麥積山石窟131窟壁畫材質及制作工藝研究

文 娟,徐博凱,胡軍艦,李 鑫,張宏英

(1. 天水師范學院化學工程與技術學院,甘肅天水 741000; 2. 天水麥積山石窟藝術研究所,甘肅天水 741020;3. 西北大學文化遺產學院,陜西西安 710127; 4. 天水市博物館,甘肅天水 741000)

0 引 言

麥積山石窟位于甘肅省天水市,1961年被列入第一批全國重點文物保護單位,2014年作為“絲綢之路—長安至天山廊道的路網”一處遺產點,列入世界文化遺產名錄。石窟始建于十六國后秦時期,西秦、北魏、西魏、北周、隋、唐、宋、元、明、清各代都有開鑿和修繕,現存洞窟221個,石窟數量多、規模大,保存有10 632身泥塑石雕,約1 000多平方米壁畫,造像壁畫時代特色鮮明,內容豐富,題材廣泛,保存有最早最完整的西方凈土變、維摩變、涅槃變、法華變等大型經變畫[1-3],是中國北朝佛教藝術嬗變的杰出代表,能全面反映5～18世紀天水地區傳承不斷的佛教思想和信仰。現存北魏時期窟龕數量90余個,是石窟營造的高潮時期,極大地促進了麥積山石窟造像的繁榮,北魏時期造像壁畫題材多樣,以多種組合形式的三世佛為主,還包括有二佛并坐、說法佛立像、弟子授記像、千佛造像等法華造像、經變壁畫等[4-5],對于研究古代隴右石窟文化、佛教文化發展及石窟壁畫藝術提供了十分寶貴的實物資料,在古代石窟寺文化史研究中具有重要地位。

麥積山石窟131窟開鑿于北魏晚期,洞窟正壁保存有佛造像一身(圖1a)、左右壁各保存佛造像一身,佛像手部、腿部有殘缺,四壁貼有影塑佛、供養菩薩及弟子,應為三世佛造像。該洞窟可能長期用作生活窟,洞窟內泥塑、壁畫表面均覆蓋有很厚的煙熏污染物,無法觀察到壁畫畫面內容(圖1b)。病害調查表明近70%的壁畫已經完全脫落,保留下來的壁畫也已經出現了嚴重的空鼓、脫落,保存狀態堪憂。從洞窟內保存壁畫脫落邊緣部位(圖1c)觀察可知,131窟壁畫是直接在鑿刻好的崖體上涂覆粗泥層找平,厚度1～2 cm,然后涂細泥層,厚度0.5～1.0 cm,最后繪制顏料層。壁畫沒有重修、重繪現象,完整保留了北魏晚期壁畫制作材料、制作工藝等原始信息。

(a)主佛造像; (b)正壁保存的泥塑壁畫; (c)邊緣空鼓壁畫圖1 麥積山石窟131窟主佛造像及泥塑壁畫保存現狀Fig.1 Preservation status of the main Buddha statue and clay sculptures and murals in Cave 131 of Maijishan Grottoes

以麥積山131窟采集的壁畫殘塊為分析對象,使用多種分析測試方法對壁畫樣品剖面結構、地仗層土砂質量比及壁畫原料成分等進行科學分析,探討麥積山131窟壁畫原料成分和制作工藝。該研究有助于了解麥積山石窟北魏晚期壁畫制作工藝,并為后期壁畫病害機理研究、篩選保護修復材料及保護修復工藝提供依據。

1 樣品和方法

1.1 實驗樣品

1.1.1壁畫殘塊樣品 此次實驗采集131窟內正壁及左右壁已經脫落壁畫樣品殘塊3塊,分別編號為1#、2#、3#(圖2),樣品粗泥層、細泥層層次結構完整,表面覆蓋有黑色煙熏污染物,無法觀察煙熏層底部是否存在顏料層,煙熏層局部脫落部位能觀察到白色底色層和地仗層,粗泥層厚1～2 cm,細泥層厚0.5～0.7 cm,粗、細泥層添加纖維明顯不同。

