九原岗辅国将军墓壁画表面结壳的形成与清除研究

□　李碧薇　刘晚香　黄继忠　龚德才



九原岗辅国将军墓壁画表面结壳的形成与清除研究

□李碧薇刘晚香黄继忠龚德才

摘要：山西忻州出土的九原岗辅国将军墓的壁画表面存在大量的结壳，覆盖了壁画表面的图案，严重影响了壁画的历史价值和艺术价值。本文采用XRF、XRD及偏光显微镜对壁画结壳进行了分析，分析结果表明，结壳为夹杂粘土的钙质沉积，结壳内部存在明显的分层现象。根据分析结果，对结壳的形成机理及形成过程进行了解释。在结壳的成分及形成机理研究的基础上，提出对结壳采取化学法与机械法相结合的清除方法。

关键词：壁画结壳形成机理清除研究

一、引言

2014年发掘的明朝辅国将军墓位于山西省忻州市忻府区兰村乡下社村东北方1公里处，属于九原岗墓群二期发掘项目，墓葬编号为M2。九原岗辅国将军墓为拱顶石券结构，外部包砖，墓葬由墓道、甬道、墓室三部分组成。墓道位于墓室南部正中央，呈平面长方形，斜壁，斜坡；墓道上口长18.8、宽1.9、深0.3~7.66米。甬道长1.22、宽0.94、高1.44米。墓门高1.28、宽0.92、厚0.15米。墓室平面为长方形，长1.34、宽2.84、高1.84米。

出土时墓室被污土填满，只在顶部留有约20厘米的空间。将墓室内的污土清理后，在墓室内壁发现壁画，壁画表面附着较厚的粘土，几乎看不到画面。

图一　壁画经初步清理后的情况

图二　墓室顶部壁画表面结壳

对壁画表面附着的粘土进行初步的清理后，发现壁画表面被结壳覆盖（图一、图二），导致图案辨识困难，严重影响了壁画的保存和壁画的历史价值、艺术价值。经分析，壁画由三部分组成：支撑体、石灰层和绘画层。壁画的支撑体为石条垒砌的墙体，其上涂抹了厚薄不一的石灰层（0.1~0.5厘米），石灰层之上为绘画层。而结壳处于绘画层之上，并且与壁画结合十分牢固。

本文以墓葬壁画顶部及底部不同形态的结壳为研究对象，运用科学的分析手段对结壳的主要成分及各成分的分布特点进行分析，以获得结壳成分及各成分的分布信息；同时，对结壳的形成机理及形成过程进行解释。在结壳成分分析及形成机理研究的基础上，提出了适合九原岗辅国将军墓壁画结壳的清除方法，以便延长壁画的保存时间，还原壁画的历史价值和艺术价值。

二、样品及方法

1.样品

本文所用样品为位于墓室顶部的粒状结壳和位于墓室门口下端的片状结壳。

粒状结壳：质地坚硬，为黄色，呈乳钉状。

片状结壳：质地坚硬，为黄色，呈片状，表面有不规则状突起。

2.实验仪器及分析

（1）X射线荧光（XRF）分析

实验仪器：X射线荧光光谱仪，型号：XRF-1800

将样品研磨成粉后，通过X射线荧光光谱仪对样品的元素进行半定量分析，从而判断出样品中的主要元素。

（2）X射线衍射（XRD）分析

实验仪器：样品水平型大功率X射线粉末衍射仪，型号：TTR-III

将样品研磨成粉后，通过X射线衍射仪对样品进行分析，得到样品的物相成分。衍射角扫描范围为10°到70°。

（3）偏光显微镜分析

实验仪器：偏光显微镜，型号：Axio Scope.A1

样品经包埋后，垂直于结壳表面打磨制片。通过偏光显微镜对样品进行观察，得到样品各物质的分布情况。

三、实验结果

表一　X射线荧光分析结果

图三　粒状结壳的X射线衍射图

图四　片状结壳的X射线衍射图

1. XRF分析结果

2. XRD分析结果

运用MDI Jade软件对测试结果进行分析，分析结果如图三、四所示。从XRD分析结果可以看出，两个结壳样品主要含方解石和石英。

XRF分析结果显示，结壳中除了Si、Ca元素，还含Al、Fe等元素，而XRD中没有明显的其他矿物的峰，应是其他矿物含量过低导致的。结合XRF 与XRD结果，说明两个结壳样品是夹杂粘土的钙质沉积[1]。

3.偏光显微镜分析结果

通过偏光显微镜对样品进行观察，发现样品中含有石英、方解石及粘土矿物，方解石作为胶结物将石英及粘土矿物胶结在一起。此外，样品还有明显的分层现象。通过不同放大倍数对样品进行观察，样品存在以下情况。

图六A处，晶体在正交偏光下呈高级白干涉色，结合XRF及XRD分析结果，说明此处为结晶比较好、杂质含量少的方解石[2]；图五Ⅰ处所在层即由比较纯净的方解石组成的。这一层为粒状结壳上紧贴壁画面，判断此处的方解石层为壁画的石灰与水和二氧化碳反应后形成的碳酸钙层。

