馬少春,孫永輝,鮑 鵬,王東濤,王永帥

[1. 河南大學(xué)土木建筑學(xué)院,河南開封 475004;2. 開封市工程修復(fù)與材料循環(huán)工程技術(shù)研究中心(河南大學(xué)),河南開封 475004]

0 引 言

弦歌臺位于河南省淮陽縣。據(jù)歷史資料記載,孔子在周游列國推廣學(xué)說過程中,被圍困在陳蔡,絕糧七日,在弦歌臺依然堅(jiān)持講經(jīng)及弦歌,體現(xiàn)了樂觀向上的精神,教育及學(xué)術(shù)價(jià)值較高。根據(jù)歷史文獻(xiàn)《太平寰宇記》《陳州志》等史料,弦歌臺大成殿文物建筑基本保留歷史原貌,其內(nèi)外彩繪飾有龍紋、菊花等圖案,彩繪顏料色彩絢麗,堪稱雕梁畫棟,形制特征、規(guī)格等級及藝術(shù)價(jià)值較高。弦歌臺大成殿始建于明朝嘉靖七年(1528年),重修于康熙五十三年(1714年)。面闊七間,進(jìn)深五間,屬于單檐歇山式建筑。綠色琉璃瓦覆頂,回廊環(huán)繞,有24根青石方柱擎托,規(guī)格較高,是中國東部除了曲阜孔廟以外最大的孔廟之一,屬于難得的歷史文化古跡。因此,在全國孔廟中特色鮮明,其歷史、文化、教育、藝術(shù)、建筑及學(xué)術(shù)等價(jià)值相對較高。2019年10月7日,公布弦歌臺為第八批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。通過現(xiàn)場勘查結(jié)果表明,大成殿彩繪出現(xiàn)了多種病害,損壞較為嚴(yán)重,彩繪修復(fù)工作迫在眉睫。

近年來,在建筑彩繪形式、顏料成分及工藝技術(shù)等方面已取得了一些有價(jià)值的研究成果[1-3]。尤貴媚等[4]通過超景深三維顯微鏡、激光拉曼儀和掃描電鏡能譜儀等現(xiàn)代科技儀器,對故宮清代初期奉先殿彩畫顏料和制作工藝進(jìn)行研究,了解到顏料主要成分有朱砂、石青和氯銅礦等。另外,在淺色顏料中發(fā)現(xiàn)了鉛白和高嶺土,證實(shí)彩畫繪制年代和歷史檔案資料相吻合。Fu等[5]通過利用超景深三維顯微鏡及偏振光顯微鏡等技術(shù)對北京故宮江雪宮建筑彩繪進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)彩繪結(jié)構(gòu)主要由三層組成,分別是由巴黎綠和鉛白組成的顏料層、石膏層和紅鉛層。王麗琴等[6]基于拉曼光譜技術(shù)并結(jié)合多種方法對世界遺產(chǎn)大足臥佛的顏料進(jìn)行研究,得出紅、藍(lán)、白、綠顏料主要成分分別是鐵紅、人工合成群青、鉛白、氯砷鈉銅石。張亞旭等[7]對西安明清時(shí)期的鐘樓建筑彩畫進(jìn)行分析,研究結(jié)果不僅表明了顏料成分、地仗層的材料和工藝,還發(fā)現(xiàn)彩畫曾使用動物膠作為粘結(jié)劑,為明清時(shí)期建筑彩畫的膠粘劑鑒定提供了參考依據(jù)。馮向偉等[8]使用多種現(xiàn)代技術(shù)和方法對江蘇省南山寺大雄寶殿明代建筑彩畫顏料進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)了氯砷鈉銅石被用作綠色顏料。甄剛等[9]對大同嚴(yán)華寺彩繪進(jìn)行分析研究,確定了彩繪的貼金工藝、膠結(jié)成分和制作工藝。楊雋永等[10]以揚(yáng)州鹽宗廟彩繪病害、地仗和顏料成分的研究為基礎(chǔ),利用老化、加固等方法對彩繪進(jìn)行修繕和保護(hù)。相關(guān)成果對指導(dǎo)實(shí)際工程施工及對文物進(jìn)行有效保護(hù)具有重要意義[11]。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前對弦歌臺大成殿彩繪方面的研究缺少其顏料成分等方面的文獻(xiàn)資料。通過采用超景深三維顯微鏡(OM)、掃描電鏡及能譜儀(SEM-EDS)、拉曼光譜儀(Raman)等技術(shù),對弦歌臺大成殿彩繪顏料的表面和地仗層分別進(jìn)行了分析,確定顯色物質(zhì)及地仗主要成分等。研究成果可為大成殿工程彩繪修復(fù)提供試驗(yàn)結(jié)果及參考依據(jù)。

