敦煌莫高窟第108窟西壁巖體內(nèi)溫濕度變化規(guī)律研究

內(nèi)容摘要：敦煌莫高窟保存有大量精美的壁畫，隨著時(shí)間的推移，一些洞窟的壁畫產(chǎn)生了酥堿、起甲、空鼓等病害。大量研究表明，鹽分運(yùn)移和富集是導(dǎo)致壁畫產(chǎn)生病害的主要因素，而巖體內(nèi)水汽梯度和溫度梯度的存在則為鹽分的運(yùn)移提供了先決條件。為尋找出溫度和相對(duì)濕度在巖體內(nèi)部的變化規(guī)律以及它們之間的相互影響與制約關(guān)系，我們?cè)诘?08窟西壁壁畫脫落處鉆孔安裝了溫濕度監(jiān)測(cè)設(shè)備，開展洞窟巖體內(nèi)溫濕度的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。本文以莫高窟第108窟西壁巖體內(nèi)最近3年的溫濕度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)采用橫向、縱向?qū)Ρ龋贸鋈缦陆Y(jié)論：巖體內(nèi)淺部區(qū)域，在溫度增高的方向上，水汽呈減少的趨勢(shì)。在垂直和水平方向上，溫度變化呈周期性，相對(duì)濕度則由表向里逐漸升高，且在一定深度內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。本次研究探索了洞窟巖體內(nèi)溫度對(duì)相對(duì)濕度的影響以及溫濕度的變化規(guī)律，為進(jìn)一步分析壁畫病害機(jī)制和采取防范措施提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：莫高窟；巖體；溫濕度；變化規(guī)律

中圖分類號(hào)：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106（2012）01-0086-06

一 前言

莫高窟是世界上著名的文化遺產(chǎn)之一，但是，賦存環(huán)境的變化和壁畫自身材質(zhì)的劣化也給它帶來了很多的難題，壁畫鹽害就是其中之一。張明泉、張虎元等[1]通過分析壁畫病害機(jī)理，認(rèn)為鹽分在水分的作用下，運(yùn)移到地仗層和壁畫層以及它們的接觸界面上，發(fā)生水化、離子交換和重結(jié)晶作用，從而破壞了地仗層和壁畫的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了病害的發(fā)生。王旭東[2]認(rèn)為，在對(duì)干旱環(huán)境中的土遺址進(jìn)行保護(hù)時(shí)，多因素耦合共同作用對(duì)土遺址劣化的研究較少，尤其是溫度對(duì)土遺址作用的研究更少。郭青林等[3]在對(duì)莫高窟底層洞窟的巖體進(jìn)行水汽與鹽分空間分布及其關(guān)系的研究中，對(duì)巖體內(nèi)鹽分的分布規(guī)律以及鹽分與水汽的關(guān)系進(jìn)行過詳細(xì)的闡述，并指出，溫濕度和鹽分有很好的關(guān)聯(lián)性。楊善龍[4]概要論證了洞窟巖體內(nèi)的溫度和濕度之間的關(guān)聯(lián)以及它們?cè)趲r體內(nèi)的分布規(guī)律。

本文以最近三年收集到的第108窟巖體內(nèi)溫濕度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，重點(diǎn)分析了它們?cè)趲r體內(nèi)水平和垂直方向上的變化規(guī)律。作為一對(duì)耦合因素，溫濕度在鹽分的運(yùn)移中所扮演的角色，學(xué)者們已經(jīng)有過詳細(xì)的闡述[5-14]。本研究對(duì)了解洞窟巖體內(nèi)溫濕度的變化規(guī)律，進(jìn)一步研究壁畫病害的產(chǎn)生機(jī)理，并做出相關(guān)的保護(hù)決策有重要意義；同時(shí)也為下一步研究巖體內(nèi)部溫濕度和洞窟內(nèi)溫濕度的相關(guān)性提供依據(jù)。