图五　粒状结壳正交偏光照片（×50）

图六　粒状结壳正交偏光照片（×100）

图七　粒状结壳正交偏光照片（×200）

图八　片状结壳正交偏光照片（×50）

图九　片状结壳正交偏光照片（×100）

图一○　片状结壳正交偏光照片（×100）

图六B黄褐色处，为结晶比较差、结晶颗粒比较细、含粘土质较多的方解石；图五Ⅱ处所在层即由含粘土质的方解石组成。

图七中无色透明、表面光滑的颗粒为石英[3]，多数呈棱角状，黄褐色部分为含粘土质的方解石；从图七中可以清晰地看到，石英颗粒被含粘土质的方解石胶结；如图五Ⅲ处即为石英层。

根据石英颗粒的有无及多寡，可对粒状结壳进行分层。结壳内侧纯净的方解石为壁画上的石灰，不是结壳上的物质；而结壳存在方解石层—石英层交替出现的现象。

此外，在图五中可以看到，结壳中存在孔隙。

通过偏光显微镜对样品进行观察，发现样品中含有石英、方解石及粘土矿物，方解石作为胶结物将不同粒径大小的石英及粘土矿物胶结在一起。此外，样品还有明显的分层现象。通过不同放大倍数对样品进行观察，样品存在以下情况。

图九A黄褐色处，为结晶比较差、结晶颗粒比较细、含粘土质较多的方解石；图八Ⅲ处所在层即由含粘土质的方解石组成。

图九中无色透明、表面光滑的颗粒为石英[4]，多数呈棱角状，黄褐色颗粒为含粘土质的方解石；从图九中可以清晰地看到，石英颗粒被含粘土质的方解石胶结。图八Ⅱ处即为石英层，并且片状样品中有三层石英层。

图一○A处，晶体在正交偏光下呈高级白干涉色，结合XRF及XRD分析结果，说明此处为结晶比较好的、杂质含量少的方解石[5]；图八Ⅰ处所在层即为比较纯净的方解石组成的。这种比较纯净的方解石分布在结壳表面，判断这种方解石为化学搬运形成的。

根据石英颗粒的有无及多寡，对片状结壳进行分层。结壳存在方解石层—石英层交替出现的现象；并且，不同石英层中石英颗粒的粒径大小有所差异。另外，结壳表面为较纯净的方解石。

四、结壳形成机理探讨

由分析结果显示，此结壳为夹杂粘土的钙质沉积；镜下观察到方解石作为胶结物广泛地分布在整个结壳中，另外，结壳还存在分层现象。

通过对结壳的主要成分以及各层的排列情况进行分析后，笔者认为，结壳的形成主要受到水及碳酸钙的影响。山西忻州地处黄土高原，黄土高原富含碳酸盐[6]。在水和二氧化碳的存在下，碳酸钙与之反应生成碳酸氢钙，并溶解在水中。随着水的蒸发和二氧化碳量的减少，导致碳酸钙析出。析出的碳酸钙作为胶结物将水中混有的石英、粘土矿物等半胶结在一起，并在壁画表面沉积下来。另外，壁画表面的石灰也会与水及环境中的二氧化碳反应，生成碳酸钙，生成的碳酸钙将壁画表面的石灰与结壳粘结起来，导致结壳牢固地粘结在壁画表面，不易清除。辅国将军墓的墓顶距地面约5.5米，需洪水或长期降雨等因素才能使水持续地渗透到墓葬中。洪水等灾害发生后，水将土壤中的碳酸钙等物质逐渐地、不断搬运至壁画表面，待水蒸发后，水中混有的物质在壁画表面沉积；经过多次洪水或长期降雨，墓葬壁画上便形成了大量不规则的、具有分层现象的结壳，最终影响了辅国将军墓壁画的保存。

根据分析结果，对粒状结壳及片状结壳的形成过程进行推测。

墓葬顶部渗水时，水渗透到壁画表面形成水滴，当水蒸发后形成乳钉状钙质沉积核；随着沉积物的不断沉积，最终形成了乳钉状粒状结壳。当水沿着壁画侧壁缓慢流下时，由于壁画表面粗糙，有一部分水会留在壁画表面，水分蒸发后，便在壁画侧壁形成了片状钙质沉积核；随着沉积物的不断沉积，最终形成了片状结壳。水逐渐蒸发时，水表面的方解石容易析出，在沉积核表面便形成含石英颗粒较少的方解石层，而沉积内部则形成含石英颗粒较多的石英层。当墓葬再次渗水后，在沉积核的表面形成新的沉积，如此往复，形成具有分层现象的结壳。

图一一　粒状结壳形成图

图一二　片状结壳形成图

两种结壳形成过程分别如图一一和图一二所示。

另外，本次检测的片状样品有较为明显的三层石英层，说明在将军墓存续的时间段内，墓葬至少受到三次洪水或长期降雨的影响，导致墓葬长期缓慢渗水。明万历年间至1980年，这300多年里，忻州地区的洪涝灾害近10次[7]，其中特大洪涝灾害有三次[8]。墓葬很有可能受到了这些洪涝灾害的影响，最终在壁画表面形成大量具有分层现象的结壳。

