敦煌莫高窟B113窟水分蒸發特征與形成機理

王順仁,李紅壽,鞏一璞,詹鴻濤,王小偉,李菲

[1. 敦煌研究院敦煌石窟監測中心,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. 甘肅莫高窟文化遺產保護設計咨詢有限公司,甘肅酒泉 736200; 4. 甘肅省敦煌文物保護研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200]

0 引 言

敦煌莫高窟是著名的世界文化遺產,至今仍保存有洞窟735個,其中保存有精美壁畫的洞窟492個,壁畫面積45 000 m2,彩塑2 415身,是世界上規模最大,保存最完整的佛教藝術寶庫,具有極高的歷史、藝術及科學價值[1]。受自身泥質材質和自然環境因素的影響,歷經千年的壁畫產生了酥堿、皰疹、起甲、空鼓、褪色等多種病害。為了更好地保護洞窟壁畫,減緩壁畫劣化過程,保存其完整性,學者專家針對莫高窟的壁畫病害的形成機理和治理進行了研究。郭宏研究發現,地仗中鹽分頻繁的溶解-結晶是造成酥堿病害主要根源[2-3]。靳治良研究證實鹽的結晶是壁畫病害產生的主要原因[4]。陳港泉通過莫高窟壁畫中可溶鹽分的構成[5-6]、分布規律[7-9]和危害機制的研究表明,水分能將大量的可溶鹽帶入壁畫地仗層,水分蒸發引起鹽分結晶,可導致病害的形成。

眾多學者研究表明,莫高窟壁畫病害的產生,水分是關鍵因子[10-14]。在壁畫劣化過程中,水分是主要參與因子和最活躍的關鍵元素。水分的蒸發會引起洞窟圍巖及地仗層中鹽分遷移和積累。與此同時,圍巖體和地仗層中的易溶鹽在水和水汽的參與下會發生溶解,結晶過程破壞壁畫使其產生病害。郭青林對莫高窟洞窟水鹽來源進行了深入研究[15];楊善龍對洞窟圍巖水鹽分布進了調查研究[16-17];周啟友基于電阻率成像法對莫高窟墻體內水鹽運移過程進行了分析[18];李紅壽等通過莫高窟外圍的戈壁拱棚和空調冷凝實驗[19]證明在潛水埋深超過200 m的戈壁區存在潛水蒸發;并應用封閉凝結的方法對72窟、B132窟水分蒸發和來源進行了研究[20-21],專門應用氫氧穩定同位素示蹤原理[22]證明莫高窟戈壁土壤和洞窟水分來自地下潛水,洞窟存在圍巖水分向洞窟內的水分運移與蒸發;同時,最新研究發現地氣活動對戈壁潛水蒸發的形成有至關重要的作用[33]。地氣是指土壤內的空氣[33],在本研究中指包括洞窟空間在內的圍巖內的空氣。

莫高窟壁畫病害現狀調查表明,下層洞窟病害最為嚴重,其次是上層洞窟,中間洞窟相對保存較好[3,15,26]。了解不同高度/層位的洞窟水分來源、蒸發狀況,確定水分與洞窟病害的關系對壁畫保護非常關鍵。72窟洞窟蒸發水分收集與監測表明,窟內存在來自深層的潛水蒸發。在規避太陽輻射后,日尺度上窟內水分蒸發呈線性特征[20]。莫高窟72窟位于南區下層,洞窟為覆斗狀中型洞窟。本次專門選擇莫高窟北區崖面中部的B113禪窟為實驗洞窟,且在形狀、位置、空間結構上與72窟有明顯的區別。若進一步對洞窟內圍巖水在年尺度和日尺度上蒸發特征及蒸發數量進行研究掌握其規律,對全面了解莫高窟洞窟水分來源與活動規律有重要意義,并將為莫高窟及其他石窟群壁畫水-鹽病害預防性保護提供科學基礎。

1 研究區域與洞窟概況

敦煌莫高窟位于河西走廊最西端,位于中國西北內陸干旱的戈壁沙漠區(40°02′14″N,94°47′38″E)。受到蒙古高壓的影響,氣候干旱,降水量少,是典型的沙漠氣候特征。年平均溫度11 ℃,年平均相對濕度(RH)32.2%[23]。年降水量42.2 mm,太陽輻射強度可高達1.1 kW/m2,年日照時數3 257.9 h[24],海拔1 320～1 380 m。