二 監(jiān)測(cè)設(shè)置

敦煌莫高窟第108窟為五代時(shí)所建的大型洞窟，位于莫高窟南區(qū)中部偏南，屬于底層洞窟。洞窟壁畫產(chǎn)生了大量病害，以西壁最為嚴(yán)重，目前西壁壁畫大部分已經(jīng)脫落，僅在西北上部還保存有一塊壁畫（圖1）。為研究巖體內(nèi)的溫濕度變化，我們?cè)诙纯呶鞅诒诋嬅撀涮幵O(shè)置了2個(gè)鉆孔，安裝溫濕度儀（瑞士rotronic）以監(jiān)測(cè)巖體內(nèi)的溫濕度變化，鉆孔的位置分布如圖2所示。其中每個(gè)鉆孔按不同深度分別布置了7個(gè)探頭，探頭的分布位置見圖3。

三 數(shù)據(jù)分析與討論

自2008年5月以來截止本文撰寫時(shí)，洞窟的溫濕度一直在監(jiān)測(cè)當(dāng)中，期間由于電池?cái)嚯娀蛘咴O(shè)備故障的緣故，個(gè)別月份或個(gè)別探頭的數(shù)據(jù)存在缺失。現(xiàn)擇其可用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 巖體內(nèi)水平方向上的溫濕度變化規(guī)律

a） 溫度變化規(guī)律

上圖可以看出，在一年的周期內(nèi)，不同深度位置上的溫度波動(dòng)都呈現(xiàn)出各自的類正弦曲線變化。總體來說，深度越淺，曲線振幅越大，波動(dòng)越明顯。深度越深，曲線振幅越小，波動(dòng)越不明顯，可以預(yù)示的是，在巖體內(nèi)部的一定深度（大于4.7m）上，溫度基本處于一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)。鉆孔外P1的波動(dòng)也呈現(xiàn)出正弦曲線變化，而且波動(dòng)幅度明顯比鉆孔內(nèi)部的波動(dòng)幅度大。

另外，7個(gè)探頭所處位置上溫度的波動(dòng)幅度是逐漸降低的，直至達(dá)到一定深度（大于4.7m）上溫度變化趨于平緩，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，巖體內(nèi)淺部區(qū)域正在源源不斷的接受來自洞窟內(nèi)部的能量傳遞，換言之，洞窟內(nèi)溫度的變化影響著巖體內(nèi)淺部區(qū)域的溫度變化，且這種影響隨著鉆孔深度的增加，越來越小。

在巖體內(nèi)部同一位置上，每年12月到次年5月，隨著深度的加深，溫度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)， 6月到11月這種趨勢(shì)正好相反。同一位置不同月份之間的溫度存在梯度差，且由淺到深逐漸降低。

圖上還反映出這樣的事實(shí)：每年的6月到11月，在巖體淺部大約0.3m的深度區(qū)域內(nèi)，其溫度比洞窟內(nèi)巖體溫度還要高。如果把P2、P3、P4、P5、P6、P7以及P1探頭所賦存的環(huán)境分別看做是兩個(gè)系統(tǒng)的話，壁畫地仗層以及顏料層則充當(dāng)著兩個(gè)系統(tǒng)之間氣體交換的介質(zhì)，這種介質(zhì)的孔隙度是否均勻分布，也影響著兩個(gè)系統(tǒng)之間能量傳遞的效率，而地仗層及顏料層的物理化學(xué)性質(zhì)究竟如何影響著能量傳遞的效率，值得進(jìn)一步研究。

b） 相對(duì)濕度變化規(guī)律

圖5表明，水平方向上深度越深，相對(duì)濕度越大，約在2.5m的深度上達(dá)到100%，說明在該位置及更深的位置上，當(dāng)波動(dòng)的溫度達(dá)到水汽的露點(diǎn)時(shí)，就有出現(xiàn)凝結(jié)水的可能性。總體來看，淺部位置上的相對(duì)濕度波動(dòng)很明顯，說明在巖體內(nèi)淺部（表面至2.5m深度范圍），水分的波動(dòng)幅度較巖體深部區(qū)域大，而水分的大幅度波動(dòng)，增加了鹽分不斷地結(jié)晶和重結(jié)晶的危險(xiǎn)，從而造成壁畫病害周而復(fù)始的發(fā)生[15]，給修復(fù)工作帶來巨大挑戰(zhàn)。

