大同古城墻墻體土質分析與保護探究

引言

1.背景概述

山西大同自古就是晉北地區的首府和通都大邑，還曾為北魏首都、遼金陪都，享有“三代京華，兩朝重鎮”之美稱。由于地理位置特殊，歷史上大同一直是中原漢族和北方游牧民族爆發沖突的古戰場。因此，早在北魏時期，拓跋氏就開始在大同修筑城墻，之后的唐、遼、金、元各朝均有修建土城。至明代，大將軍徐達在此前各朝修建的土城基礎上，于明洪武五年（1372）奉命增筑。

大同古城墻在歷史上曾多次經歷人為破壞和環境侵蝕，直接威脅到這一寶貴的建筑文化遺產的存續和學術研究，因此需要做好對它的評估和記錄。

2.歷史沿革

城的出現是人類文明發展的重大進步。早在戰國時期，趙武靈王設置雁門、代郡時，出于加強軍事防御的需要，便開始筑造城邑，后經秦漢增筑、北魏擴建、隋唐修繕、遼金改建、明清包磚并增筑周邊小城（圖1），定格為今天大同的城市布局，留下大同府城、北小城、南小城、古城村、北苑墻等古代城墻。

在歷史長河中，大同古城墻在不同時期也有不同的變化。秦漢時期，大同稱平城縣，隸屬雁門郡。公元前201年，漢高祖在全國范圍內進行大規模的建城活動，平城在原來舊城的基礎上進行增筑。西漢中后期，雁門郡東部都尉治所在此設立，邊防兵駐扎此處與匈奴作戰。東漢時期仍稱平城縣，隸屬雁門郡。北魏時期拉開平城建設的序幕，這是大同城邑的首次大規模修建。北魏年間，孝文帝遷都洛陽，平城不再作為都城；“六鎮起義”后，平城遭到戰爭破壞變成廢墟。隋朝時，平城曾恢復使用。唐代“開元盛世”后，大同一帶逐漸得到恢復。遼西京大同府城是在北魏平城的舊址上進行擴建的，金大定五年（1165）在遼大同府城的基礎上修復大同城，周長20里，將城的東、南、西三座城門分別改名為東宣仁門、南奉天門和西阜成門。明洪武七年（1374）改大同路為大同府，隸屬山西行中書省，治大同縣。邊陲要地，兵家必爭，到明代，徐達為防蒙古勢力再度侵擾，以大同城“為肩負之地，鎮守攸關”，開始大規模的修城修堡建設。清代繼續沿用明城，即現在的大同舊城區。

大同自秦代建立城邑，確切記載的歷史距今已有2300多年。雖經北魏京都、唐代云州、遼金西京、明清大同的歷史變遷，但城市的中心位置、范圍及中軸線始終沒有發生過大的變化，這在我國古代城市建設史上是不多見的[2]。

3.城墻建設

2008年5月，大同市人大常委會通過《關于大同古城保護和修復的決定》之后，展開全面的城墻修復工程。首先對南城墻善化寺段內側夯土城墻進行包磚修復。

2009年，由大同市文物局負責建設、山西達志古建筑保護設計研究院有限公司負責設計的大同古城墻保護工程拉開帷幕。大同古城墻修復工程中的東城墻于2009年5月開工，同年10月基本完工，歷時6個月，動用工隊18家、城磚348萬塊、石條480立方米、木材5645立方米、瓦件20萬件。南城墻主墻體于2010年5月動工，同年10月主體基本完工，歷時6個月，用磚380萬塊、木材9820立方米、石材2300立方米、瓦件30萬件。恢復后的南城墻主體全長1800米，其形制和構造要比已對外開放的東城墻復雜許多。除月城、甕城外，還有關城（圖2）、耳城，總占地面積94936平方米。北城墻主墻體于2011年5月開工，2012年9月底竣工，歷時1年5個月，用磚360萬塊、石材1800立方米、木材13645立方米、瓦件34萬件，占地52532平方米，城防結構與東城墻一致。西城墻主墻體于2012年5月開工、2016年11月18日完工，屆時城墻全部合攏，共用城磚350萬塊、石材1550立方米、木材5000立方米、瓦件20萬件，城防結構與東城墻一致。

此次整體修復是一項科學的、全社會參與的保護工程，不僅為今后國內其他古城墻的修繕起到很好的借鑒和參考作用，也向世人展示大同在文化遺產保護方面取得的成果。

一、大同古城墻土質取樣與分析方式

大同古城墻布防嚴密、設施完善，自北魏時期城墻初筑至2008年的整體包磚修復，大同古城墻大致分為北魏、遼金、明清三個歷史階段的修筑。大同城墻遺址陳列館展出三個時期的夯土遺跡（圖3），其夯土痕跡清晰，夯筑方法、土質、土色均有明顯差別。

為更好地開展保護和研究，筆者選取三個時期不同梯度處的土壤樣品，先對其做X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）檢測以確定土壤主成分，然后做太赫茲時域光譜技術（Terahertz time domain spectroscopy，THz-TDS）檢測，分析不同時期、不同比例土壤樣品的光譜圖。