莫高窟開鑿于大泉河河谷西岸,崖壁呈南北走向,長約1 680 m。崖體高度一般為30～45 m。洞窟分布在第四紀酒泉礫巖組成的崖體中。酒泉砂礫巖中大于2.0 mm的礫石組分約50%～60%,2.0～0.1 mm的砂粒組分約12%～30%,小于0.1 mm的粉粒約占10%～15%。砂礫石的空隙度為25%～30%[30]。礫石的分選性較差,磨圓度為次棱角狀,膠結物以鈣質、泥質為主[27]。該區潛水埋深超過200 m,潛水的長期蒸發使洞窟圍巖0～40 cm富含鹽分[16]。

莫高窟南區為禮佛區,幾乎所有洞窟都有壁畫彩塑。北區洞窟多為僧人生活洞窟、禪窟和瘞窟[25],除個別洞窟內含有壁畫,其他無壁畫。北區B113窟位于崖面中上層,窟口無門。窟內無地仗層、壁畫和彩塑,是一個6室禪窟,呈對稱分布(圖1)。洞窟距地面約7.0 m。石窟所在的崖面呈臺階形狀。由于下層洞窟較小,深度較淺,B113窟坐落于實體巖石之上。

2 研究方法

實驗在莫高窟B113中室安裝了冷凝除濕機(川島ZD-8138C,除濕機最低可除濕濕度為30%)和1臺5 kW空調(KFR-120LW 12568LAL-HN5),并用厚度為0.12 mm的聚氯乙烯塑料膜和瓷白膠雙層封閉洞窟。當窟內濕度達到除濕機設定的工作值時(RH>30%)冷凝自動開啟,冷凝水通過排水管導出洞窟,用密封的水桶袋承接,收集圍巖蒸發水分。空調在試驗期間為了驗證溫度對洞窟蒸發水分凝結的影響,2014～2015年設定工作溫度為16 ℃,2020在8月設定為18 ℃。窟內溫度超過預設值則自動開啟。洞窟內蒸發水的冷凝收集從2014開始。2014～2016年由人工每天(9∶30)一次稱重,記錄統計蒸發量。在2020年時,窟門外安裝了智能定時記錄電子桌秤(型號為昆山巨天WN-Q20S-DS,精度0.1 g),每1 min一次對洞窟蒸發規律進行全天候監測。通過電子稱自動稱重,不間斷實時測量和記錄凝結水分的數量,即凝結量等于蒸發量。通過B113窟在2014、2015、2016、2020、2021年5年的洞窟蒸發量和洞窟溫濕度變化監測,對其年蒸發和日蒸發規律進行分析。

初步推斷圍巖水分的蒸發主要集中在后室西壁[9,15-16,18]。因此在B113窟后室西壁中部位置直徑10 cm深200 cm的鉆孔中,深度20、50、100、150、200 cm和中室室內、窟外安裝了S-TMB-M002溫濕度傳感器(美國產,工作溫度為-40～75 ℃范圍,在0～50 ℃時,精度±0.21 ℃,分辨率0.02 ℃;在10%～90%RH時,精度±2.5%,分辨率0.1%)和大氣壓變送儀(型號HD9408T,意大利產,工作溫度-30～60 ℃,測量范圍600～1 100 hPa,精度20 ℃時,±0.4 hPa)。鉆孔內用泡沫材料填充,洞口用澄板土密封。由于洞窟圍巖水分蒸發主要受溫度影響,為了監測洞窟空間結構上由里到外溫度的梯度變化,在窟外崖體圍巖表面(A)、中室東壁圍巖50 cm深處(B)、中室(C)、中室西壁(D);后室(E)、后室西壁(F)鉆直徑2 cm深10 cm孔洞安裝HOBO(U23-002A)溫濕度傳感器(美國產,工作溫度為-40～75 ℃范圍。在0～50 ℃時,精度±0.21℃;在10%～90%RH時,分辨率為±2.5%;在25 ℃時,分辨率±0.02 ℃),并用瓷白膠封閉孔洞。通過溫濕度的變化情況分析蒸發形成機理。

