莫高窟壁画彩塑表面降尘调查研究

善忠伟,崔 强,殷耀鹏,张文元,水碧纹,殷志媛,于宗仁

[1. 敦煌研究院保护研究所,甘肃酒泉 736200; 2. 国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心(敦煌研究院),甘肃酒泉 736200;3. 甘肃省敦煌文物保护研究中心(敦煌研究院),甘肃酒泉 736200; 4. 甘肃莫高窟文化遗产保护设计咨询有限公司,甘肃酒泉 736200]

0 引 言

莫高窟,作为世界上现存持续营造时间最长、内容最丰富的石窟建筑群之一,被誉为“沙漠中的美术馆”和“墙壁上的博物馆”。以其大量珍贵精美的壁画和彩塑闻名于全世界,在中国和世界文化史研究领域具有十分重要的价值[1]。莫高窟位于我国西北地区中部,地处库姆塔格沙漠的东北边缘,四周被沙漠戈壁围绕,多风向的环境特征导致该地区在春、夏两季极易出现沙尘天气。屈建军等[2]对莫高窟所在区域降尘情况时空分布规律研究表明在该区域大气年降尘总量为365.4 t/km2,月均降尘量为30.45 t/km2。莫高窟属于典型的石窟类建筑,洞窟均为单侧开口形式,窟门是窟内外空气交换的唯一途径[3-4]。20世纪80年代,通过对莫高窟大多数洞窟安装铝合金纱窗门,调节洞窟内外温湿度差值,保证窟内环境处于相对比较稳定的状态[5]。在具体运行过程中采用铝合金纱窗门半封闭保护模式进行调控,但是在该模式下空气流通速率较高,空气中大量沙尘、浮尘物质会随气流进入洞窟,受到重力作用降落在壁画彩塑表面,这种情况称为降尘现象[6]。降尘会对壁画彩塑产生重要的影响,一方面降尘覆盖在壁画彩塑表面,会对其色彩和内容进行遮盖,影响观赏价值,如图1所示;另一方面,在一定条件下降尘会与壁画彩塑表面颜料层发生物理化学相互作用,导致出现或加剧病害的发生和发展,对壁画彩塑产生潜在的威胁。目前,已有学者着力研究降尘对文物的影响,如黄继忠等[7]研究了粉尘对云冈石窟石雕的影响,得出粉尘对石雕物理风化和化学风化交替进行,相互促进致使云冈石窟石雕严重风化;卢轩等[8]对陕西历史博物馆壁画库降尘进行了分析研究,表明降尘对壁画颜料颜色的主要影响是物理堆积作用;赵以辛等[9]对南响堂石窟石雕表面降尘进行理化分析研究,指出粉尘主要由水泥尘、粘土尘、烟及煤炭尘组成,石雕表面的气水-粉尘-岩相互作用,是使石雕表面破损的一个主要原因;牟炜等[10]对西安碑林博物馆库房内的降尘物相分析表明降尘中存在有大量的碳酸钙和石膏等酸性物质,会导致纸张酸化和促进纤维素的分解。由上可见,降尘是文物保护和保存中不可忽视的重要环境因素。因此,对莫高窟壁画彩塑表面降尘进行系统研究,以期为减少降尘对莫高窟壁画彩塑的破坏和影响而采取的除尘等保护措施提供理论依据。

图1 莫高窟壁画彩塑表面降尘

1 样品和方法

1.1 样品采集

莫高窟南北全长1 680 m,现存历代营建的洞窟共735个,分布于高15～30多米高的断崖上,上下分布1～4层不等。窟区分为南、北两区,其中南区长约980 m,现存壁画和彩塑的洞窟492个,彩塑2 400多身,壁画4.5万多平方米。本研究选取莫高窟南区不同水平距离和不同层位高度洞窟,用软毛刷收集壁画、彩塑表面降尘,洞窟包括开放洞窟和非开放洞窟,洞窟位置见图2所示,具体采样信息见表1。样品编号中字母“M”代表莫高窟,数字代表窟号,数字后面字母“W”和“S”分别代表壁画和彩塑。

