huà)彩塑表面的降塵進(jìn)行單顆粒分析得出降塵主要元素有Si、O、Ca、C、Al、Mg、Fe、Na、S、K、Cl等元素,成分較為復(fù)雜。

圖4 莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵代表性顯微照片

2.1.3降塵物相組成分析 XRD對(duì)于研究結(jié)晶材料有顯著作用,可以獲取結(jié)晶材料中結(jié)晶成分的空間分布等信息,但是不能獲取物質(zhì)振動(dòng)信息,也存在結(jié)晶成分與非晶成分的衍射峰重疊現(xiàn)象[13]。顯微紅外光譜分析可彌補(bǔ)X射線衍射物相分析方法的不足[9]。因此,將傅里葉變換顯微紅外光譜與XRD聯(lián)用,對(duì)莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵組成物相進(jìn)行分析。

莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵主要物相有石英、方解石、鈉長(zhǎng)石、白云石、綠泥石、白云母(表5),部分樣品還有高嶺石、鉀長(zhǎng)石、生石膏(圖6)。降塵中石英含量20.2%～38.9%,方解石含量12.1%～25.8%,鈉長(zhǎng)石含量15%左右,白云石10%左右,綠泥石8%左右,白云母5%左右。同一洞窟內(nèi)壁畫(huà)表面降塵中石英含量高于彩塑表面降塵,彩塑表面降塵中鉀長(zhǎng)石、鈉閃石含量高于壁畫(huà)表面降塵。

表5 莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵物相分析結(jié)果

(續(xù)表5)

圖6 莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵代表性X射線衍射圖

對(duì)莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵顯微紅外光譜分析,位于1 100～1 000 cm-1的譜帶為Si-O伸縮帶,說(shuō)明降塵樣品以石英、黏土礦物為主(圖7a,7d)。位于3 600～3 200 cm-1的譜帶為O-H伸縮帶,位于3 000～2 800 cm-1的譜帶為C-H伸縮帶,位于1 500～1 300 cm-1的譜帶為C-H彎曲帶,位于1 200～900 cm-1的譜帶為C-O伸縮帶,均為纖維素的特征吸收,說(shuō)明樣品為纖維素(圖7e,7f,7g)。位于3 300 cm-1的譜帶為N-H伸縮帶,位于3 000～2 800 cm-1的譜帶為C-H伸縮帶,位于1 650 cm-1的譜帶為C=O伸縮帶,位于1 550 cm-1的譜帶為N-H彎曲帶和C-N伸縮帶,均為蛋白質(zhì)的特征吸收,說(shuō)明樣品為蛋白質(zhì)(圖7b,7c,7h)。

通過(guò)對(duì)莫高窟洞窟中降塵物質(zhì)的組成物相進(jìn)行分析,結(jié)果表明莫高窟壁畫(huà)彩塑表面的降塵多為來(lái)自窟外的石英和黏土礦物,其中大部分顆粒物為含鈣質(zhì)顆粒,如石膏、白云石和方解石,少量物質(zhì)為窟外動(dòng)植物纖維。因此推斷這些物質(zhì)隨窟內(nèi)、外空氣交換和人為活動(dòng)進(jìn)入窟內(nèi)沉降到地面和壁畫(huà)彩塑表面形成目前洞窟內(nèi)降塵嚴(yán)重的現(xiàn)象。

圖7 莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵紅外光譜

2.1.4降塵的可溶鹽分析 降塵中水溶性離子組分是降塵的主要組分之一,也是降塵對(duì)壁畫(huà)彩塑形成酸蝕和鹽蝕的主要原因。降塵中的硫酸鹽、硝酸鹽等可沉降或吸附到壁畫(huà)彩塑表面,不但有潛在的研磨作用,還能將有害化學(xué)物質(zhì)攜帶到壁畫(huà)彩塑表面,導(dǎo)致對(duì)文物材料的化學(xué)侵蝕和物理風(fēng)化[14]。研究表明莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵中包含有大量的硫酸鹽、硝酸鹽[15],其中NaCl和Na2SO4是導(dǎo)致敦煌莫高窟壁畫(huà)發(fā)生酥堿病變的主要鹽類物質(zhì)[16-19]。分析莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵的水溶性離子組分,可以為硫酸鹽、硝酸鹽等可溶性鹽的形成提供佐證,進(jìn)一步揭示可溶鹽對(duì)莫高窟壁畫(huà)彩塑的毀壞機(jī)理。

