山西忻州九原岗北朝墓葬壁画颜料及颜色变化分析

石美风，任建光，张秉坚，黄继忠，霍宝强

(1. 山西博物院文物保护中心，山西太原 030024； 2． 云冈石窟研究院，山西大同 037000；3． 浙江大学化学系，浙江杭州 310027； 4． 山西省文物局，山西太原 030001)

0 引 言

九原岗墓葬群位于山西省忻州市东北处，其中于2013年春发现的北朝壁画墓是目前发掘出土的最大一座。该墓葬墓室壁画缺失严重，但墓道壁画保存完好，内容丰富、颜色艳丽，具有极高的艺术价值。经统计，该墓葬壁画的色彩有蓝色、红色、黄色、熟褐色、黑色、绿色、灰色、橙色和白色。其中，蓝色、红色和黄色的使用最为广泛。

以往的考古发掘中发现，某些彩绘文物刚出土时色彩艳丽如新，但一经暴露，在极短的时间内即迅速褪色或变色。九原岗北朝墓葬壁画在初期发掘过程中，现场工作人员发现，出土后的壁画颜色越来越暗淡，在视觉上有明显的褪色现象。为详细了解壁画颜色的褪色原因，在随后的壁画发掘过程中，采用全自动色差计跟踪检测了壁画表面几种典型色彩的色度情况，并对壁画残块颜料进行了科学检测[1]。

1 研究方法

1.1 色度检测

色差计以光的三原色为基础，根据CIE色空间的Lab原理，Hunter表色系统，通过测量标准样品与被测样品的明度指数差△L、色品指数差△a、△b和色差△E，可以定量表示各种颜色，使颜色的表示更加准确、客观，常用于彩绘文物的保护和修复。CIE Lab均匀色空间由直角坐标L*、a*、b*构成(图1)。L*为垂直轴，代表明度，其值从底部0(黑)到顶部100(白)；a*、b*为水平轴，a*代表红绿轴上颜色的饱和度，其中-a*为绿，+a*为红；b*代表蓝黄轴上颜色的饱和度，其中-b*为蓝，+b*为黄。2个颜色之间的总色差△E=[(△L*)2+(△a*)2+(△b*)2]1/2。

图1 色调的颜色空间模型Fig.1 The color space model of tonal range

1.1.1仪器参数 国产SC-80C型显色差计，测量孔径：反射φ15mm，灵敏度：近似于CIE1964等色函数，校正基准：国家基准白板校正板基准；重复精度：△Y≤±0.3， △E≤±0.3。

1.1.2检测区域的确定 选择九原岗北朝墓葬刚出土的壁画上，色相明显、色调均匀、面积适合(检测区域满足仪器孔径15mm)的图案显示为红色(图2)、黄色(图3)、蓝色(图4)和黑色(图5)的区域，进行这4种颜色的检测。在每个区域检测三个点(图6)，每个监测点重复3次，定点定时检测该处颜色，取平均值以表征该种颜色的色度情况。

1.2 表面水含量检测 德国testo 616型材料水分检测仪(显示数值表示干物质重量百分比)，分辨率0.1%，建筑材料的测试范围<20%，检测模式为Anhydrite screed<0.5%(硬石膏材料)(图7)。

图2 红色颜料Fig.2 Chrominance detection on the red

图3 黄色颜料Fig.3 Chrominance detection on the yellow

图4 蓝色颜料Fig.4 Chrominance detection on the blue

图5 黑色颜料Fig.5 Chrominance detection on the black

图6 壁画表面色度检测Fig.6 Chrominance detection on the mural

图7 壁画表面水含量检测Fig.7 Water content test of the mural

1.3 颜料鉴定

法国HoRIBA公司生产的XpLORA共焦显微拉曼光谱仪：532nm氩离子激光器，物镜为 50×；光斑尺寸为 1μm；光栅 1200；采用5×10s扫描频次。用钨针仔细挑取发掘过程中收集的壁画表面的颜料颗粒置于载玻片上，于激光拉曼光谱仪下进行激光扫描检测。

2 检测结果与讨论

2.1 各色彩区域色度检测

2.1.1红色区域 对刚出土的壁画表面流云处(图1)的红色颜料进行检测，结果如表1。

表1 红色颜料的色度检测结果

以上数据显示，该处红色颜料刚出土时，表面水含量值达10.7，而其色度情况△E值为69，L*为57.5，a*为24，b*为29.5；约100min后，△E值降低1个单位，L*增加1个单位，a*降低2个单位，b*降低3个单位，其色度情况变化不明显；3天后，该区域的表面水含量值降低至7.6，与此同时，该区域的色彩也有明显的变化，△E降低1.5个单位，L*增加1.5个单位，a*减少4个单位，b*减少4个单位；壁画干燥1年后，该区域表面含水量降低为4.0，△E降低约3个单位，L*增加约1个单位，a*减少9个单位，b*减少7个单位。