图2 莫高窟降尘采样洞窟位置

表1 莫高窟降尘采样信息

1.2 降尘分布调查

通过收集莫高窟第55窟、425窟、148窟、310窟、88窟单位面积壁画彩塑表面降尘,进行样品称量计算莫高窟壁画彩塑表面降尘量分布(表2)。壁画表面(竖直方向)降尘量为7.09～28.35 g/m2,彩塑表面(水平方向)降尘量为237.02～297.43 g/m2。敦煌研究院在2019～2020年对莫高窟第88窟壁画彩塑进行保护修复,在莫高窟第88窟放置降尘收集装置收集2020年12月～2021年12月窟内壁画彩塑表面降尘,在1 dm2壁画表面(竖直方向)收集到降尘0.0393 g,降尘量为3.93 g/m2,年降尘量为3.93 g/m2,在1 dm2彩塑表面(水平方向)收集到降尘0.285 7 g,降尘量为28.57 g/m2,年降尘量为28.57 g/m2。

表2 莫高窟壁画彩塑表面降尘量调查

1.3 测试设备与方法

莫高窟内部壁画彩塑结构复杂,进入洞窟的降尘不易随空气流流出洞窟。当降尘附着在壁画彩塑表面后,对壁画彩塑所产生的物理或化学影响,取决于降尘的理化性质。对莫高窟壁画彩塑表面的降尘进行分析其粒径分布、微观形貌、元素组成、物相组成、可溶盐含量等理化性质,测试设备见表3。

2 结果与讨论

2.1 降尘的理化性质

2.1.1降尘粒度分析 莫高窟壁画彩塑表面降尘粒径分布范围为0.4～586 μm(表4),降尘粒径主要集中在2～70 μm(图3),不同洞窟壁画彩塑表面降尘粒径分布差别较大,中值粒径D50在10.5～20.0 μm,D90在32.9～75.3 μm。同一洞窟内壁画表面降尘粒径小于彩塑表面降尘粒径。由于莫高窟第148洞窟为开放洞窟中必参观洞窟之一,会对参观洞窟地面进行日常吸尘清扫,降尘粒径分布受清扫工作和大量游客日常参观游览活动影响,第148窟降尘粒径在主要集中在2.5～141 μm。

表4 莫高窟壁画彩塑表面降尘粒径分布结果

(续表4)

图3 莫高窟壁画彩塑表面降尘粒度分布图

2.1.2降尘微观形貌分析 通过显微镜观察收集到的莫高窟壁画彩塑表面降尘,可观察到细小片状的石英、方解石及无明显特征的黏土颗粒。此外还观察到有壁画彩塑颜料碎片(图4a)、丝状物质(4b)、絮状物质(4c)[11]、植物纤维(4d)、织物纤维(4e)和昆虫类尸体(4f)。由此推断壁画彩塑因起甲、酥碱、龟裂等脱落的颗粒、碎片,地仗层脱落的澄板土、动植物纤维,游客参观活动脱落的衣物纤维是降尘的主要来源之一。

电子显微镜是表征单颗粒的理想工具,与X射线能谱结合,电子显微镜可以同时提供颗粒物的形貌、化学成分和粒度分布等信息[12]。通过扫描电镜观察,莫高窟内的降尘呈粉末状,由各种不同粒径的颗粒组成,微观形貌有棱角状、次棱角状、丝絮状和各种不规则形状(图5)。利用扫描电镜-能谱对莫高窟壁画彩塑表面的降尘进行单颗粒分析得出降尘主要元素有Si、O、Ca、C、Al、Mg、Fe、Na、S、K、Cl等元素,成分较为复杂。

图4 莫高窟壁画彩塑表面降尘代表性显微照片

2.1.3降尘物相组成分析 XRD对于研究结晶材料有显著作用,可以获取结晶材料中结晶成分的空间分布等信息,但是不能获取物质振动信息,也存在结晶成分与非晶成分的衍射峰重叠现象[13]。显微红外光谱分析可弥补X射线衍射物相分析方法的不足[9]。因此,将傅里叶变换显微红外光谱与XRD联用,对莫高窟壁画彩塑表面降尘组成物相进行分析。

莫高窟壁画彩塑表面降尘主要物相有石英、方解石、钠长石、白云石、绿泥石、白云母(表5),部分样品还有高岭石、钾长石、生石膏(图6)。降尘中石英含量20.2%～38.9%,方解石含量12.1%～25.8%,钠长石含量15%左右,白云石10%左右,绿泥石8%左右,白云母5%左右。同一洞窟内壁画表面降尘中石英含量高于彩塑表面降尘,彩塑表面降尘中钾长石、钠闪石含量高于壁画表面降尘。