五、结壳清除建议

对壁画表面的结壳污染物进行清除时，应遵守“最小干预”和“保持现状”的原则，在清除污染物的同时不能引入新的或潜在的文物病害。

通过对壁画表面的粒状和片状结壳进行元素分析及物相分析可知，结壳为含有粘土的钙质沉积。结壳内部广泛分布着碳酸钙，并与壁画表面结合十分牢固，使坚硬的结壳粘结在壁画表面。同时壁画的石灰层疏松，强度差，给结壳的清除工作带来困难。

结壳中的碳酸钙作为胶结物将结壳与壁画胶结在一起，同时，由于结壳形成时受到各种因素的影响，使结壳的层与层之间产生了一些孔隙。因为这些孔隙的存在，所以可以采用机械法对结壳进行清除。

李文怡等[9]曾提出，在清洗壁画表面的泥污时先选用合适的试剂对其进行软化，之后用刀将软化后的泥污刮除。而选用恰当的清洗剂是非常重要的。早期就有人研究了以前用在壁画和石质文物表面的清洗剂，提出应避免使用强腐蚀性试剂，强腐蚀性试剂不仅会使壁画表面彩绘层受到严重腐蚀，还会在文物表面形成坑洞溶蚀，甚至坍塌[10] [11]。

由于地仗层的强度不高且为石灰材料，在清除比较薄的结壳时，应避免使用酸性试剂，防止酸性的清洗剂与石灰发生反应，损伤石灰层。清除比较薄的结壳时，可采用机械法，用刀小心地将结壳剔除干净；但因机械法会对壁画表面产生物理损伤，需仔细操作[12]。在清除较厚的结壳时，可以先采用弱酸性具有挥发性的清洗剂去除结壳内部作为胶结物的碳酸钙，使结壳松散，之后用蒸馏水对结壳进行贴敷软化，将可能残留在结壳表面的酸去掉，防止含酸的清洗剂对壁画产生污染；之后用刀小心地将结壳剔除干净。

六、结论

通过对九原岗辅国将军墓壁画表面的粒状结壳和片状结壳进行元素分析、物相分析及偏光显微镜分析后，得到以下结论：

1.黄色结壳主要含Si、Ca元素，主要物质为石英和方解石。此墓葬地处黄土高原，历史上经历了多次洪涝灾害，结壳中的元素及成分应与当地的土质和水的活动有关。

2.镜下观察到，方解石作为胶结物广泛分布在结壳中；结壳内石英颗粒的分布范围及粒径大小有所差异，可能是水的活动形态及水流动速度不同造成的。结壳内可见孔隙，说明结壳内部没有完全连接紧密。

3.结壳的形成是由于墓葬长期缓慢渗水所致。本次检测的片状样品有较为明显的三层石英层，说明在将军墓存续的时间段内，墓葬至少受到三次洪水或长期降雨的影响。明万历年间至1980年，忻州地区的洪涝灾害近10次。墓葬很有可能受到了这些洪涝灾害的影响，发生了长期缓慢渗水过程，最终在壁画表面形成大量具有分层现象的结壳。

4.结壳中碳酸钙分布广泛，碳酸钙的广泛分布导致结壳坚硬、不易清除。结壳内可见孔隙，说明结壳内部没有连接紧密，说明可以采用机械法清除结壳。对于壁画表面的结壳污染物的清除，应本着“最小干预”和“保持现状”的原则进行，同时在清除过程中要避免新的污染物的引入。根据结壳的特点可以采用化学法和机械法相结合的方式对结壳污染物进行清除。

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[1][12]牟炜《对两件石质文物的表面清洗》，《碑林集刊》2009年，425~428页。

[2][5]林瑞超《矿物药检测技术与质量控制》，北京:科学出版社，2013年，434页。

[3][4]王德滋、谢磊《光性矿物学（第三版）》，北京:科学出版社，2008年，55页。

[6]汪习军《黄河水土保持生态工程建设管理》，郑州:黄河水利出版社，2002年，245~246页。

[7]山西省忻州市地方志编纂委员会《忻县志》，北京:中国科学技术出版社，1993年，5~46页。

[8]山西省史志研究院《山西通志》第10卷，《水利志》，北京:中华书局，1999年，108~130页。

[9]李文怡、张群喜、罗黎等《壁画的表面清洗》，《文物保护与修复纪——第八届全国考古与文物保护（化学）学术会议论文集》，2004年，282~287页。

[10]SaraBianchin,MonicaFavaro,PietroAlessandroVigato, et al. The scientific approach to the restoration and monitoring of mural paintings at S. Girolamo Chapel - SS. Annunziata Church in Florence [J]. Journal of Cultural Heritage.2009 (10): 471-479.

[11] Gaspar P. A topographical assessment and comparison of conservation cleaning treatments [J]. Journal of Cultural Heritage.2003,4(1):294-302.

（作者工作单位：李碧薇，中国科学技术大学科技史与科技考古系；刘晚香，太原市文物考古研究所；黄继忠，山西省文物局；龚德才，中国科学技术大学科技史与科技考古系）