圖2 131窟壁畫殘塊樣品圖片Fig.2 Samples of mural fragments in Cave 131

1.1.2自然沉積土樣 麥積山石窟周邊分布的主要是紫紅色砂礫土,黏土中包含有較多大小不一的巖石碎屑,20世紀70年代壁畫地仗修復用泥篩選實驗中發現,石窟周邊紅土相比細質黃土,制作的地仗層試塊收縮性更強,與崖體粘性低,干燥時極易開裂[6],不適合用作壁畫、泥塑地仗層修復材料。為了進一步了解131窟壁畫制作使用的黏土原料及其來源,為后期地仗層修復用土選擇提供參考依據,結合石窟周邊常用取土地點,依據由近及遠原則篩選麥積區麥積鎮麥積村黃土坎黃白細粒土(距石窟約0.7 km),麥積區馬跑泉鎮甸子村磚廠黃白細粒土(距石窟約24.7 km),麥積區社棠鎮社棠村磚廠黃白細粒土(距石窟約23.4 km),剝離表層土樣后,直接采集細質堅硬的黃土塊,分別編號為4#、5#、6#。

1.2 儀器及實驗條件

基恩士VHX-7000超景深顯微鏡用于壁畫顏料層保存現狀、剖面分析及纖維形態觀察,放大倍數20～1 000倍,高亮度LED光源,大范圍高精度表面觀察。

Mastersizer 3000激光粒度儀(英國馬爾文儀器有限公司)分析粗、細泥層中土砂顆粒粒徑,測試條件為:分散劑為水,分散劑折射率1.330,Hydro全自動濕法進樣,測試量程0.01～3 500 μm,遮光度范圍5%～30%。

日本島津XRD-7100衍射儀用來分析地仗層中黏土的主要物質成分,Cu靶,狹縫,電壓40 kV,電流30 mA,掃描范圍10～80°,連續掃描,掃描速度5°·min-1。

Niton—XL3T 950型便攜式X射線熒光光譜儀,高性能微型X射線管,Au靶,Si-Drift SDD探測器,電壓50 kV,電流40 μA,General Metals模式,分析時間30 s,直接在壁畫樣品表面測試。

法國JYBIN YVON公司生產的XploRA拉曼光譜儀獲取煙熏污染物,顏料層與底色層顏料物質信息。采用氬離子激光器,激發光波長532 nm,物鏡放大倍數50倍,信息采集時間20 s,累加次數5次,功率5%。在體視顯微鏡下挑取粉末樣品放在載玻片上直接分析。

1.2.1土砂比例分析 參考王丹陽[7]對須彌山48窟泥塑樣品土砂比例的分析檢測方法,采用懸浮沉淀法對131窟壁畫粗泥層、細泥層及采集自然土樣做土砂比例分析。

從壁畫殘片邊緣部位精確分離粗、細泥層樣品各2 g置于燒杯中,105 ℃烘干至恒重,使用陶瓷研桿輕輕搗碎較大塊土樣,將樣品中的纖維揀選出來,一定注意不要研磨樣品。揀選纖維時發現有較多老化斷裂嚴重的細小纖維無法揀選,為避免細小纖維對土砂粒度測試產生影響,在粗、細泥層樣品中加適量蒸餾水浸泡,輕微攪拌使纖維分散開,25 Hz震蕩5 min后靜置,將懸浮在水中的纖維揀選出來,重復震蕩直至將纖維揀選干凈后將粗、細泥層中沉淀的土、砂樣品轉移至具塞比色試管中備用。

分別稱量自然土樣10 g裝入具塞比色試管中加適量蒸餾水,固定后25 Hz震蕩15 min靜置,記錄上下層土、砂體積。然后加入適量蒸餾水震蕩,將上層懸浮液倒出,多次震蕩直至上層溶液澄清,將所有樣品中土砂完全分離后恒溫105 ℃烘干至恒重,稱量記錄。

1.2.2地仗層添加纖維鑒定 參考纖維橫截面切片技術[8],將粗、細泥層中揀選出來的纖維清洗干凈烘干至恒重,用無水乙醇清洗,室溫晾干,將細小纖維完全分散后置于滴有甘油的載玻片上,用蓋玻片覆蓋后進行纖維縱向形貌觀察。將較大較完整的纖維排列整齊,用硝基清漆包裹,固化8 min后將樣品放入哈氏切片器卡槽中,用刀片迅速切片,切下的薄片立即置于滴有甘油的載玻片上,使用蓋玻片覆蓋切片樣品用于纖維橫截面形貌觀察。