1 彩繪實(shí)驗(yàn)

1.1 樣本采集

本工作主要以大成殿彩繪的紅色和藍(lán)色樣本為例展開試驗(yàn)研究。為了確保彩繪完整性,避免遭受二次損害。對大成殿墻壁、隔扇、斗拱、椽子等自然剝落且具有代表性彩繪顏料樣本進(jìn)行取樣。具體樣本信息和取樣位置如表1和圖1所示。編號分別為DC1、DC2、DC3、DC4。

圖1 彩繪樣本取樣位置

表1 樣本信息

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所涉及到的主要儀器有:vhx5000型超景深三維顯微鏡;JSM-7900F型掃描顯微鏡;X-MaxN50型能譜儀;Renishaw in Via型拉曼光譜儀等。

1.2.1超景深三維顯微鏡 取少量樣本,用冷鑲嵌環(huán)氧樹脂和固化劑對采集的樣本進(jìn)行包裹和固定。在常溫下等待包埋劑固化。固化后使用丙烯酸樹脂將樣本粘在載玻片上,觀察樣本剖面和樣本表面信息。測試條件:變焦鏡頭為VH-Z20R(觀察倍數(shù):100～200倍),照明光源為高亮度LED,色溫5 700 K。

1.2.2掃描電鏡及能譜儀 將樣本顏料表面貼導(dǎo)電膠,噴金后抽真空,并采用掃描電鏡及能譜儀等儀器觀察樣本表面微觀結(jié)構(gòu)及特征,并對樣本顏料元素進(jìn)行分析和評判。測試條件:入射電壓為5 kV;選擇二次電子探頭,工作距離為15 mm;分辨率為3.0 nm;低真空模式為60 Pa。

1.2.3顯微拉曼光譜儀 在實(shí)驗(yàn)前,取少量彩繪樣本放置載玻片上,利用激光對樣本進(jìn)行非破壞性檢測,分析并鑒別出礦物顏料的結(jié)構(gòu)與特征。測試條件:激發(fā)光波長為785 nm及532 nm,依據(jù)樣本顏料選擇合適的激光波長,減小因熒光造成的干擾;功率為30 μW;物鏡倍數(shù)為50倍;光柵狹縫20 μm;采集時(shí)間為10 s;累計(jì)次數(shù)為4～6次;光譜采集的范圍為100 cm-1～4 000 cm-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 超景深微觀分析

通過利用超景深顯微鏡觀察彩繪顏料樣本剖面和表面[12],用來分析其微觀狀態(tài),具體如圖2所示。紅色顏料DC1樣本外層紅色顏料厚度約50 μm,樣本表面顏料分布相對均勻,附帶有明顯的白色顆粒。通過對比分析發(fā)現(xiàn),顏料基底為黏土磚墻,由于環(huán)境潮濕,出現(xiàn)粉化酥堿現(xiàn)象。DC2樣本共有三層紅色,其中最外層紅色顏料厚度約20 μm,顏料表面表現(xiàn)出黑色絲狀裂紋等現(xiàn)象,影響瞻觀效果。

圖2 彩繪顏料超景深微觀圖

通過觀察藍(lán)色顏料樣本表面,表現(xiàn)出凹凸不平等殘損。DC3樣本內(nèi)外兩層藍(lán)色顏料厚度約25 μm,顏料表面摻雜有米白色雜質(zhì),推測應(yīng)是顏料顆粒大小不一,導(dǎo)致出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。DC4樣本剖面由藍(lán)色、綠色、白色等多層顏料組成,可見是由多次維修導(dǎo)致的結(jié)果。其中,表層藍(lán)色顏料厚度約40 μm。另外,在藍(lán)色顏料表面出現(xiàn)較多不規(guī)則孔隙,推測該現(xiàn)象與大成殿彩繪顏料長期風(fēng)化有關(guān)。

2.2 掃描電鏡及能譜分析

為了獲得大成殿彩繪顏料具體化學(xué)成分,利用掃描電鏡分析了樣本微觀形貌及通過能譜儀分析了樣本的元素組成[13-14]。彩繪顏料能譜檢測結(jié)果見表2及圖3所示,DC1和DC2樣本外層紅色顏料含有較高的Fe元素,占比分別為25.38%和17.53%,遠(yuǎn)高于其他顯色元素。據(jù)歷史文獻(xiàn)記載,土紅(Fe2O3)作為紅色顏料在我國應(yīng)用廣泛且歷史悠久。通過現(xiàn)場實(shí)地勘查及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)綜合分析推測樣本紅色顏料的顯色礦物為赤鐵礦。