二、大同古城墻土質X射線衍射分析

1.X射線衍射技術原理

在分析大同古城墻土質時，采用X射線衍射儀。X射線是一種比紫外線波長更短且頻率高、能量大的電磁波，頻率范圍在30 PHz—300 EHz，對應波長為0.01 nm—10 nm，能量為100 eV—10 MeV。X射線衍射技術如今已成為重要的材料結構分析手段之一，可用于物相分析（包括定性分析和定量分析）、結晶度測定、精密測定點陣參數、材料密度、結構相變等多方向的測定分析。

2.X射線衍射分析

選取北魏、遼金、明清三個主要修筑時期的夯土層土壤樣品，將其壓片放入Bruker D8 Advance型X射線衍射儀進行測定分析。

經檢測發現，北魏時期的樣品多為黏土和木炭，少沙子和陶片，成分主要是硬硅礦石、粗硅礦石、斜方鈣沸石、水沸鈣石以及多水高嶺土（圖4）。硬硅礦石一般多呈細脈，產于接觸變質帶中，或產于蛇紋巖中，而多水高嶺土和粗硅鈣石的存在意味著北魏時期的大同地質含水量適中，環境較為濕潤。遼金之后，城墻的主要成分中多溫泉宰石，溫泉宰石常見于溫泉之中，其形成條件為高溫且水資源豐富，故而當時土壤環境的含水量已相當高，說明自北魏到遼金時期，大同的環境逐步變好。到明清時期，粗硅鈣石含量增加許多，且伴隨天然硅酸鈉的出現，可能是由于當時的大同植被并不茂盛，土壤中的鈉元素或其他元素無法被高等植物吸收，后沉積在土里，慢慢地與水和其他離子混合形成礦物；其次，鈉原子的增多也容易造成土地鹽堿化（圖5）。

筆者主要研究的是黏土礦石，而黏土礦石在長時間變化中受到的最主要影響還是風化。黏土礦石主要有兩種：一種是島狀硅酸鹽，另一種是鏈狀硅酸鹽。而硅酸鹽會因水的作用，可能是雨水，也可能是空氣中的水蒸氣，在漫長的時間里發生碳酸鹽化。碳酸鹽化會使黏土中的硅酸根變為碳酸根，碳酸鹽化在歷史長河中的反應是十分迅速的，水既可以增加二氧化碳的極性，也可以讓二氧化碳更好地與黏土礦物反應。水可以算作催化劑，不參與反應，所以理論算下來沒有損耗，但實際情況下不可避免地會產生許多損耗。

結構水的存在，也可以加快碳酸鹽化的反應。OH根離子也稱“結構水”，以離子形式參與組成礦物晶格的氫氧根離子OH和水合氫離子H30+，但它并不是真正的水分子。在礦物晶格中占有固定的位置和確定的含量比，而且與其他離子的結合強度遠比結晶水大，只有在高溫（一般在500 ℃—100 ℃）下，當晶格被破壞時才釋放出來。

三、大同古城墻土質太赫茲時域光譜分析

1.太赫茲時域光譜技術原理

20世紀80年代，科學家將遠紅外射線波段中頻率在0.1THz—10THz范圍內的電磁波命名為太赫茲波（Terahertz，簡稱THz），其波長范圍大概在0.03 mm—3 mm[3]。

太赫茲時域光譜技術（Terahertz time domain spectroscopy，簡稱THz-TDS）系統，主要有透射式、反射式、差分式、橢偏式四種。對大同古城墻土壤樣品開展分析檢測使用的是透射式THz-TDS，該系統采用In As作為發射極，使超快激光脈沖通過In As時產生的光整流效應（差頻）來輻射THz電磁波脈沖。通過Zn Te 晶體，利用電光采樣的方法測量THz波信號。

2.太赫茲時域光譜分析

實驗樣品分為北魏、遼金、明清三個不同時期，其中，50米梯度處取的第一個樣品為50.1，100米處取的第二個樣品為100-2，以此類推。

⑴不同比例的圖像

隨機選擇明清時期100米梯度第一個樣品（M-100-1）與聚乙烯材料以不同比例混合制成片劑，通過太赫茲時域光譜儀（THZ-TDS）獲得時域譜、頻譜、透射系數、折射率和吸收系數圖。其中M2-1001意為明清時期100-1處，比例為2∶1；M3為明清時期，比例為3∶1。以此類推，圖中REF是參考樣品（純聚乙烯材料片）的曲線。

不同的比例，僅僅在于幅度發生變化，并不影響圖像的整體走向（圖6—圖10）。因此，我們決定隨機選擇2∶1的比例去分析不同時期土壤成分的變化。

⑵不同時期土壤成分的分析

利用Origin軟件繪制出三個不同時期樣品的THZ光譜。其中，北魏時期的樣品多為黏土和木炭，少沙子和陶片，成分主要是粗硅鈣石、傅硅鈣石、水沸鈣石等；遼金時期含沙量高，木炭、煤渣、黏土少，有碎瓷片和陶片，成分主要是水硅鈣石、氯化硅酸鈣等；明清時期沙子、煤渣多，黏土少，各代陶片均有，成分主要是黑鈣鐵礦、鈣沸石、硬硅鈣石。