3 結果與分析

3.1 洞窟水分年蒸發特征與形成機理

3.1.1洞窟水分年蒸發特征 經過5年對B113窟洞窟水分蒸發量的監測,共收集了180 066.6 g。匯總5年洞窟水分蒸發量的日均值得到B113窟水分年蒸發量為61 186.3 g,日蒸發量為229.2 g,如圖2所示,洞窟內水分蒸發趨勢大致呈正弦波動變化。從4月開始,洞窟內就可收集到蒸發水分,6月洞窟水分日蒸發量突增,日蒸發量達到了340.1 g,隨后恢復穩定。7、8月洞窟水分日蒸發相對穩定,水分蒸發總量占全年中最大,日蒸發量為336.1 g。9月開始隨著氣溫的下降至11月底,窟內水分蒸發量呈下降趨勢,一直到12月底,洞窟內水分蒸發停止。

受開啟時間、停電和設備故障等影響,每年的監測并不完全,各年份的蒸發量和相應的日蒸發量如表1所示。對比同期8月蒸發量發現,空調設制在16 ℃時,與無空調開啟溫度較高時相比,蒸發量降低了2 097 g。說明空調降溫對潛水蒸發有一定的抑制作用。在空調設制在18 ℃時,洞窟水分的蒸發量明顯要高于16 ℃時的數量,增大了3 040 g。但與無空調開啟溫度較高時相比,蒸發量反而略有增大(增加943 g)。監測表明,18 ℃控溫只對圍巖淺層(20 cm)處有影響,對深層圍巖溫度幾乎無影響,深層水汽可通過擴散和地氣活動穿過20 cm溫度穩定層,仍形成較強蒸發。如2020年8月份,人為開啟空調將溫度設制在18 ℃,但窟內平均溫度仍在20.28 ℃(2016、2020、2021年洞窟同期溫度見表1),較7月和9月平均值,窟內溫度低了7.37 ℃,圍巖20 cm低了2.09 ℃,50 cm低了0.91 ℃。但20 cm處RH升高了1.29%,50、100、150、200 cm的RH幾乎不受影響。關閉空調后,圍巖溫度和AH又整體上升,圍巖20 cm處的RH下降1.22%;蒸發量較同期空調未開啟時增大了30.4 g/d。當然,蒸發量還受年際溫度差異和同期地氣波動程度的影響有關,空調對蒸發的影響程度還有待進一步研究。

表1 B113窟水分年蒸發/凝結量Table 1 Annual evaporation amount in Cave B113

3.1.2洞窟水分年蒸發形成機理 在B113窟封閉的條件下,通過對洞窟內外及后室西壁圍巖不同深度處5年的監測,發現其年變化趨勢基本一致。相較于其他幾年的數據,2016年的溫濕度監測數據相對較完整(未開啟空調),其溫度、RH、絕對濕度(AH)、氣壓變化分別如圖3(a、b、c、d)所示。根據該代表性數據的季節變化(月份)對形成機理進行分析。

圖3 2016年B113窟圍巖內溫度(a)、RH(b)、 AH(c)、氣壓(d)的變化Fig.3 Changes of temperature (a), RH (b), AH (c), air pressure (d) in Cave B113 in 2016

從2月開始,受窟外氣溫升高的影響,洞窟內的溫度、RH和AH增大。說明隨著洞窟圍巖溫度的升高,圍巖內結合水分(吸濕吸附水分、結晶水分和膜狀水)開始分解,使得洞窟RH和AH增高。此時圍巖20 cm以內的溫度受溫度遲滯影響仍在下降,圍巖不同深度的RH、AH也都在降低。

3月,隨著窟外氣溫的持續升高,洞窟中室和后室西壁圍巖20 cm處的溫度升高(圖3a),圍巖20 cm和50 cm的RH、AH升高;RH飽和的100、150、200 cm處溫度還處于降低階段。窟內AH增大,說明隨著窟內溫度的升高,圍巖內結合水分由淺及深分解蒸發,洞窟內AH持續升高。到4月變化更為明顯,此時窟內溫度達到了15 ℃,圍巖不同深度的溫度發生逆轉,淺層溫度高于深層溫度。與3月相比窟內溫度升高了2.49 ℃,20、50、100 cm的圍巖溫度隨著窟內溫度的升高上升1～2 ℃,AH升高0.3～1 g/m3。而150、200 cm的圍巖AH降低到了極低值。此時洞窟內能收集到水分,說明在窟內溫度升高和熱能傳導作用下,圍巖內結合水持續分解,蒸發水分進入洞窟,達到了除濕機開啟的濕度30%。