2 結果與討論

2.1 制作工藝分析

將壁畫殘塊表面黏附的灰塵吹除后觀察可知:壁畫樣品表面覆蓋了一層致密的黑色煙熏污染物,且煙熏層存在較嚴重的龜裂問題(圖3a),部分煙熏層出現脫落,脫落部位可以觀察到白色底色層和地仗層。使用手術刀刮除煙熏層污染物后暴露的顏料層呈現紅褐色(圖3b)。

圖3 131窟壁畫樣品顯微照片Fig.3 Micrographs of mural samples from Cave 131

壁畫殘片樣品剖面顯微形貌結構觀察可知,樣品表面煙熏層厚約28.07 μm,結構致密,底色層連續分布,厚度不均勻,較厚部位約35.26 μm,顏料層分布不連續,厚度不均勻,較厚部位約21.08 μm(圖4a)。結合現場調查與樣品剖面分析可以確定,131窟壁畫依次為粗泥層、細泥層、白色底色層、紅色顏料層,層次結構完整,131窟壁畫先在巖體表面涂敷一層較厚粗泥層找平后涂較薄的細泥層,細泥層表面整體涂刷白色底色層,然后用顏料繪制圖案,與絲綢之路莫高窟、甘肅涇川羅漢洞、克孜爾、炳靈寺等石窟壁畫制作工藝基本相同[9-11]。

壁畫表面由于人為因素覆蓋了一層較厚的煙熏污染物,緊密黏附在顏料層與底色層上,煙熏層與顏料層、顏料層與底色層中間都存在明顯的內部空鼓現象(圖4a、圖4b)。這種空鼓是造成壁畫表面顏料層、底色層脫落的嚴重隱患。

2.2 地仗層及其添加物分析

2.2.1土砂比例分析 古代石窟壁畫地仗層使用的黏土原料一般“就地取材”,會進行淘洗、添加砂礫等加工處理措施。131窟粗、細泥層與自然土樣分析所得土和砂的體積比、質量比見表1。分析結果顯示,131窟粗泥層的土砂質量比小于細泥層和自然土樣,說明粗泥層中含沙量高于細泥層。細泥層中土砂質量比低于黃土坎和甸子村土樣但高于社棠村土樣,無法體現黏土中沙礫人為添加情況及淘洗處理等后期加工信息。莫高窟第8窟地仗層僅使用自然沉積澄板土,無人為添加砂礫[12],相比莫高窟、克孜爾石窟、榆林窟、武威天梯山石窟、炳靈寺石窟,麥積山石窟壁畫地仗層含沙量最高,一般在70%左右[13]80。麥積山石窟周邊采集的自然土壤線縮率0.12%～1.15%,體縮率為1.36%,縮限為3.80%,收縮系數為0.055,具有較明顯的干燥收縮性,地仗層中較高的含沙量可以很好地降低黏土的收縮性,但同時會降低黏土與崖體的黏附性,是導致壁畫脫落的原因之一。

2.2.2地仗層土砂粒度分析 為進一步分析麥積山131窟壁畫粗、細泥層制作工藝及黏土原料來源,分別測試壁畫地仗層樣品粗、細泥層及自然土樣中土、砂粒度,分析數據如圖5所示。從土樣的粒徑數據(圖5a)分析可知,壁畫地仗層中土樣的顆粒粒徑主要集中在20.9～110 μm范圍內,不同粒徑范圍內含量稍有不同,與甸子村采集土樣一致,表明131窟不同部位地仗層均使用了相同的自然沉積土。黃土坎、社棠村兩地采集土樣在20.9～110 μm粒徑分布范圍內含量降低,在132～479 μm粒徑范圍內含量明顯增加,與甸子村采集的土樣粒徑分布比例明顯不同,分析可知人們會有意識篩選天然細質沉積黏土作為壁畫地仗制作原料,推測131窟使用的黏土可能采集于距離石窟稍遠的甸子村。

圖5 樣品粒徑分布曲線圖Fig.5 Particle size distribution curves of soil and sand samples and natural soil samples

從砂礫粒徑數據(圖5b)分析可知,不同地點自然土樣中沙粒粒徑分布范圍為15.4～158 μm,粒徑分布具有高度一致性。粗、細泥層樣品砂礫粒徑分布范圍為0.759～832 μm,分布范圍遠大于自然土樣,粒徑變異性極大。從粒徑分布曲線來看,在132～398 μm粒度范圍內,自然土砂礫含量極低,粗泥層砂礫含量最高7.28%,細泥層含量最高9.99%,該粒徑范圍砂礫應屬于人為添加的均勻細沙。壁畫細泥層中479～832 μm粒度范圍內砂礫添加量明顯減少,2#、3#樣品粗泥層添加量則明顯增加,且粒度變異性較大,表明131窟左、右壁地仗粗泥層添加了更多粒徑大且大小不均勻砂粒。

