莫高窟壁畫彩塑表面降塵調查研究

善忠偉,崔 強,殷耀鵬,張文元,水碧紋,殷志媛,于宗仁

[1. 敦煌研究院保護研究所,甘肅酒泉 736200; 2. 國家古代壁畫與土遺址保護工程技術研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200;3. 甘肅省敦煌文物保護研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200; 4. 甘肅莫高窟文化遺產保護設計咨詢有限公司,甘肅酒泉 736200]

0 引 言

莫高窟,作為世界上現存持續營造時間最長、內容最豐富的石窟建筑群之一,被譽為“沙漠中的美術館”和“墻壁上的博物館”。以其大量珍貴精美的壁畫和彩塑聞名于全世界,在中國和世界文化史研究領域具有十分重要的價值[1]。莫高窟位于我國西北地區中部,地處庫姆塔格沙漠的東北邊緣,四周被沙漠戈壁圍繞,多風向的環境特征導致該地區在春、夏兩季極易出現沙塵天氣。屈建軍等[2]對莫高窟所在區域降塵情況時空分布規律研究表明在該區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,洞窟均為單側開口形式,窟門是窟內外空氣交換的唯一途徑[3-4]。20世紀80年代,通過對莫高窟大多數洞窟安裝鋁合金紗窗門,調節洞窟內外溫濕度差值,保證窟內環境處于相對比較穩定的狀態[5]。在具體運行過程中采用鋁合金紗窗門半封閉保護模式進行調控,但是在該模式下空氣流通速率較高,空氣中大量沙塵、浮塵物質會隨氣流進入洞窟,受到重力作用降落在壁畫彩塑表面,這種情況稱為降塵現象[6]。降塵會對壁畫彩塑產生重要的影響,一方面降塵覆蓋在壁畫彩塑表面,會對其色彩和內容進行遮蓋,影響觀賞價值,如圖1所示;另一方面,在一定條件下降塵會與壁畫彩塑表面顏料層發生物理化學相互作用,導致出現或加劇病害的發生和發展,對壁畫彩塑產生潛在的威脅。目前,已有學者著力研究降塵對文物的影響,如黃繼忠等[7]研究了粉塵對云岡石窟石雕的影響,得出粉塵對石雕物理風化和化學風化交替進行,相互促進致使云岡石窟石雕嚴重風化;盧軒等[8]對陜西歷史博物館壁畫庫降塵進行了分析研究,表明降塵對壁畫顏料顏色的主要影響是物理堆積作用;趙以辛等[9]對南響堂石窟石雕表面降塵進行理化分析研究,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主要原因;牟煒等[10]對西安碑林博物館庫房內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,會導致紙張酸化和促進纖維素的分解。由上可見,降塵是文物保護和保存中不可忽視的重要環境因素。因此,對莫高窟壁畫彩塑表面降塵進行系統研究,以期為減少降塵對莫高窟壁畫彩塑的破壞和影響而采取的除塵等保護措施提供理論依據。

圖1 莫高窟壁畫彩塑表面降塵

1 樣品和方法

1.1 樣品采集

莫高窟南北全長1 680 m,現存歷代營建的洞窟共735個,分布于高15～30多米高的斷崖上,上下分布1～4層不等。窟區分為南、北兩區,其中南區長約980 m,現存壁畫和彩塑的洞窟492個,彩塑2 400多身,壁畫4.5萬多平方米。本研究選取莫高窟南區不同水平距離和不同層位高度洞窟,用軟毛刷收集壁畫、彩塑表面降塵,洞窟包括開放洞窟和非開放洞窟,洞窟位置見圖2所示,具體采樣信息見表1。樣品編號中字母“M”代表莫高窟,數字代表窟號,數字后面字母“W”和“S”分別代表壁畫和彩塑。

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 降塵分布調查

通過收集莫高窟第55窟、425窟、148窟、310窟、88窟單位面積壁畫彩塑表面降塵,進行樣品稱量計算莫高窟壁畫彩塑表面降塵量分布(表2)。壁畫表面(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年對莫高窟第88窟壁畫彩塑進行保護修復,在莫高窟第88窟放置降塵收集裝置收集2020年12月～2021年12月窟內壁畫彩塑表面降塵,在1 dm2壁畫表面(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 莫高窟壁畫彩塑表面降塵量調查