受外界自然氣溫升高的影響,窟內的溫度仍在持續升高,5月窟內及圍巖不同深度的溫度、RH、AH都在升高,窟內溫度的升高促使圍巖的結合水大范圍分解,窟內AH增加(圖3c)。6月從圖2中可看到洞窟出水量劇增,這與圍巖深層冬季蓄存較厚薄膜水分有關[21]。且圍巖100 cm處的AH增幅要高于其它深度。7～9月圍巖溫濕度最高,水分蒸發處于較高水平(圖2)。因此,夏季洞窟水分蒸發量最大。

9月,窟外溫度下降(圖3a),窟內溫度、RH和AH降低,水分蒸發量減小。由于圍巖溫度遲滯效應(圖3b、3c),圍巖溫度、RH、AH繼續升高至全年中最大值。10月至11月,隨著窟外溫度的下降,窟內及圍巖溫度、RH、AH,由淺及深下降,水分蒸發量持續下降。至12月底到來年2月,淺層圍巖溫度持續下降和吸濕吸附水分,使洞窟內的RH低于除濕機開啟的閾值,除濕機收集不到凝結水分。同時,從圖3中可以看到,除濕機的開啟和關停可引起窟內及圍巖一定程度的溫濕度波動。1～3月洞窟內應該也有少量的擴散水分蒸發,但濕度未達到除濕機工作的條件,未能收集到水。4月溫度較低,窟內濕度處于除濕機工作的臨界值附近,收集的凝結水不連續。

總之,圍巖溫度決定著孔內和圍巖的RH和AH的高低,存在物理熱力學相關機制,對蒸發量有決定性影響。

氣壓變化如圖3d所示,窟內與圍巖不同深度的氣壓同步波動,整體冬季較高夏季較低。大氣壓波動引起圍巖內地氣運移,地氣運移引起了圍巖內20 cm和50 cm的RH(圖3b)、AH(圖3c)的同步波動,但波動方向與大氣壓相反。當大氣壓下降時,地氣上升,圍巖內潮濕地氣向外運移;當大氣壓上升時,外部干燥空氣進入圍巖,圍巖內濕度下降。因此,圍巖內濕度與大氣壓同步波動,波動方向相反[33]。根據蒸發量(E)計算公式[33]:

E=ΔV×AH

(1)

式中,ΔV為地氣呼出量。因此,地氣流量對蒸發有決定性的影響。

ΔV=tnΔP/P2

(2)

式中,n為孔隙度;t為包氣帶厚度;ΔP為體積V1時地氣氣壓與體積V2時地氣氣壓的差;P2為體積V2時地氣氣壓。在這里洞窟圍巖砂礫巖孔隙度取0.25,厚度取200 m。側向圍巖相當于地表的變形,同樣存在地氣活動。根據公式(2),大氣壓波動幅度、包氣帶厚度和孔隙度與地氣流出量成正比。在莫高窟導致背景下,包氣帶厚度和孔隙度是一定的。因此,該區大氣壓的波動幅度決定著地氣的流出數量。從圖3d中看到,全年大氣壓波動幅度和頻率全年基本一致的情況下,地氣的流出數量大致相同,但因流出地氣的水汽濃度不同,導致了全年蒸發量的正弦曲線變化。因此,洞窟圍巖溫度決定了圍巖內的AH,進而主導了年正弦蒸發特征和蒸發量。

3.2 洞窟水分日蒸發特征與形成機理

3.2.1洞窟水分日蒸發特征 B113窟位于崖面上層,受外界氣溫和太陽輻射強度的日變化都會引起洞窟外圍巖和窟內的溫度變化,從而影響洞窟水分日蒸發。在封閉情況下,窟內(中室)溫度相對穩定,年平均日溫度變化為0.1 ℃。B113窟2020年10～12月和2021年5～9月的日水分蒸發量如圖4所示(4月不連續、不穩定未計入)。