綜上所述,131窟壁畫粗、細泥層中使用的黏土原料是石窟周邊采集的天然細質黏土,細泥層添加的砂礫細小均勻,正壁粗泥層添加的砂礫較均勻,與細泥層一致,應是人為淘洗篩選過的均勻細質沙粒。但左右壁粗泥層中添加砂礫大小不一,且大顆粒砂礫較多,推測未進行淘洗篩選。

2.2.3地仗層成分分析 131窟地仗層樣品與采集的自然黏土X射線衍射分析結果表明:地仗層黏土的物相成分主要包括石英、少量方解石、長石等(圖6a),與距離麥積山石窟稍遠的甸子村采集的天然黏土成分相似(圖6b)。粒徑分析數據也表明131窟壁畫樣品與甸子村自然土樣一致,推斷麥積山石窟會從距離石窟較遠的地方采集更適宜壁畫制作的黏土原料。

圖6 樣品XRD圖譜Fig.6 XRD patterns of the plaster layer sample from Cave 131 and natural soil sample

2.2.4地仗層添加纖維鑒定 古代壁畫制作時會在地仗層中添加較多的麥草、麻、棉等植物纖維降低黏土的收縮性,防止地仗層在干燥過程中出現開裂[14]。131窟壁畫粗泥層中添加短寬的片狀纖維與桿狀纖維,且混合有極少量細長纖維。樣品纖維縱向形貌一致,呈均勻分布柱狀,邊緣部分有很多緊密排列的小鋸齒,纖維有很明顯的結節,與麥草纖維形態相似(圖7a、圖7b、圖7c)。圖7d粗泥層纖維橫截面細胞排列緊密,為枕狀橢圓形,細胞較大,細胞壁明顯,細胞呈網狀結構,紋孔稀小,與小麥纖維橫截面特征相似[15]。可知131窟粗泥層添加纖維為小麥麥稈及麥衣,混合的細長纖維含量很少,未能切出橫截面,無法判斷其纖維種類。

圖7 131窟壁畫樣品粗泥層添加纖維顯微圖片Fig.7 Micrographs of fiber added in the coarse mud layer of Cave 131

壁畫細泥層中添加纖維均為團絮狀細短纖維。纖維縱向形態細長,有不太明顯的橫節紋(圖8a、圖8b、圖8c),橫截面形態(圖8d)具有明顯的麻纖維橫截面特征[16],推斷131窟細泥層添加的纖維為麻纖維。

圖8 131窟壁畫樣品細泥層添加纖維顯微圖片Fig.8 Micrographs of fiber added in the fine mud layer of Cave 131

131窟使用摻有較多麥草麥稈、粗砂的黏土作為粗泥層,摻有麻纖維、細砂的黏土作為細泥層,涂刷白色底色層后繪制圖案。麥積山石窟崖體屬于砂礫巖,質地粗糙,所處林區環境潮濕,不同時期地仗層添加纖維種類不同,后秦至宋粗泥層主要添加麥草,明代粗泥層中則添加麻,127、9窟細泥層中添加棉花[13]82。地仗層中添加沙礫、纖維可以很好地減少黏土收縮開裂,提高地仗層與崖體的黏附力,是壁畫在較為潮濕環境中能長久保存的重要條件之一。

2.3 顏料層分析

2.3.1X熒光成分分析 樣品原位無損X熒光分析結果表明,正壁紅褐色壁畫樣品主要顯色元素為Pb及少量Ca。左壁紅褐色樣品主要顯色元素為Hg、Ca、Fe以及少量Pb。右壁白色樣品主要顯色元素為Ca,推測131窟紅褐色顏料有土紅、鉛丹和朱砂,白色顏料為碳酸鈣或石膏。