根据CIE Lab均匀色空间表色系统，在视觉上，△L增加体现为颜色的明度增加，颜色由暗变亮；a*减小体现为红色减弱；b*减少体现为黄色减弱，蓝色增强；△E降低体现为颜色色差减小。总体上，该区域红色在视觉上体现为变浅变淡。

2.1.2黄色区域 对刚出土的壁画表面人物头冠(图2)的黄色颜料进行检测，结果如表2。

表2 黄色颜料的色度检测结果

以上数据显示，该处黄色颜料刚出土时表面水含量值达10.5，而其色度情况△E值为65.92，L*为52.68，a*为11.3，b*为37.75；20min后，△E值增加3.7个单位，L*增加2个单位，a*增加0.4个单位，b*增加3.5个单位，颜色有明显的变化；3天后，△E值增加1.9个单位，L*增加5.5个单位，a*增加1.2个单位，b*增加4.4个单位，颜色有明显的变化；1年以后，该区域表面水含量值降低为5.1，△E降低3.96个单位，L*降低2.4个单位，a*减少0.5个单位，b*减少2.85个单位。

根据CIE Lab均匀色空间表色系统，对于黄色区域的色彩变化情况，在视觉上，△L增加体现为颜色由暗变亮，b*减少体现为黄色减弱，a*减少体现为红色减弱。△E降低体现为颜色色差减小。总体上，该区域黄色在视觉上体现为变浅变淡。

2.1.3蓝色区域 对刚出土的壁画表面水波纹蓝色(图3)的蓝色颜料进行检测，结果如表3。

表3 蓝色颜料的色度检测结果

以上检测结果显示，对于九原岗壁画表面的该处蓝色颜料，刚出土时，该区域较为潮湿，表面水含量值达10.7，而其色度情况△E值为64.67，L*为63.75，a*为1.4，b*为10.74；20min后，色度变化不明显。

经过约3天的画面干燥，该区域的表面水含量值为9.7，而其色度情况△E值为66.29，L*为65.84，a*为0.24，b*为7.62。可见，壁画出土3天后，该区域的表面含水量减少1个单位。与此同时，该区域的色彩也有明显的变化，△E增加1.6个单位，L*增加2个单位，a*减少1个单位，b*减少3个单位。

1年后，该处表面含水量值为4.7，较刚出土时，△E增加2.7个单位，L*增加2.3个单位，a*增加1个单位，b*减少3.8个单位。根据CIE Lab均匀色空间表色系统，对于蓝色区域的色彩变化情况，在视觉上，L*增加体现为颜色由暗变亮，b*减小体现为蓝色加深。综合以上参数变化，该区域的蓝色，色彩由暗蓝色变划为亮蓝色，视觉上应体现为颜色变艳丽。

2.1.4黑色区域 对刚出土的壁画表面马鞍带饰(图5)黑色颜料进行检测，结果如表4。

表4 黑色颜料的色度检测结果

以上检测结果显示，对于九原岗壁画表面的该处黑色颜料刚出土时，该区域较为潮湿，表面水含量值达14.13，而其色度情况△E值为38.73，L*为35.96，a*为0.09，b*为14.34；经过约3天的画面干燥，该区域的表面水含量值为9.37，而其色度情况△E值为40.73，L*为38.98，a*为-2.7，b*为11.50。可见，壁画出土3天后，该区域的表面水含量值减少4个单位。与此同时，该区域的色彩也有明显的变化，△E增加2个单位，L*增加3个单位，a*减少3个单位，b*减少3个单位。一年后，△E增加6.7个单位，L*增加2.6个单位，a*增加1.65个单位，b*减少1个单位。根据CIE Lab均匀色空间表色系统，对于黑色区域的色彩变化情况，以△E、L*的变化为参考点，该区域的黑色在视觉上的表现为颜色变亮。

对壁画表面各种色彩区域的色度检测结果显示，九原岗北朝墓葬壁画刚出土时的色彩与3天后的色彩有明显的不同，其红色、黄色、蓝色和黑色的△E值均超过1.5的变化量，达到人眼可识别的范围[2]。同时，随着壁画的干燥，△E的变化更加明显，1年后壁画基本干燥后，各区域的颜色明显较刚出土变浅。在跟踪监测过程中，湿度的反复变化与当天天气阴晴状况有密切的关系。