圖4 洞窟水分蒸發凝水量日變化Fig.4 Diurnal changes in the amount of water evaporation and condensation in the cave

洞窟水分日蒸發量為229.2 g,水分蒸發與窟內溫度變化趨勢一致。7∶00～12∶00迅速上升,12∶00～23∶00下降,夜間也有持續水分蒸發,它們是深層圍巖水汽通過濕度梯度擴散來實現蒸發的,蒸發量大致呈正弦曲線變化規律。洞窟圍巖和窟內溫度日變化如圖5a所示,具體蒸發形成機理分析如下。

圖5 B113窟崖體圍巖窟內溫度、RH、AH、凝水量日變化(A的數值按次Y軸變化)Fig.5 Daily variations of temperature, RH, AH, condensation amount in surrounding rock of Cave B113

3.2.2洞窟水分日蒸發形成機理 B113窟在封閉的狀態下,窟內的溫度會隨著窟外溫度以及洞窟崖體圍巖太陽熱輻射能量傳導而呈現穩定的周期性變化。洞窟內水分日蒸發的能量主要來自于通過崖體圍巖向窟內傳導的太陽熱輻射。洞窟處于一個南北走向的西部崖面上,早晨受太陽的直接輻射,午后處于崖面的蔭影之中。太陽的直射高度不同,太陽熱輻射的能量也有差異,從而使窟內日溫度發生變化。

選取2021-6-25至2021-7-1的數據進行統計,圖1中監測位置的溫度、RH、AH、氣壓及同期凝水量如圖5所示。

從圖5a中可以看到,洞窟東壁圍巖表面在太陽的直接輻射下,圍巖溫度隨著時間的變化存在明顯的規律性變化。從7∶00～13∶00溫度迅速上升至最大值,隨后開始下降,下降幅度較大。到凌晨6:00逐漸降至最低。洞窟中室東壁厚度約1 m,在其深度50 cm處監測發現,中室東壁溫度在7∶00～14∶00一直呈上升趨勢,圍巖熱能傳導是一個緩慢的過程,此時中室東壁主要是受窟內溫度的影響而變化。中室室內溫度從7∶00～13∶00時呈上升趨勢,變化幅度約0.3 ℃,然后開始下降至凌晨6∶00,與窟外圍巖溫度變化相似,但總體溫度受窟內溫度的升高變化呈上升趨勢。中室西壁和后室室內溫度與中室東壁同樣受窟內溫度的影響呈上升的趨勢。后室西壁的溫度變化(圖5a)和窟外圍巖表面溫度的變化一致。溫度變化對比中,中室室內溫度高于其他各壁,從空間結構上對比,從前往后依次降低,溫度變化對洞窟圍巖水分蒸發有很大影響。

從圖5b、5c中可以看到,隨著東壁圍巖表面溫度的升高,圍巖表面RH降低,AH增大。在其深度50 cm處RH、AH同時增大。中室室內、西壁和后室的RH由于除濕機的工作,變化相對穩定,但AH都增大。后室西壁的變化較為明顯,受東壁圍巖表面溫度變化影響,溫度升高,RH、AH降低。溫度降低,RH、AH增大。從圖5中看到,東壁圍巖表面和后室西壁的RH、AH變化存在明顯的規律性變化。從空間結構上對比,洞窟內RH、AH,從前往后整體依次增大,表明西壁向內存在水汽向外(除濕機)流動的濕度梯度。

因此,洞窟內靠近崖面的圍巖整體溫度和AH隨太陽輻射的增強而升高,隨日輻射的減弱和消失而降低,呈周期性變化。而大氣壓呈較為典型的雙峰型變化,2020年的氣壓日變化如(圖6)。