2.3.2拉曼光譜分析結果 煙熏污染物、紅褐色顏料層、白色底色層樣品進行拉曼光譜分析。

煙熏污染物吸收峰出現在360 cm-1、1 368 cm-1(圖9a),與炭黑的標準圖譜基本吻合,可知煙熏污染物的主要顯色成分為炭黑,與早期石窟中使用木材、油脂等燃料的燃燒產物炭黑一致。正壁樣品紅色顏料吸收峰(圖9b)出現在181 cm-1,205 cm-1,405 cm-1,505 cm-1,與紅色顏料鉛丹的標準特征吸收峰(122 cm-1,226 cm-1,393 cm-1,548 cm-1)相比有所變化,主要是因為紅色鉛丹變色后會生成二氧化鉛[17],降低了樣品中散射物質鉛丹的濃度[18],可知正壁紅色顏料為鉛丹。左壁樣品紅褐色顏料樣品吸收峰位于265 cm-1、411 cm-1、466 cm-1、607 cm-1、747 cm-1(圖9c),比照標準朱砂、鉛丹及鐵紅的拉曼光譜圖,可以判斷該顏料為土紅、朱砂和鉛丹的混合顏料。白色底色層樣品吸收峰出現在284 cm-1,716 cm-1(圖9d),與方解石的特征拉曼頻位移[19]相對應,可判定白色底色層主要成分為方解石。

圖9 131窟壁畫樣品拉曼光譜圖Fig.9 Raman specta of samples from Cave 131

131窟壁畫正壁壁畫紅色顏料單獨使用了鉛丹,右壁壁畫紅色顏料使用了鉛丹、朱砂、土紅混合顏料進行調色,均使用白色方解石作為底色層。周國信[20]對麥積山石窟不同時期顏料分析結果表明,麥積山石窟不同時期使用的紅色顏料有朱砂、鐵紅,紅色顏料中未檢測出鉛丹,但是不同時期洞窟部分黑色顏料中均檢測出PbO2,李最雄等通過大量實驗表明敦煌石窟PbO2為鉛丹腐蝕變色形成[21],北魏時期黑色PbO2應該是紅色鉛丹變色形成。131窟壁畫表面覆蓋著比較厚的煙熏層,清除煙熏層后底部顏料層呈現紅褐色,結合131窟紅色顏料分析結果,相比暴露在大氣環境中鉛丹的腐蝕變黑,變色較輕微,煙熏層如何延緩鉛丹的變色腐蝕需要進一步的深入研究。

麥積山石窟使用的紅色顏料主要是朱砂、鉛丹、鐵紅,不同時期比例不同,早期朱砂使用較多,北周后鐵紅顏料大量使用。不同地區北魏時期石窟壁畫使用的紅色顏料也存在差異,內蒙阿爾寨石窟北魏時期單獨使用朱砂或鉛丹[22],馬蹄寺和天梯山大量使用朱砂和鉛丹[23],莫高窟、炳靈寺、云崗石窟[11]75-76北魏時期使用朱砂、鉛丹、土紅,與麥積山紅色顏料種類一致,但麥積山石窟早期紅色顏料朱砂使用較多,而敦煌則是土紅較多。自古以來各種文化因素在秦州碰撞、交融,麥積山石窟后秦、北魏早期泥塑融合了古代印度、中亞、西域以及中原造像藝術特點,麥積山早期顏料使用及來源可能同時受到西域、莫高窟和中原地區影響。

3 結 論

本工作通過對麥積山131窟壁畫樣品的分析研究,結論如下:

1) 從131窟壁畫剖面結構來看,壁畫的制作是先在巖體表面敷一層較厚的粗泥層找平,再敷一層較薄的細泥層,然后整體涂抹一層白色底色層,最后繪制顏料層。顏料層與底色層、底色層與地仗層之間均出現了內部空鼓,這種內部空鼓是壁畫顏料層、底色層脫落的嚴重隱患。

2) 地仗層成分、土砂比例及粒度分析發現,131窟粗、細泥層使用的黏土應是麥積山周邊稍遠地區采集的更適合制作地仗層的自然細質黃土,土質顆粒度細膩,含沙量較低,干燥收縮大,易開裂,添加較多未經過篩選處理的顆粒度不均勻沙礫制成粗泥層,添加較少的篩選處理的均勻沙礫制成細泥層。

3) 依據纖維橫、縱截面形貌,確定131粗泥層添加纖維為麥衣與麥稈纖維,細泥層添加的則是麻纖維。

4) 綜合分析可知:131窟壁畫單獨使用鉛丹,混合使用鉛丹、朱砂、土紅紅色顏料,白色底色層為方解石,質地較致密。該研究為麥積山石窟131窟壁畫材質工藝研究以及壁畫保護修復提供了科學依據。