1.3 測試設備與方法

莫高窟內部壁畫彩塑結構復雜,進入洞窟的降塵不易隨空氣流流出洞窟。當降塵附著在壁畫彩塑表面后,對壁畫彩塑所產生的物理或化學影響,取決于降塵的理化性質。對莫高窟壁畫彩塑表面的降塵進行分析其粒徑分布、微觀形貌、元素組成、物相組成、可溶鹽含量等理化性質,測試設備見表3。

2 結果與討論

2.1 降塵的理化性質

2.1.1降塵粒度分析 莫高窟壁畫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。同一洞窟內壁畫表面降塵粒徑小于彩塑表面降塵粒徑。由于莫高窟第148洞窟為開放洞窟中必參觀洞窟之一,會對參觀洞窟地面進行日常吸塵清掃,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 莫高窟壁畫彩塑表面降塵粒徑分布結果

(續表4)

圖3 莫高窟壁畫彩塑表面降塵粒度分布圖

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

電子顯微鏡是表征單顆粒的理想工具,與X射線能譜結合,電子顯微鏡可以同時提供顆粒物的形貌、化學成分和粒度分布等信息[12]。通過掃描電鏡觀察,莫高窟內的降塵呈粉末狀,由各種不同粒徑的顆粒組成,微觀形貌有棱角狀、次棱角狀、絲絮狀和各種不規則形狀(圖5)。利用掃描電鏡-能譜對莫高窟壁畫彩塑表面的降塵進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,成分較為復雜。

圖4 莫高窟壁畫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對于研究結晶材料有顯著作用,可以獲取結晶材料中結晶成分的空間分布等信息,但是不能獲取物質振動信息,也存在結晶成分與非晶成分的衍射峰重疊現象[13]。顯微紅外光譜分析可彌補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聯用,對莫高窟壁畫彩塑表面降塵組成物相進行分析。

莫高窟壁畫彩塑表面降塵主要物相有石英、方解石、鈉長石、白云石、綠泥石、白云母(表5),部分樣品還有高嶺石、鉀長石、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。同一洞窟內壁畫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石、鈉閃石含量高于壁畫表面降塵。

表5 莫高窟壁畫彩塑表面降塵物相分析結果

(續表5)

圖6 莫高窟壁畫彩塑表面降塵代表性X射線衍射圖

對莫高窟壁畫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,均為蛋白質的特征吸收,說明樣品為蛋白質(圖7b,7c,7h)。

通過對莫高窟洞窟中降塵物質的組成物相進行分析,結果表明莫高窟壁畫彩塑表面的降塵多為來自窟外的石英和黏土礦物,其中大部分顆粒物為含鈣質顆粒,如石膏、白云石和方解石,少量物質為窟外動植物纖維。因此推斷這些物質隨窟內、外空氣交換和人為活動進入窟內沉降到地面和壁畫彩塑表面形成目前洞窟內降塵嚴重的現象。

圖7 莫高窟壁畫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,也是降塵對壁畫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彩塑表面,不但有潛在的研磨作用,還能將有害化學物質攜帶到壁畫彩塑表面,導致對文物材料的化學侵蝕和物理風化[14]。研究表明莫高窟壁畫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是導致敦煌莫高窟壁畫發生酥堿病變的主要鹽類物質[16-19]。分析莫高窟壁畫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,進一步揭示可溶鹽對莫高窟壁畫彩塑的毀壞機理。

表6 莫高窟壁畫彩塑表面降塵可溶鹽離子分析結果

圖8 莫高窟壁畫彩塑表面降塵水溶性離子分析圖

2.2 降塵對壁畫彩塑的潛在影響

2.2.1降塵對壁畫彩塑色度的影響 降塵對莫高窟壁畫彩塑的物理遮蓋影響主要表現為在其原有色彩上進行沉降、覆蓋,造成壁畫彩塑表面累積暗色沉積物,降低壁畫彩塑的美學觀賞價值。人眼對表色色差實驗的研究表明中國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]。利用色差儀對莫高窟55窟壁畫表面顏料進行除塵前后色度檢測,發現除塵前后壁畫表面顏料的亮度差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窟北壁東側顏料色度