表5 莫高窟壁画彩塑表面降尘物相分析结果

(续表5)

图6 莫高窟壁画彩塑表面降尘代表性X射线衍射图

对莫高窟壁画彩塑表面降尘显微红外光谱分析,位于1 100～1 000 cm-1的谱带为Si-O伸缩带,说明降尘样品以石英、黏土矿物为主(图7a,7d)。位于3 600～3 200 cm-1的谱带为O-H伸缩带,位于3 000～2 800 cm-1的谱带为C-H伸缩带,位于1 500～1 300 cm-1的谱带为C-H弯曲带,位于1 200～900 cm-1的谱带为C-O伸缩带,均为纤维素的特征吸收,说明样品为纤维素(图7e,7f,7g)。位于3 300 cm-1的谱带为N-H伸缩带,位于3 000～2 800 cm-1的谱带为C-H伸缩带,位于1 650 cm-1的谱带为C=O伸缩带,位于1 550 cm-1的谱带为N-H弯曲带和C-N伸缩带,均为蛋白质的特征吸收,说明样品为蛋白质(图7b,7c,7h)。

通过对莫高窟洞窟中降尘物质的组成物相进行分析,结果表明莫高窟壁画彩塑表面的降尘多为来自窟外的石英和黏土矿物,其中大部分颗粒物为含钙质颗粒,如石膏、白云石和方解石,少量物质为窟外动植物纤维。因此推断这些物质随窟内、外空气交换和人为活动进入窟内沉降到地面和壁画彩塑表面形成目前洞窟内降尘严重的现象。

图7 莫高窟壁画彩塑表面降尘红外光谱

2.1.4降尘的可溶盐分析 降尘中水溶性离子组分是降尘的主要组分之一,也是降尘对壁画彩塑形成酸蚀和盐蚀的主要原因。降尘中的硫酸盐、硝酸盐等可沉降或吸附到壁画彩塑表面,不但有潜在的研磨作用,还能将有害化学物质携带到壁画彩塑表面,导致对文物材料的化学侵蚀和物理风化[14]。研究表明莫高窟壁画彩塑表面降尘中包含有大量的硫酸盐、硝酸盐[15],其中NaCl和Na2SO4是导致敦煌莫高窟壁画发生酥碱病变的主要盐类物质[16-19]。分析莫高窟壁画彩塑表面降尘的水溶性离子组分,可以为硫酸盐、硝酸盐等可溶性盐的形成提供佐证,进一步揭示可溶盐对莫高窟壁画彩塑的毁坏机理。

表6 莫高窟壁画彩塑表面降尘可溶盐离子分析结果

图8 莫高窟壁画彩塑表面降尘水溶性离子分析图

2.2 降尘对壁画彩塑的潜在影响

2.2.1降尘对壁画彩塑色度的影响 降尘对莫高窟壁画彩塑的物理遮盖影响主要表现为在其原有色彩上进行沉降、覆盖,造成壁画彩塑表面累积暗色沉积物,降低壁画彩塑的美学观赏价值。人眼对表色色差实验的研究表明中国颜色体系中彩色系颜色样品色差宽容度为ΔE<3.0,非彩色系ΔE<1.5[23]。利用色差仪对莫高窟55窟壁画表面颜料进行除尘前后色度检测,发现除尘前后壁画表面颜料的亮度差ΔL在-12.48～3.57之间,红绿差Δa在-2.4～3.42之间,黄蓝差Δb在-3.38～2.76之间,色差值ΔE在1.48～13.15之间。除尘前后彩塑表面颜料的亮度差ΔL在-11.95～20.72之间,红绿差Δa在-16.51～20.75之间,黄蓝差Δb在-37.37～-2.27之间,色差值ΔE在13.98～39.24之间(表7～9)。

表7 莫高窟第55窟北壁东侧颜料色度

表8 莫高窟第55窟甬道北壁西侧颜料色度

表9 莫高窟第55窟彩塑颜料色度

2.2.2降尘对壁画彩塑保护的影响 莫高窟壁画彩塑表面降尘不仅遮盖壁画彩塑本体,影响其艺术观赏价值,同时也遮盖壁画彩塑现存病害,无法及时发现病害并采取保护修复措施致使壁画彩塑进一步劣化。进入洞窟的降尘微粒侵入到壁画彩塑已有的病害空隙间,如颜料层起甲、粉化、龟裂、裂缝等区域(图9)。随着降尘的不断沉积,逐渐把壁画彩塑颜料层或白粉层向外挤压而脱离地仗,从而导致壁画彩塑颜料层和白粉层脱落,严重时可使整个地仗大面积脱落[24]。沉降、附着在壁画彩塑表面不仅污损文物,甚至与彩绘颜料中的某些成分发生化学反应,加速壁画彩塑的侵蚀过程,造成壁画起甲脱落等病害,并使裂缝变宽[25]。