表6 莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵可溶鹽離子分析結(jié)果

圖8 莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵水溶性離子分析圖

2.2 降塵對(duì)壁畫(huà)彩塑的潛在影響

2.2.1降塵對(duì)壁畫(huà)彩塑色度的影響 降塵對(duì)莫高窟壁畫(huà)彩塑的物理遮蓋影響主要表現(xiàn)為在其原有色彩上進(jìn)行沉降、覆蓋,造成壁畫(huà)彩塑表面累積暗色沉積物,降低壁畫(huà)彩塑的美學(xué)觀賞價(jià)值。人眼對(duì)表色色差實(shí)驗(yàn)的研究表明中國(guó)顏色體系中彩色系顏色樣品色差寬容度為ΔE<3.0,非彩色系ΔE<1.5[23]。利用色差儀對(duì)莫高窟55窟壁畫(huà)表面顏料進(jìn)行除塵前后色度檢測(cè),發(fā)現(xiàn)除塵前后壁畫(huà)表面顏料的亮度差ΔL在-12.48～3.57之間,紅綠差Δa在-2.4～3.42之間,黃藍(lán)差Δb在-3.38～2.76之間,色差值ΔE在1.48～13.15之間。除塵前后彩塑表面顏料的亮度差ΔL在-11.95～20.72之間,紅綠差Δa在-16.51～20.75之間,黃藍(lán)差Δb在-37.37～-2.27之間,色差值ΔE在13.98～39.24之間(表7～9)。

表7 莫高窟第55窟北壁東側(cè)顏料色度

表8 莫高窟第55窟甬道北壁西側(cè)顏料色度

表9 莫高窟第55窟彩塑顏料色度

2.2.2降塵對(duì)壁畫(huà)彩塑保護(hù)的影響 莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵不僅遮蓋壁畫(huà)彩塑本體,影響其藝術(shù)觀賞價(jià)值,同時(shí)也遮蓋壁畫(huà)彩塑現(xiàn)存病害,無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害并采取保護(hù)修復(fù)措施致使壁畫(huà)彩塑進(jìn)一步劣化。進(jìn)入洞窟的降塵微粒侵入到壁畫(huà)彩塑已有的病害空隙間,如顏料層起甲、粉化、龜裂、裂縫等區(qū)域(圖9)。隨著降塵的不斷沉積,逐漸把壁畫(huà)彩塑顏料層或白粉層向外擠壓而脫離地仗,從而導(dǎo)致壁畫(huà)彩塑顏料層和白粉層脫落,嚴(yán)重時(shí)可使整個(gè)地仗大面積脫落[24]。沉降、附著在壁畫(huà)彩塑表面不僅污損文物,甚至與彩繪顏料中的某些成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),加速壁畫(huà)彩塑的侵蝕過(guò)程,造成壁畫(huà)起甲脫落等病害,并使裂縫變寬[25]。

敦煌莫高窟空氣中的主要真菌為枝孢屬,無(wú)孢菌,青霉屬,鏈格孢屬和曲霉屬的種類[26]。進(jìn)入莫高窟窟內(nèi)的降塵很容易吸附空氣中和游客參觀帶來(lái)的水分及有機(jī)物,是細(xì)菌、霉菌的良好載體,為微生物提供了棲息繁殖的場(chǎng)所。降塵所攜帶的霉菌孢子等一旦降落并附著于壁畫(huà)彩塑上,就會(huì)迅速繁殖,分泌的代謝產(chǎn)物有機(jī)酸及酶等可分解壁畫(huà)地仗層中的麻、棉、草、羊毛等動(dòng)植物纖維及顏料層中的動(dòng)植物膠,使壁畫(huà)產(chǎn)生空鼓、顏料層剝落、酥堿、粉化等病害。微生物不僅影響壁畫(huà)彩塑外觀,還使壁畫(huà)彩塑材料機(jī)械強(qiáng)度下降[27]。微生物附著在降塵中(圖10),在一定濕度下,造成霉菌孳生,引起壁畫(huà)彩塑長(zhǎng)霉乃至霉?fàn)€、腐朽。

