瓜州榆林窟崖体砾岩中水盐分布特征研究

2018-03-20杨善龙王彦武苏伯民郭青林裴强强

敦煌研究 2018年1期

杨善龙　王彦武　苏伯民　郭青林　裴强强

内容摘要：瓜州榆林窟位于瓜州县锁阳城镇境内，现存洞窟42个，保存壁画5000m2，彩塑200多身。榆林窟壁画存在酥碱、起甲、空鼓等病害，而这些病害的存在与崖体中水盐运移有一定的关系。为了查明榆林窟崖体中水、盐分布特征，特在榆林窟第6窟窟顶东侧崖体中开挖一口深10m的探井，调查了榆林窟崖体地层特性，以及崖体砂砾岩中水分含量和盐分含量。榆林窟洞窟所在崖体为中更新统酒泉组砾岩，其中含水率在0.55%—2.94%之间，平均含水率为1.79%；崖体砾岩中阴离子以和Cl-为主，阳离子以Ca2+和Na+为主，易溶盐总含盐量平均为0.16%。通过对榆林窟崖体砾岩中水盐分布特征的分析，可以为榆林窟壁画保护提供盐害防治依据。

关键词：榆林窟；砾岩；水分；盐分分布

中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2018）01-0136-05

The Moisture and Salt Distribution Properties of the Cliff in the Yulin Grottoes at Guazhou

YANG Shanlong1，2，3 WANG Yanwu2，3 SU Bomin2，3 GUO Qinglin1，2，3 PEI Qiangqiang2，3

（1. College of Cultural Heritage， Northwest University， Xian， Shaanxi 710069； 2. National Research Center for Conservation of Ancient Wall Paintings and Earthen Sites， Dunhuang， Gansu 736200； 3. Conservation Institute， Dunhuang Academy， Dunhuang， Gansu 736200）

Abstract：The Yulin Grottoes site is located in Guazhou Countyand contains 42 caves， 5000 m2 of wall paintings， and 200 painted statues. The wall paintings have suffered various types of deterioration， including efflorescence， flaking， detachment， and more， all of which are caused or affected in some way by salt movement insidethe cliff conglomerate onto which they are painted. In order to find out the moisture and salt distribution characteristics in the cliff， a ten-meter well was dug out of the top of the east side of cave number 6， the evidence from which was used to research the formation process and water and salt content in the cliff. The results are as follows： the rock structure is of the Pleistocene Jiuquan conglomerate group； the water content is between 0.55%～2.94% and the average water content is 1.79%； analysis of the soluble salt content is 0.16%， the main anions are and Cl-， and the main cations are Ca2+ and Na+. The evidence yielded from this analysis can provide practical data useful for preventing salt-related damages to the murals at Yulin.

Keywords：Yulin Grottoes； conglomerate； moisture； salt distribution

1 引言

榆林窟又名万佛峡，是第一批公布的全国重点文物保护单位之一，位于甘肃省瓜州县锁阳镇境内，距离瓜州县城76km，洞窟开凿于榆林河东、西两岸的崖壁上。榆林窟始建于盛唐，后经中唐、晚唐、五代、宋、西夏、元和清代，现存洞窟总数42个，东崖一层11个，二层20个，西崖仅1层，共11个洞窟。其中现存约5000m2的壁画和200余身彩塑，和莫高窟同属于一个艺术体系，是敦煌石窟的重要组成部分，以其精美的壁画著称。

受自然因素的破坏，榆林窟壁画存在空鼓、酥碱等病害[1]，这些病害严重影响到壁画的长久保存。榆林窟壁畫和莫高窟壁画具有相同的载体和制作工艺[2]，通过对莫高窟壁画同样病害的大量研究，认为壁画存在的空鼓、酥碱病害与水盐运移有很大关系[3-9]。

对于榆林窟的保护加固，过去主要以崖体加固为主[10-11]，在崖体加固的同时对榆林窟所在的崖体的工程地质问题进行了研究[12]。榆林窟崖体胶结作用差，风化严重，存在裂隙发育、冲沟发育、窟顶降雨入渗等问题。通过对榆林窟赋存的地质环境、水文环境和气象环境的研究[13]，认为榆林窟崖体地层降雨入渗使盐分发生运移和富集，而榆林窟所属的大陆性气候和温热沙漠气候却是榆林窟长期保存的有利条件。随着文物保护技术的发展，对榆林窟多个洞窟内的微环境进行了研究，主要研究洞窟内温湿度的变化规律。通过对榆林窟洞窟内温湿度监测[14]，认为洞窟内微环境平均温度的变化趋势与窟区大环境的变化趋势相同，洞窟内相对湿度受外界环境变化的影响。