表8 莫高窟第55窟甬道北壁西側顏料色度

表9 莫高窟第55窟彩塑顏料色度

2.2.2降塵對壁畫彩塑保護的影響 莫高窟壁畫彩塑表面降塵不僅遮蓋壁畫彩塑本體,影響其藝術觀賞價值,同時也遮蓋壁畫彩塑現存病害,無法及時發現病害并采取保護修復措施致使壁畫彩塑進一步劣化。進入洞窟的降塵微粒侵入到壁畫彩塑已有的病害空隙間,如顏料層起甲、粉化、龜裂、裂縫等區域(圖9)。隨著降塵的不斷沉積,逐漸把壁畫彩塑顏料層或白粉層向外擠壓而脫離地仗,從而導致壁畫彩塑顏料層和白粉層脫落,嚴重時可使整個地仗大面積脫落[24]。沉降、附著在壁畫彩塑表面不僅污損文物,甚至與彩繪顏料中的某些成分發生化學反應,加速壁畫彩塑的侵蝕過程,造成壁畫起甲脫落等病害,并使裂縫變寬[25]。

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

降塵對窟內壁畫彩塑的劣化損害包含物理遮蓋臟污和化學酸化鹽蝕兩個方面。沉降在莫高窟壁畫彩塑表面的大部分為地殼源礦物,對壁畫彩塑帶來的潛在危害是物理遮蓋、污損和磨蝕等作用。降塵的沉積會破壞壁畫的粘合力,導致壁畫出現大面積的脫落、褪色等現象[28]。由于降塵顆粒大多為礦物顆粒,微觀形貌多為棱角狀,隨著氣流運動對莫高窟壁畫彩塑表面磨損變色、褪色;如果對壁畫彩塑表面降塵進行清理,涉及的機械操作或引入的化學藥品還會給壁畫彩塑帶來進一步的磨損和化學侵蝕等損害[29]。莫高窟壁畫彩塑表面降塵中高濃度的水溶性無機離子的存在對壁畫彩塑有潛在的鹽蝕危害,游客參觀帶來的水汽、溫度變化會加劇壁畫彩塑的損毀過程。在進行壁畫彩塑保護修復工作時,降塵會影響修復材料與顏料層、地仗層的粘結效果,同時也會污染壁畫彩塑表面。

圖9 降塵微粒侵入到壁畫裂縫顯微照片

圖10 莫高窟壁畫表面降塵及微生物

3 結 論

通過對莫高窟第12窟等9個洞窟壁畫彩塑表面降塵進行調查分析研究,初步得到如下結論:

1) 莫高窟壁畫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);極少數降塵通過靜電作用、吸附作用、摩擦力、范德華力等吸附在壁畫表面(豎直方向)。壁畫表面(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) 降塵對壁畫彩塑保護的影響主要表現在物理遮蓋和磨蝕作用導致其區域色度發生變化、可溶鹽對壁畫彩塑的潛在鹽蝕威脅和作為微生物載體加劇部分病害發展三個方面。進一步進行系統、全面的深入分析莫高窟降塵對于壁畫彩塑保護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以減少窟外大氣降塵經鋁合金紗窗進入窟內;對開放洞窟地面進行日常清潔除塵,以減少游客參觀活動擾動使已經沉降在地面的降塵物質發生再次懸浮,進入窟內空氣中沉降在窟內壁畫彩塑表面,探索有效的除塵方式對莫高窟壁畫彩塑表面降塵進行清除,以減少降塵對壁畫彩塑的潛在威脅。

綜合研究成果可見莫高窟壁畫彩塑表面降塵是導致壁畫彩塑產生病害的一個不可忽視的重要因素。此次研究的結果可為莫高窟壁畫彩塑預防性保護提供基礎數據,研究所采用的實驗方法和分析技術,亦可應用于其他文化遺產地的降塵研究中。