降塵對(duì)窟內(nèi)壁畫(huà)彩塑的劣化損害包含物理遮蓋臟污和化學(xué)酸化鹽蝕兩個(gè)方面。沉降在莫高窟壁畫(huà)彩塑表面的大部分為地殼源礦物,對(duì)壁畫(huà)彩塑帶來(lái)的潛在危害是物理遮蓋、污損和磨蝕等作用。降塵的沉積會(huì)破壞壁畫(huà)的粘合力,導(dǎo)致壁畫(huà)出現(xiàn)大面積的脫落、褪色等現(xiàn)象[28]。由于降塵顆粒大多為礦物顆粒,微觀形貌多為棱角狀,隨著氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)莫高窟壁畫(huà)彩塑表面磨損變色、褪色;如果對(duì)壁畫(huà)彩塑表面降塵進(jìn)行清理,涉及的機(jī)械操作或引入的化學(xué)藥品還會(huì)給壁畫(huà)彩塑帶來(lái)進(jìn)一步的磨損和化學(xué)侵蝕等損害[29]。莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵中高濃度的水溶性無(wú)機(jī)離子的存在對(duì)壁畫(huà)彩塑有潛在的鹽蝕危害,游客參觀帶來(lái)的水汽、溫度變化會(huì)加劇壁畫(huà)彩塑的損毀過(guò)程。在進(jìn)行壁畫(huà)彩塑保護(hù)修復(fù)工作時(shí),降塵會(huì)影響修復(fù)材料與顏料層、地仗層的粘結(jié)效果,同時(shí)也會(huì)污染壁畫(huà)彩塑表面。

圖9 降塵微粒侵入到壁畫(huà)裂縫顯微照片

圖10 莫高窟壁畫(huà)表面降塵及微生物

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)莫高窟第12窟等9個(gè)洞窟壁畫(huà)彩塑表面降塵進(jìn)行調(diào)查分析研究,初步得到如下結(jié)論:

1) 莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵主要受自身重力的作用沉降在彩塑表面(水平方向);極少數(shù)降塵通過(guò)靜電作用、吸附作用、摩擦力、范德華力等吸附在壁畫(huà)表面(豎直方向)。壁畫(huà)表面(豎直方向)降塵量為7.09～28.35 g/m2,年降塵量為3.93 g/m2,彩塑表面(水平方向)降塵量為237.02～297.43 g/m2,年降塵量為28.57 g/m2。

3) 降塵對(duì)壁畫(huà)彩塑保護(hù)的影響主要表現(xiàn)在物理遮蓋和磨蝕作用導(dǎo)致其區(qū)域色度發(fā)生變化、可溶鹽對(duì)壁畫(huà)彩塑的潛在鹽蝕威脅和作為微生物載體加劇部分病害發(fā)展三個(gè)方面。進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)、全面的深入分析莫高窟降塵對(duì)于壁畫(huà)彩塑保護(hù)具有十分重要的意義。

4) 建議莫高窟鋁合金紗窗門采用孔徑較小的多層防塵網(wǎng)以減少窟外大氣降塵經(jīng)鋁合金紗窗進(jìn)入窟內(nèi);對(duì)開(kāi)放洞窟地面進(jìn)行日常清潔除塵,以減少游客參觀活動(dòng)擾動(dòng)使已經(jīng)沉降在地面的降塵物質(zhì)發(fā)生再次懸浮,進(jìn)入窟內(nèi)空氣中沉降在窟內(nèi)壁畫(huà)彩塑表面,探索有效的除塵方式對(duì)莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵進(jìn)行清除,以減少降塵對(duì)壁畫(huà)彩塑的潛在威脅。

綜合研究成果可見(jiàn)莫高窟壁畫(huà)彩塑表面降塵是導(dǎo)致壁畫(huà)彩塑產(chǎn)生病害的一個(gè)不可忽視的重要因素。此次研究的結(jié)果可為莫高窟壁畫(huà)彩塑預(yù)防性保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),研究所采用的實(shí)驗(yàn)方法和分析技術(shù),亦可應(yīng)用于其他文化遺產(chǎn)地的降塵研究中。