敦煌莫高窟空气中的主要真菌为枝孢属,无孢菌,青霉属,链格孢属和曲霉属的种类[26]。进入莫高窟窟内的降尘很容易吸附空气中和游客参观带来的水分及有机物,是细菌、霉菌的良好载体,为微生物提供了栖息繁殖的场所。降尘所携带的霉菌孢子等一旦降落并附着于壁画彩塑上,就会迅速繁殖,分泌的代谢产物有机酸及酶等可分解壁画地仗层中的麻、棉、草、羊毛等动植物纤维及颜料层中的动植物胶,使壁画产生空鼓、颜料层剥落、酥碱、粉化等病害。微生物不仅影响壁画彩塑外观,还使壁画彩塑材料机械强度下降[27]。微生物附着在降尘中(图10),在一定湿度下,造成霉菌孳生,引起壁画彩塑长霉乃至霉烂、腐朽。

降尘对窟内壁画彩塑的劣化损害包含物理遮盖脏污和化学酸化盐蚀两个方面。沉降在莫高窟壁画彩塑表面的大部分为地壳源矿物,对壁画彩塑带来的潜在危害是物理遮盖、污损和磨蚀等作用。降尘的沉积会破坏壁画的粘合力,导致壁画出现大面积的脱落、褪色等现象[28]。由于降尘颗粒大多为矿物颗粒,微观形貌多为棱角状,随着气流运动对莫高窟壁画彩塑表面磨损变色、褪色;如果对壁画彩塑表面降尘进行清理,涉及的机械操作或引入的化学药品还会给壁画彩塑带来进一步的磨损和化学侵蚀等损害[29]。莫高窟壁画彩塑表面降尘中高浓度的水溶性无机离子的存在对壁画彩塑有潜在的盐蚀危害,游客参观带来的水汽、温度变化会加剧壁画彩塑的损毁过程。在进行壁画彩塑保护修复工作时,降尘会影响修复材料与颜料层、地仗层的粘结效果,同时也会污染壁画彩塑表面。

图9 降尘微粒侵入到壁画裂缝显微照片

图10 莫高窟壁画表面降尘及微生物

3 结 论

通过对莫高窟第12窟等9个洞窟壁画彩塑表面降尘进行调查分析研究,初步得到如下结论:

1) 莫高窟壁画彩塑表面降尘主要受自身重力的作用沉降在彩塑表面(水平方向);极少数降尘通过静电作用、吸附作用、摩擦力、范德华力等吸附在壁画表面(竖直方向)。壁画表面(竖直方向)降尘量为7.09～28.35 g/m2,年降尘量为3.93 g/m2,彩塑表面(水平方向)降尘量为237.02～297.43 g/m2,年降尘量为28.57 g/m2。

3) 降尘对壁画彩塑保护的影响主要表现在物理遮盖和磨蚀作用导致其区域色度发生变化、可溶盐对壁画彩塑的潜在盐蚀威胁和作为微生物载体加剧部分病害发展三个方面。进一步进行系统、全面的深入分析莫高窟降尘对于壁画彩塑保护具有十分重要的意义。

4) 建议莫高窟铝合金纱窗门采用孔径较小的多层防尘网以减少窟外大气降尘经铝合金纱窗进入窟内;对开放洞窟地面进行日常清洁除尘,以减少游客参观活动扰动使已经沉降在地面的降尘物质发生再次悬浮,进入窟内空气中沉降在窟内壁画彩塑表面,探索有效的除尘方式对莫高窟壁画彩塑表面降尘进行清除,以减少降尘对壁画彩塑的潜在威胁。

综合研究成果可见莫高窟壁画彩塑表面降尘是导致壁画彩塑产生病害的一个不可忽视的重要因素。此次研究的结果可为莫高窟壁画彩塑预防性保护提供基础数据,研究所采用的实验方法和分析技术,亦可应用于其他文化遗产地的降尘研究中。