壁画病害的发生是一个复杂的过程，目前仅从榆林窟所处的大环境、洞窟内的微环境进行了研究，而单对壁画载体（砾岩崖体）的研究却较少，尤其是与壁画病害相关的水盐研究。通过对与榆林窟有相同地层的莫高窟砂砾岩中水盐研究[15-18]，发现砂砾岩中干旱环境下砂砾岩中盐分主要为硫酸盐和氯盐，平均含水率为1.6%，砂砾中的水分以吸附于颗粒表面的弱结合水和孔隙中的气态水为主，这些水汽随外界环境的变化而发生运移，从而带动盐分运移使壁画产生病害。本文采用现场取样方法，首次对榆林窟洞窟所在崖体砾岩中水分、盐分进行了详细调查，为榆林窟洞窟中壁画病害机理的研究提供了依据，对榆林窟壁画保护具有重要的意义。

2 榆林窟赋存环境特征

2.1 区域地质概况

榆林窟所在的具体位置为敦煌盆地东南部的玉门-踏实盆地，在区域构造上隶属于北东东向构造体系之榆林窟槽地，后期叠加的东西向构造体系控制了测区河谷的发育和晚近期构造活动的特征[19]。榆林窟周边地貌可分为河谷地貌和河谷阶地的砾石戈壁平原地貌。榆林河谷两岸有零星分布的河漫滩及一、二级阶地，洞窟开凿于河漫滩和一级阶地之间的崖壁上。

榆林窟出露的地层均为第四纪地层，按其成因、时代的不同，可划分为下更新统玉门组砾岩（Q1）、中更新统酒泉组砾岩（Q2）、上更新统戈壁组砾岩（Q3）、全新统冲洪积砂土、砂及砂砾层（al-PLQ41-3）和全新统坡积层（col-dLQ4）。榆林窟开凿在中更新统酒泉组砾岩（Q2），这是一套洪积形成的泥钙质微胶结或无胶结的砂砾岩层含透镜体的地层，厚25—40m，颗粒呈次圆状到棱角状，分选和磨圆较差，胶结程度和强度均低于玉门组，与玉门组呈不整合关系接触。

2.2 气候特征

据蘑菇台站的气象资料，该地区多年平均气温6.7℃，历年极端最高气温35℃，极端最低气温-30.4℃，多年平均降水量63.2mm，降水主要集中在6、7、8月，占全年总降水量的63%。多年平均蒸发量为3020.2mm，蒸发数十倍于降水，干旱指数为25，为严重干旱气候。多年平均风速3.9m/s，历年最大风速为21.0m/s，最大冻土深146cm，相对湿度42%，无霜期为210天左右。榆林窟气候的特征为夏季炎热，冬季寒冷，风沙多，温差大，降雨稀少，蒸发量大，日照长，云量低，积温高，属典型的大陆性气候和温热沙漠气候[13]。

2.3 水文特征

榆林窟开凿在榆林河两岸的崖壁上。榆林河又名踏实河，属疏勒河流域，是疏勒河左岸的一级支流，源于祁连山西段北坡的冰川。榆林河流向基本上是由南向北，流经龚岔口、踏实，于破城子折流向西注入盐沼，为内陆型河流。地表径流以降水、融冰化雪及地下水为补给源，属综合补给型河流。榆林河全长118km，流域面积5494km2，据蘑菇台水文站和榆林河水库管理所1956—2013年水文数据，多年平均径流量为0.5157×108m3[20]。

3 试验方法

3.1 取样方法

为了调查榆林窟崖体中水盐分布特征，并且防止取样对测试结果的影响，特在榆林窟第6窟顶部崖体向东14m的位置开挖一口深10m的探井（图1），在井内取原状样进行含水率和盐分测试。整个探井的开挖采用人工方式开挖，避免机械开挖震动对遗址的影响。

3.2 含水率测量方法

在探井开挖的过程中，每隔20cm取一组样，每组样品取三个，分别在探井每层平面上西、圆心和东三个位置，西和东分别距离井壁10—20cm（图2）。取样49组，共147个样。取样后进行现场称量，然后带到试验室用DHG-9146-A型电热恒温鼓风干燥箱烘干测试，具体测试方法按照国家标准《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）进行。