圖3 紅色和藍(lán)色顏料SEM圖

表2 SEM-EDS分析結(jié)果

通過對彩繪顏料藍(lán)色的SEM-EDS檢測結(jié)果進(jìn)行綜合分析,得知DC3和DC4以Na、Al、Si及S等元素為主,與青金石比較接近。另外還得到DC3的顆粒相對較大,外形也不太規(guī)則,棱角較為分明。同樣得到,與青金石顆粒較為相似。而DC4樣本顆粒相對較小,外形圓潤且均勻,顆粒通常聚集成團(tuán)狀,這與人工合成群青比較相似。由于人工合成群青和青金石結(jié)構(gòu)極為相似,擁有相同的拉曼特征峰,故青金石又被稱為天然群青[15]。人工合成群青在晚清時(shí)期才作為顏料傳入我國[16],因而可大致推測大成殿部分彩繪在清朝晚期以后曾進(jìn)行過修繕。

為了進(jìn)一步確定大成殿藍(lán)色顏料的群青種類,通過參考Balakhnina和Ajò等[17-18]的元素分析法可分辨天然群青和人工合成群青,得到天然群青的Na/S元素比大于1;人工合成群青的Na/S元素比小于1,Al/Si元素比例主要分布在0.6～0.8范圍內(nèi)。從能譜檢測結(jié)果可知,DC3樣本Na/S元素比例大于1,DC4樣本Na/S元素比例小于1。推測DC3樣本為天然群青,DC4樣本為人工合成群青。

2.3 顯微拉曼光譜分析

為了進(jìn)一步分析大成殿彩繪顏料組成,通過對紅色顏料樣本進(jìn)行拉曼光譜檢測[19],得到結(jié)果如圖4a所示。DC1樣本在231s、297vs、415s cm-1處出現(xiàn)強(qiáng)特征峰,在505w、615w cm-1處出現(xiàn)弱特征峰;DC2樣本拉曼峰位于231w、297s、415s、505w、614w cm-1。將大成殿彩繪顏料測試結(jié)果與在線礦物綜合數(shù)據(jù)譜庫(https://rruff.info/index.php)比對結(jié)果可得出這樣的結(jié)論,與赤鐵礦(hematite,分子式為Fe2O3)最為接近。最終將紅色彩繪顏料顯色礦物的主要成分推定為赤鐵礦。

圖4 彩繪顏料拉曼光譜檢測結(jié)果

如圖4b所示,DC3外層藍(lán)色顏料在262s、546vs、585w、808w、1 092m cm-1位置出現(xiàn)拉曼峰,DC4樣本在264w、547vs、591vw、1 094m cm-1處出現(xiàn)拉曼峰。通過與英國倫敦大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院的拉曼光譜庫進(jìn)行比對[20],得出與青金石(lapis lazuli,分子式:Na8[Al6Si6O24]Sn)拉曼標(biāo)準(zhǔn)譜相匹配,這也對前文使用EDS能譜儀鑒別藍(lán)色群青顏料的種類進(jìn)行了佐證。

2.4 地仗層成分分析

根據(jù)彩繪樣本超景深顯微圖可得DC1和DC2樣本顏料直接繪制于磚墻和木基層之上,未發(fā)現(xiàn)地仗層。而DC3和DC4樣本顏料則采用相對簡單的單批灰工藝,地仗灰層之間未發(fā)現(xiàn)明顯的界限。為了確保評估結(jié)果更加可靠,針對地仗層相對平整的DC3樣本進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析。

通過分析圖5中DC3樣本地仗層電鏡圖可知,地仗層顆粒直徑約為3 μm,質(zhì)地緊湊,顆粒形態(tài)以塊狀為主。通過對圖6中地仗層能譜圖進(jìn)行對比分析,得到地仗層中主要含有O、Ca、C、Si及Mg等大量元素,其中含量最多的是O元素。通過對圖7樣本面掃圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),Ca和C元素的分布規(guī)律基本一致,且含量相對較多,這與地仗材料選用的白土最為相近。可見,地仗層中的主要成分?jǐn)喽ㄊ欠浇馐?calcite,分子式為CaCO3);另外,在地仗中還發(fā)現(xiàn)了一定量的Si和Mg,這些元素相對較少,推斷出彩繪地仗層中含有少量滑石[talcum,分子式:Mg6Si8O20(OH)4]。綜合以上評估,大成殿彩繪地仗層做法為單披灰,主要無機(jī)成分為方解石等。