同時(shí)，在巖體淺部區(qū)域，相對(duì)濕度在12月到次年5月間總是比6月到11月間的波動(dòng)幅度大。由圖4可知，12月到次年5月間巖體內(nèi)淺部溫度低于深部溫度，而此時(shí)淺部相對(duì)濕度的變化較6月到11月間更劇烈，由此可以認(rèn)定，正是巖體內(nèi)淺部和深部存在著溫度差，才導(dǎo)致了水分朝巖體淺部區(qū)域運(yùn)移，促使淺部區(qū)域內(nèi)水分含量及波動(dòng)幅度和6月到11月間的相比，都有較大的提高。即在巖體淺部的一定區(qū)域內(nèi)，水汽在水平方向上是朝著溫度降低的方向運(yùn)移的。這種結(jié)論曾亦鍵等[16]已經(jīng)論證過。

另外，洞窟內(nèi)相對(duì)濕度的波動(dòng)趨勢(shì)，在6月到11月，呈凸函數(shù)變化，且在7、8月份達(dá)到頂峰；12月到次年5月呈凹函數(shù)變化，在1、2月跌入低谷。綜合以上敘述，可以推斷出，洞窟內(nèi)的水汽變化受洞窟巖體內(nèi)部水汽變化的影響不大。考慮到洞窟大氣和窟外大氣相連通的事實(shí)，窟外大氣中水汽的變化在窟內(nèi)水汽呈現(xiàn)凸凹函數(shù)變化的規(guī)律中扮演著不可或缺的角色。

3.2 巖體內(nèi)垂直方向上溫濕度變化規(guī)律

選取兩鉆孔同一深度上若干探頭的溫濕度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作圖，以獲取巖體內(nèi)部在垂直方向上的溫濕度變化規(guī)律。

a） 溫度變化規(guī)律

巖體內(nèi)，不僅在水平方向上存在溫度高低的交替變化現(xiàn)象，在垂直方向上，情況也類似，不同的是，這種交替越往深處越不明顯，甚至于消失。從上圖可以看出，在0.3m、0.8m、2.5m的深度上，溫度也呈現(xiàn)出類似正弦函數(shù)波動(dòng)，即以半年為半周期交替變化。在一年中的6月到11月，位置高的地方溫度高，位置低的地方溫度低，從12月到次年5月間，這種現(xiàn)象正好相反，而且從6月到11月間，高低位置上的溫度差比12月到次年5月間的溫度差要明顯得多。然而在4.7的深度上，全年的溫度都是位置高的地方比位置低的地方高，說明在該位置上，溫度隨時(shí)間而交替變化的現(xiàn)象已消失，表現(xiàn)為位置越高，溫度就越高。

b） 相對(duì)濕度變化規(guī)律

如圖10、11、12、13所示，巖體內(nèi)淺部區(qū)域，相對(duì)濕度在垂直方向上，總是表現(xiàn)為位置越低，相對(duì)濕度越高。在巖體內(nèi)2.5m、高度為0.5m的地方，相對(duì)濕度已經(jīng)率先達(dá)到100%，這種趨勢(shì)，在深度為4.7m的地方已經(jīng)變得統(tǒng)一，二者的相對(duì)濕度都處于穩(wěn)定的100%，進(jìn)一步證明了3.1.b）中“在巖體內(nèi)部2.5m及更深的位置上，當(dāng)溫度適宜時(shí)會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)水”的結(jié)論。