從不同時期樣品的時域譜圖（圖11），我們可以看出THZ波經過這些風化樣品時均產生明顯變化，并產生不同程度的延遲。這表明它們的折射率不同，對THZ波有不同程度的吸收，延遲時間上t北魏=t明清gt;t遼金。折射因它們經過不同時間的風化、組成成分的不同，使得它們組成物質性質改變不同。

從頻域信息圖（圖12）看到，樣品對于高頻信號的吸收大于對低頻信號的吸收，因此存在臨界值。當樣品信號低于臨界值時，樣品信號強度大于噪聲信號，光譜信息真實可信。此臨界值決定THZ波段的有效頻率區間為0.2THz—2.2 THz，時期越早則樣品的頻譜圖幅度越高，但同時它們都低于參考樣品的幅度（圖9），這是因為不同時期的樣品對THZ的反射和吸收，使得脈沖強度下降。

從不同時期樣品的透射譜圖（圖13），可以看出修筑時期越早的土壤樣品透射率越高，這是由于不同年限的自然和人為原因的侵蝕，土壤樣品的風化程度不同，土壤性質改變不同，透射率也有所差異。從不同時期樣品折射率圖（圖14），可以看到不同時期樣品的折射率不同，但最后都逐漸趨向于零，每種物質都有體現其自身物質特性的折射率。它們折射率的不同，除厚度差異外，最重要的是風化年限不同導致的差異。

從不同時期樣品吸收系數譜圖（圖15），可以看出所有樣品的吸收系數隨著頻率的增加，吸收系數也在增加，這是由于光的散射引起的。北魏時期的吸收系數低于其他兩個時期，它們在高頻段吸收系數增長明顯加快，但都沒有明顯峰值。

四、大同古城墻的土質保護

城墻土質保護對于古城墻的保存和保持而言，其歷史文化價值至關重要。在確保城墻墻體不被破壞的情況下，通過下列措施對土質進行保護：

第一，限制人為破壞。確保城墻周圍的環境和土地用途不會對城墻的土質造成破壞，避免在城墻附近進行大規模的土地開發或建筑工程，以減少對土壤的挖掘和壓實。

第二，控制水流。避免城墻周圍的水流沖刷土壤，可以采取排水系統或護坡措施，防止水流對土壤的侵蝕和沖刷。

第三，確保適宜的植被。在城墻周圍種植適宜的植被，如草坪和灌木，有助于保護土壤，減少水土流失，并提供保護層。

第四，控制游客流量。對于開放給游客參觀的城墻區域，需要合理控制游客的流量和活動范圍，避免過度踩踏和壓實土壤。

第五，對土壤進行監測和評估，了解其變化和狀況，及時采取必要的保護措施。

第六，使用合適的保護材料。在進行修繕和保護城墻時，選擇適宜的材料和技術，避免對土壤造成進一步的損害。

第七，加強宣傳教育。通過向公眾普及古城墻的歷史價值和土地保護意識，提高人們對城墻土質保護的重視和參與度。

綜合以上措施，可以更好地保護城墻土質，確保古城墻持久保存并傳承其歷史文化遺產。同時，政府、專業機構和公眾的共同合作也是實現城墻土質保護的關鍵。

結語

對古城墻墻體土質的分析，旨在了解土壤的物理和化學性質，為古城墻的保護和修復提供基礎數據。通過對大同古城墻土質的分析和探究，我們深刻認識到要繼續加大對古城墻的保護。而精準施策、抓細抓實，讓包括大同古城墻在內的所有歷史建筑都得到妥善保護、復興發展和合理利用，才能讓其世世代代保存下去，發揮更大的社會、經濟、文化和教育效能，增強大同歷史文化底蘊和旅游觀光魅力，助推城市、經濟和文化發展[4]。

參考文獻：

[1]劉慧敏.明代以來的大同城墻及其保護利用[D].南京師范大學，2021.

[2]周小棣，馬駿華，沈旸.鳳凰之翼的回憶與思索——大同東小城傳統城市空間形態的研究與探索[C]//中國民族建筑研究會. 中國民族建筑研究會第十七屆學術年會論文特輯，2014：197-207.

[3]百度百科.太赫茲光波[EB/OL]. [2025-05-05].https：//baike.baidu.com/item/%E5%A4%AA%E8%B5%AB%E5%85%B9%E5%85%89%E6%B3%A2/16247343.

[4]朱國南.加強古城墻保護應多措并舉[N].西江日報，2017-07-04（F02）.

作者簡介：

武茂江（1982—），男，漢族，山西大同人。大學本科，文博館員，研究方向：文物保護。