圖5 DC3樣本地仗層掃描電鏡圖

圖6 DC3樣本地仗層能譜圖

圖7 地仗層元素分布面掃圖

3 討 論

通過多種分析測試結(jié)果表明,弦歌臺大成殿的彩繪顏料為無機(jī)礦物,紅色顏料為赤鐵礦,藍(lán)色顏料為天然群青和人工合成群青,地仗層的主要成分為方解石。

赤鐵礦又叫做赭石或土紅,屬于六方晶系氧化物礦物,化學(xué)式為Fe2O3,顏色暗淡,通常呈現(xiàn)為紅褐色。在我國,赤鐵礦作為無機(jī)顏料的歷史久遠(yuǎn)。研究表明,舊石器時(shí)期的山頂洞人和秦陵中的兵馬俑,都被發(fā)現(xiàn)使用過赤鐵礦作為紅色顏料。此外,赤鐵礦在我國各地使用廣泛,如北京頤和園古建筑[21]、西安鐘樓[7]、重慶釣魚城遺址[16]、西安胡家堡關(guān)帝廟[22]等地的紅色彩畫顏料分析中都發(fā)現(xiàn)了赤鐵礦。赤鐵礦也因其厚重的呈色效果,是我國古代人們親睞的彩畫顏料。

青金石又叫天然群青,屬于鈉鈣鋁硅酸鹽礦物。在我國古代,青色一般指的就是藍(lán)色,如常見顏料中的石青和天然群青等。近年來。隨著科研范圍的逐漸擴(kuò)大,在許多建筑彩畫和壁畫中都發(fā)現(xiàn)了群青的案例。如北京慈寧宮天花彩畫藍(lán)色顏料[23]是建筑彩畫中首次發(fā)現(xiàn)天然群青的案例。此外,在新疆達(dá)瑪溝佛寺遺址[24]、山西純陽宮星宿彩塑[25]、內(nèi)蒙古武當(dāng)寺林緣大殿壁畫[26]等地的研究中都陸續(xù)有群青顏料的報(bào)道。

對于一般建筑彩畫的地仗層,可分為單披灰、一麻五灰和二麻六灰等多種多樣的形式。經(jīng)過對大成殿彩繪地仗樣本的分析,發(fā)現(xiàn)部分樣本顏料層出現(xiàn)重繪現(xiàn)象,但地仗灰層較單一,未發(fā)現(xiàn)分層及使用棉麻等纖維材料。通過對地仗材料的進(jìn)一步分析,發(fā)現(xiàn)地仗形式為單披灰,無機(jī)材料成分以方解石和滑石為主。地仗層介于顏料層和基底層之間,施工時(shí)具有省時(shí)、省料和操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。

弦歌臺大成殿彩繪繼承了明清時(shí)期的特點(diǎn),彩繪中有大量的金龍和祥云等紋飾,色彩豐富且嚴(yán)謹(jǐn),而且還使用了貼金工藝,十分華麗。所以,對現(xiàn)存古建筑的傳統(tǒng)材料、制作工藝的系統(tǒng)性研究,可以加強(qiáng)對建筑文物的認(rèn)知,對古建筑保護(hù)以及傳統(tǒng)工藝的繼承和發(fā)揚(yáng)具有重要意義。

4 結(jié) 論

1) 通過對大成殿彩繪顏料進(jìn)行超景深微觀分析、掃描電鏡及能譜儀分析、顯微拉曼光譜分析等工作,確定了其顏料的主要成分是無機(jī)礦物。得出紅色顏料是赤鐵礦,位于大成殿北側(cè)斗拱和椽子處的藍(lán)色樣本顏料分別為天然群青和人工合成群青。

2) 通過對大成殿彩繪顏料進(jìn)行試驗(yàn)測試分析,發(fā)現(xiàn)大部分彩繪顏料樣本出現(xiàn)兩層以上疊加現(xiàn)象,推斷出大成殿在歷史上至少經(jīng)歷過兩次以上修繕工作。補(bǔ)充了大成殿維修歷史沿革材料。

3) 通過對彩繪顏料樣本剖面及地仗成分等分析,得到大成殿彩繪顏料地仗屬于單披灰工藝,地仗層主要以方解石為主。另外,還含有少量的滑石等。

4) 通過對大成殿顏料和地仗成分進(jìn)行分析,研究成果對大成殿文物及建筑彩繪的科學(xué)保護(hù)有重要意義。在中國東部地區(qū)的孔廟建筑,乃至國內(nèi)的殿堂顏料分析,可以提供新的樣本依據(jù)。此外,本研究對于明、清時(shí)期文物建筑的彩繪修復(fù)保護(hù)具有指導(dǎo)性意義,能較大程度地避免文物出現(xiàn)“保護(hù)性破壞”等后果。