按照3.1.b）的結(jié)論和圖6、7、8、9所示，淺部區(qū)域的水汽在6到11月是由高處向低處運(yùn)移的，表現(xiàn)為6到11月間低處的相對(duì)濕度比高處要高，這在圖10、11、12、13中得到了證實(shí)。同時(shí)，從12月到次年5月，水汽則是由低處向高處運(yùn)移，考慮到實(shí)際情況，水汽垂直往上運(yùn)移與其水平運(yùn)移相比，還需要克服重力作用，加上水汽運(yùn)移在垂直方向上還要受到礫巖顆粒的阻力，所以在12月到次年5月，水汽由低處向高處的運(yùn)移并不明顯。

另外，上圖也一致反映出，巖體內(nèi)淺部區(qū)域的相對(duì)濕度在12月到次年5月間的波動(dòng)幅度明顯增加，表現(xiàn)為相對(duì)濕度的曲線大幅度的劇烈振動(dòng)。這是因?yàn)檫@些位置受到了水平方向上的水汽運(yùn)移補(bǔ)給。這在3.1.b）中可以得到印證。

3.3 同一位置上的溫濕度相關(guān)性

由圖14、15、16、17可以看出，在巖體內(nèi)0.3m和0.8m的位置上，溫度和濕度呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性，即溫度降低，相對(duì)濕度也隨之降低，溫度升高，相對(duì)濕度則隨之升高。然而在2.5m深度上，相對(duì)濕度的波動(dòng)趨勢(shì)明顯降低，而溫度則是正弦曲線變化。到了3.5m的深度，相對(duì)濕度達(dá)到100%，保持水平不變，溫度依然以正弦曲線變化。說明同一位置同一時(shí)刻的溫濕度在巖體淺部的一定范圍（2m之內(nèi)）內(nèi)有相同的波動(dòng)趨勢(shì)，但這種波動(dòng)趨勢(shì)之間并沒有必然的聯(lián)系。

四 結(jié)論

（1）在尋找壁畫病害的成因時(shí)，不應(yīng)忽略巖體內(nèi)溫度差的存在，在相當(dāng)程度上，溫度差在水汽乃至鹽分運(yùn)移的過程中扮演著推動(dòng)力的角色。

（2）巖體內(nèi)淺部區(qū)域的溫度都是呈類似正弦曲線波動(dòng)的，從12月到次年5月，溫度由淺到深逐漸升高，6月到11月這種趨勢(shì)正好相反。淺部區(qū)域的溫度直接受洞窟內(nèi)溫度的影響，其波動(dòng)幅度都由淺到深逐漸減小，且到了一定的深度位置，溫度的波動(dòng)趨勢(shì)就會(huì)消失，即溫度基本趨于穩(wěn)定。

（3）巖體內(nèi)4.7m深度的區(qū)域內(nèi)，水汽由淺到深逐漸增加，不同深度上水汽的波動(dòng)趨勢(shì)不同，在一定深度上，當(dāng)溫度達(dá)到露點(diǎn)時(shí)，有出現(xiàn)凝結(jié)水的可能性。隨著季節(jié)交替，溫度周期性波動(dòng)，水汽總是朝著溫度降低的地方運(yùn)移，而水汽波動(dòng)在12月到次年5月間最為活躍。從理論上講，這個(gè)時(shí)期也是壁畫遭受來自巖體內(nèi)部威脅最嚴(yán)重的時(shí)期。鑒于每年6到11月是敦煌地區(qū)強(qiáng)降水期，因此，和洞窟外部的降水對(duì)壁畫賦存環(huán)境的威脅相比，壁畫遭受來自巖體內(nèi)部的威脅要弱得多。

（4）巖體內(nèi)淺部區(qū)域的一定位置上，在同一時(shí)刻的溫濕度波動(dòng)趨勢(shì)是相同的，同減同增。但這種相同的波動(dòng)趨勢(shì)之間并沒有必然的聯(lián)系。

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