2.2 颜料矿物鉴定

采用显微激光拉曼光谱对九原岗北朝墓葬壁画残块表面的红、黄、蓝、黑颜料进行激光拉曼原位分析。

2.2.1红色颜料 红色颜料的Raman谱图(图8)中的拉曼峰254.5cm-1，289.5cm-1，345.5cm-1与标准谱库中朱砂的特征峰(253cm-1，284cm-1，343cm-1)基本吻合，可知该红色颜料是朱砂。

2.2.2黄色颜料 黄色颜料的Raman谱图(图9)，其主要峰位置为：290cm-1，377cm-1，469cm-1，545cm-1，676cm-1，与标准图谱中针铁矿(FeO·OH)的峰位置相对应，可知该黄色颜料为针铁矿。

2.2.3蓝色颜料 蓝色颜料的Raman谱图(图10)，其主要谱峰位置为：244.5cm-1，535.6cm-1，803cm-1，1086.7cm-1，1634cm-1，与标准图谱中青金石((Na，Ca)7-8(Al，Si)12(O，S)24[SO4，Cl2(OH)2])的峰位置相对应，可知该蓝色颜料为青金石。

2.2.4黑色颜料 黑色颜料的Raman谱图(图11)，其主要谱峰位置为：1324cm-1，1614cm-1，于标准图谱中碳(C)峰的位置相对应，可知该黑色颜料是炭黑。

图8 红色颜料的Raman谱图Fig.8 Micro-Raman spectra of the red

图9 黄色颜料的Raman谱图Fig.9 Micro-Raman spectra of the yellow

图10 蓝色颜料的Raman谱图Fig.10 Micro-Raman spectra of the blue

图11 黑色颜料的Raman谱图Fig.11 Micro-Raman spectra of the black

检测结果显示，九原岗北朝墓葬壁画采用了红色的朱砂、黑色的炭黑、蓝色的青金石、黄色的针铁矿等性质稳定的矿物颜料进行壁画彩绘。此类颜料在自然条件下不易变色、褪色，可以持久保持鲜艳的色泽。壁画颜料褪色主要受到环境因素的影响[3，4]。光辐射、高湿度和空气污染物中的酸性气体等是颜料褪色的主要因素[5]。九原岗北朝墓葬壁画保存于彩钢结构防护棚内(图12)，受到环境中光照的影响较小。此外，该墓葬处于忻州地区野外自然环境中，当地空气质量较好，远离工业区，空气污染物中酸性气体的影响较小，故壁画在出土初期的色彩变化主要受到环境湿度的影响。

经检测，在进行壁画发掘保护的过程中3个月中，九原岗北朝墓葬壁画防护棚内的湿度始终高达75%以上(图13)。高湿度的壁画保存环境导致壁画表面水含量极大。表面水含量检测结果显示，新出土壁画表面的水含量值达10.5以上，干燥约半个月后，湿度最低可降至4.0左右。而随着壁画表面水含量的降低，各种颜色的△E也有较大的变化，体现在壁画色彩的显示上，可以达到人眼可以明显识别颜色变化的程度。

图12 九原岗北朝壁画墓墓道及防护棚Fig.12 Protective casing of the mural tomb

图13 墓道东壁中端温湿度监测Fig.13 Temperature and humidity testing on the east side of the tomb passage

壁画在干燥过程中，壁画地仗层内的可溶性盐结晶逐渐向画面迁移(图14)，最后聚集在壁画表面，进一步降低了画面色彩的饱和度。

此外，在水分的蒸发过程中，可溶性盐结晶体积膨胀或收缩；壁画在保存环境中，表面温度变化导致颜料层材料热胀冷缩，颜料胶结材料老化，均可能导致颜料颗粒脱落[6]，最终导致壁画色彩饱和度降低[7]，也可能会导致壁画色彩在视觉上变浅。总体上，壁画湿度降低从根本上导致壁画色彩变浅。

A区域为壁画脱盐后; B区域为脱盐前图14 壁画表面盐结晶Fig.14 Salt crystals on the mural

3 结 论

忻州九原岗北朝墓葬壁画采用中国古代传统矿物颜料进行绘制，此类颜料在埋藏环境中性质稳定，不易变色、褪色。出土后壁画画面色彩的变化，主要是壁画表面湿度的变化所致。新出土的壁画，由于长期处于埋藏于土壤环境中，表面潮湿，水分的作用导致矿物颜料对光的反射增强，从而显示出较为鲜艳的色彩。壁画出土后，随着画面的干燥，壁画表面水含量降低，颜料对光线的反射减弱，色彩变浅。

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