圖6 B113洞窟內大氣壓日變化Fig.6 Changes in daily atmospheric pressure in Cave B113

在大約5∶00～10∶00大氣壓升高時,窟外大氣通過圍巖進入窟內,此時東壁圍巖內的高濕水汽帶入窟內被除濕機吸收。10∶00～17∶00大氣壓下降,西壁潮濕地氣流出,導致西室濕度(圖5b、5c)隨地氣波動,造成蒸發量并沒有隨東壁午后劇烈溫度的下降而迅速減小,而隨地氣流出仍保持較高的蒸發水平(圖5d)。17∶00～23∶00,中室室內和后室西壁的RH與AH變化隨地氣氣壓的升高而降低,即窟內干燥空氣在壓力作用下進入圍巖,蒸發量急劇下降;24∶00～6∶00,當氣壓降低時,潮濕地氣流出,部分被除濕機吸收,部分被溫度下降的圍巖(主要是外圍的東壁圍巖)吸收,圍巖吸收的水分用于次日升溫蒸發。因此,窟內存在一個水分內循環。也就是,若無地氣活動影響,僅靠圍巖水汽擴散,蒸發量將完全隨東壁溫度和AH變化;若無日溫度波動影響,蒸發量將完全隨地氣活動。溫度決定AH,即水汽濃度,大氣壓波動幅度決定地氣呼出的氣體數量(ΔV),根據計算公式(1),它們的共同作用決定著蒸發量。從圖5b、5c中可以看到,由于外部干燥大氣的進入,使通常隨溫度上升RH和AH都上升的圍巖出現了RH隨著溫度的升高而降低的現象,從一個側面說明地氣的影響。

單獨對每個月的日蒸發量進行分析,發現其各有差異。受地球自轉和公轉變化影響,不同月份的日太陽的高度角也都不同,從而決定了地面及崖體太陽熱能量的多少,因此窟外溫度變化和洞窟崖體圍巖所承受的太陽熱輻射量的不同,從而引起洞窟水分日蒸發量略有不同,但總體的變化趨勢相一致。從圖5中可以看到,12月崖面受太陽熱輻射的影響最大,對蒸發量的影響更為明顯(圖4)。因此,溫度和大氣波動共同導致年/日蒸發量呈正弦曲線變化。

4 討 論

莫高窟B113窟能收集水,說明洞窟水分蒸發具有普遍性,水分蒸發主要在4～12月,1～3月也可能有微弱的蒸發。72窟與B113窟相比,72窟位于崖體下層,且有前室較強緩沖和保護,窟區前有樹林,遮陰較強,因此72窟日蒸發呈直線型變化,無晝夜波動。這也表明窟前高大樹木遮陰可有效降低洞窟水分活動量,有益于壁畫保護。另外,當時未發現和考慮大氣活動的地氣影響。而B113窟位于崖體中層,洞窟較小,太陽熱輻射較強,水分蒸發會隨著太陽熱輻射強度和窟外大氣溫度的變化而變化。因此,洞窟所處的層位、大小對洞窟水分蒸發有重要影響。

通過5年的實驗數據累計,14～15 ℃可能是洞窟內水分蒸發水分可冷凝收集的臨界溫度。洞窟內溫度的升高,會增大洞窟內水分蒸發,不利于洞窟壁畫的保護。洞窟內穩定的環境是壁畫長久保存的關鍵,因此要保持溫度穩定。同時,如何規避圍巖地氣的通過量對洞窟壁畫的保護十分關鍵,將進一步對其開展研究。

5 結 論

通過對B113窟封閉洞窟約5年的蒸發水分冷凝收集和洞窟內溫度、濕度和氣壓監測,揭示了莫高窟崖面中層小型洞窟在年尺度和日尺度上蒸發水分的數量、蒸發規律和形成機理:

1) 洞窟圍巖水分年蒸發量為61 189.9 g,在年尺度上呈正弦曲線變化,當溫度升高,洞窟圍巖的水分蒸發增加。6～8月洞窟的蒸發量較大。當溫度降低,洞窟圍巖蒸發量減小,從9月開始洞窟蒸發量開始減小。從12月中旬至次年3月收集不到冷凝水分。

2) 洞窟圍巖水分蒸發日尺度平均蒸發量為229.2 g,7∶00～12∶00迅速上升,12∶00～23∶00下降,夜間也有持續水分蒸發,隨著窟圍巖溫度的變化也大致呈正弦曲線變化。

3) 溫度和大氣壓波動對洞窟水分蒸發形成機制具有決定性的影響。溫度決定蒸發的水汽濃度,大氣壓波動幅度決定地氣呼出的氣體數量,它們的共同作用使年蒸發量和日蒸發量都呈正弦特征變化。圍巖溫度的差異導致洞窟內存在水汽小循環。