3.3 易溶盐测量方法

易溶盐测试取样和含量率测试取样方法一样，取样49组，共147个样。取出的样品进行颗粒分析，然后取小于0.075mm的样品1g左右，利用戴安ICS-90睿智型离子色谱仪进行易溶盐测量。

4 测试结果

4.1 含水率测试结果

图3为含水率随深度变化曲线图，榆林窟砾岩崖体中含水率最大为2.94%，最小为0.55%，平均值为1.79%。

4.2 易溶盐测试结果

样品中易溶盐测试的阴离子有NO3-、、Cl-，阳离子有Ca2+、Mg2+、Na+、K+。通过测试，探井中的易溶盐总量随探井深度的分布如图4所示。图5为各离子含量变化图。

5 水、盐测试结果分析

5.1 崖体中水分分布分析

通过对榆林窟崖体砾岩中含水量的调查，发现榆林窟崖体砾岩中水分分布具有如下特征：

（1）榆林窟砾岩崖体中含水率最大为2.94%，最小为0.55%，平均值为1.79%；

（2）崖体内含水率变化不大，基本在平均值的上下波动，且并没有出现含水率随深度的增加而增大的情况；

（3）榆林窟崖体砾岩中水分分布特征和莫高窟砂砾岩中水分分布情况比较一致，水分以吸附水和弱结合水为主。这种水在一定的温度下，就会变成气态水蒸发[17-18]。

5.2 崖體中易溶盐分布分析

通过探井内取样，测试崖体砾岩中的易溶盐，发现榆林窟崖体砾岩中易溶盐分布具有如下特征：

（1）易溶盐在1m以上含量较高，存在顶部富集的情况。在1m以下，易溶盐总量在0.3%以下，且随深度没有发生变化；

（2）从表面向下1m范围内，阴离子主要以为主，阳离子以Ca2+为主。1m以下，阴离子以和Cl-为主，且含量基本相当；阳离子以Na+为主。

5.3 榆林窟崖体中水盐分布影响因素分析

榆林窟所在地区常年气候干燥，蒸发强烈，年降水量很小，且降水集中在6、7、8三个月，蒸发量是降水量的50多倍，因此降水只能引起崖体顶部表层范围内盐分的溶解和迁移，再加上榆林窟崖体顶部有一层厚20cm的三合土保护层，因此，降雨作用不可能引起榆林窟崖体砾岩中盐分发生大量迁移。

崖体顶部向下1m以后范围内温湿度保持恒定[17]，外界温湿度对其影响较小，不会导致盐分随着水汽发生运移从而破坏壁画。壁画发生盐害的盐分主要与地仗层中的盐分有关系，地仗层中的盐分也有很大一部分来自于在壁画制作时吸附崖体中的盐分。只有崖体出露部位，在温湿度的强烈变化下，砾岩中的水分在小范围内发生变化引起盐分的运移。

6 结论

（1）榆林窟砾岩崖体中含水率最大为2.94%，最小为0.55%，平均值为1.79%，且含水率不随深度的变化而变化，基本保持一致。

（2）榆林窟崖体砾岩中水分以吸附水和弱结合水为主，这种水在一定的温度下，就会变成气态水蒸发。

（3）榆林窟崖体中易溶盐在1m以上含量较高，存在顶部富集的情况。在1m以下，易溶盐总量在0.3%以下，且随深度没有变化。

（4）榆林窟崖体从表面向下1m范围内，阴离子主要以为主，阳离子以Ca2+为主。1m以下，阴离子以和Cl-为主，含量基本相当，阳离子以Na+为主。

（5）榆林窟地区降水不会引起榆林窟崖体内盐分发生大量迁移，仅在表层发生反复溶解和迁移。

参考文献：

[1]李树若.榆林窟第六窟整修报告[J].敦煌研究，2000（1）：143-149.

[2]赵林毅，李燕飞，于宗仁，等.丝绸之路石窟壁画地仗制作材料及工艺分析[J].敦煌研究，2005（4）：75-82.

[3]张明泉，张虎元，曾正中，李最雄，王旭东.莫高窟壁画酥碱病害产生机理[J].兰州大学学报，1995（1）：96-101.

[4]郭宏，李最雄，宋大康，等.敦煌莫高窟壁画酥碱病害机理研究之一[J].敦煌研究，1998（3）：153-163，188.

[5]郭宏，李最雄，裘元勋，等.敦煌莫高窟壁画酥碱病害机理研究之三[J].敦煌研究，1999（3）：153-175.