刘宗昌,武发思,孙淑梅,贺东鹏,陈 章,李 隆
(1.敦煌研究院 炳灵寺文物保护研究所,甘肃 永靖 731600;2.敦煌研究院 国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心,甘肃 敦煌 736200;3.甘肃省敦煌文物保护研究中心,甘肃 敦煌 736200;4.甘肃莫高窟文化遗产保护设计咨询有限公司,甘肃 敦煌 736200)
风化病害是石窟寺普遍存在的病害类型之一,其产生有自身因素,但主要是环境诱发作用产生的破坏[1],其中温度和湿度是2个最基本的因素[2]。现有对石窟寺及其岩体的风化机理研究表明,温湿度变化引起的风化作用方式,包括岩体热胀冷缩应力破坏[3-6]、冻融[7-9]、岩石胶结物水解溶蚀[10-12]、可溶盐溶解结晶破坏[13-20]、微生物繁殖[21-23]等,研究从最初的对单一环境因素模拟实验,发展到用多场耦合实验条件模拟和揭示病害产生和破坏机理[24]。而对洞窟环境特征的相关研究,从整体上揭示了病害产生发展的规律和条件,成为病害机理研究、预防性保护和开放管理的指导依据[25-28]。
炳灵寺石窟风化相关研究自20世纪90年代开始,李最雄对炳灵寺石窟岩体特性研究表明,由于胶结泥质中较高的蒙脱石含量,更容易产生风化[29-30];张明泉等研究了环境地质导致的石窟风化,并提出治理方案[31];王亨通初次从温差变化角度解释了风化的外因[32];而笔者前期探究了洞窟内外温湿度特征,表明洞窟有明显的缓冲效应[33],并初步分析了游客对洞窟微环境的影响[34]。截至目前,尚不清楚环境因素与炳灵寺石窟风化的关联,开展第147窟风化病害与石窟赋存环境之间的关系研究,对于揭示风化成因和实施预防性保护具有重要意义。
炳灵寺石窟位于甘肃省永靖县城西南52 km的小积石山中,是第一批全国重点文物保护单位,2014年以“丝绸之路:长安-天廊道的路网”遗产点之一,列入世界文化遗产名录。
第147窟位于炳灵寺石窟下寺区中上部(见图1a),坐西向东,距现在地面11 m,窟高3.70 m,宽5.80 m,深5.75 m,唐代开窟造像,明代重绘壁画。平面呈马蹄形,平顶,低台基上雕凿一铺七身造像(见图1b)。清末战乱期间,洞窟内发生过爆炸,造像残损严重,壁画整体烟熏严重。第147窟作为炳灵寺石窟现存最大的人工开凿洞窟,洞窟形制及造像风格都反应出盛唐佛教艺术风格,与莫高窟第45窟等盛唐时期洞窟十分相似。窟内壁画属藏传佛教题材,窟顶保存有炳灵寺石窟唯一一幅最大的喜金刚双修曼荼罗壁画,具有十分重要的艺术价值。
第147窟当前不对外开放,安装有带纱窗窟门,常年保持关闭。洞窟位于石窟中上层,不受底层泥沙淤积带来的毛细水影响,窟内无渗水,相对保存环境较好。但窟内岩体及壁画整体风化严重,主要表现为壁画酥碱、起甲,岩体粉末状和片状风化脱落,以洞窟西壁最为严重,且表现出越靠近后部空间,病害越严重的现象。
2.1 材料与方法
2.1.1 风化产物监测
在第147窟内网格化布置12个风化产物监测点(见图1c),以0.25 m×0.18 m方盘承接,每月底收集一次,烘干称重。称重设备为上海卓精BSM-200.4型高精度电子天平。
2.1.2 环境要素监测
在第147窟内不同进深和不同高度布置5个监测点位(见图1c),分别为窟外北侧崖面处空气温湿度(Out)、窟内东壁南侧地面温湿度(Eb)、窟内西壁南侧地面温湿度(Wb)、窟内西壁南侧中部空气温湿度(Wm)、窟内西壁南侧顶部空气温湿度(Wt)。监测设备为HOBO®U23-001型温湿度监测仪,数据收集频次为5 min/次。
2.1.3 可溶盐分析
对第147窟内风化岩体表面取样以进行实验室可溶盐分析,取样位置分别为西壁北侧酥碱岩体、西壁南角表层岩体、西壁佛台北侧表层岩体、西壁佛台南侧表层岩体(见图1c)。分析步骤为,在实验室将烘干的土样或岩石样品浸泡于去离子水中,严格控制水土比为5∶1,放在超声振荡器上振荡30 min,采用注射针头过滤器(孔径0.45 μm)过滤上部清液,利用戴安ICS-90睿智型离子色谱仪对清液进行分析。
(a)第147窟位置(白色方框);(b)平剖面图;(c)监测点位示意图图1 第147窟位置、窟型及监测点示意图Fig.1 Location of cave 147 and the monitoring sites
2.2 数据处理
本研究时段自2021年8月1日至2022年8月31日。主要用origin2021软件,对温湿度数据进行箱线图、标准方差图对比分析,研究洞窟内不同位置环境要素差异、洞窟风化在时间和空间分布特征,结合可溶盐分析结果,以探究环境因素变化与洞窟风化之间关联。
3.1 风化产物质量
风化产物成分主要为壁画颜料、泥层、岩石颗粒、浮尘等混合物。显微镜观察,具有明显特征(见图2)。浮尘主要在洞窟前部飘落,如1号、12号等监测点位,月质量小于0.001 g,可视为对最终结果无影响。除2022年4月份的风化掉落产物监测数据缺失,其余各月份12个监测点位的风化产物质量如图3所示,可以看出,第147窟不同区域差异化的风化情况。其中,“总量/点位”为每个监测点位监测时段内风化产物总质量,反映风化空间特征;“总量/月”为每个月所有监测点位风化产物总重量,反映风化时间特征。
监测时段内,风化掉落产物总质量为6.25 g。从空间分布看,第147窟内各监测点在监测时段内都有风化产物掉落,其中3号、9号点风化较为明显。9号点风化产物总质量为3.33 g,占洞窟整体风化产物质量的53.3%;3号点为0.919 g,占15%;2、4、5、7、10号各点次之,监测时段内风化产物质量都在0.5g以下;1、6、8、11、12各点位较小,都在0.1 g以下。可见,洞窟后部是风化的主要区域,风化质量为5.77 g,占全部区域总量的92.3%。从时间角度看,5—11月是洞窟内岩体及壁画风化的主要时间段,风化产物总量为6.17 g,占监测时段内的98.7%,其中7—8月风化最严重,产物总量为4.59 g,占比73.4%。
图2 风化产物显微镜下形态(60x)Fig.2 Microscopic morphology of the weathering products(60x)
图3 第147窟风化产物重量统计Fig.3 Statistic of the weathering products weight of cave 147
整体来看,第147窟风化部位主要集中在洞窟后部,风化时段主要在雨季。排除第147窟未受其他特定因素影响的风化。可以发现,这种风化规律与洞窟温度和湿度有较大关联[19]。炳灵寺石窟地区4—10月为雨季,7—8月降雨最多,相对湿度高,而温度也最高(见图4),窟内温湿度直接受窟外环境因素影响,可见研究洞窟内外环境因素关系,是研究第147窟环境特征形成及病害分布的重要内容。
图4 炳灵寺石窟2009—2022年气象数据平均值Fig.4 Average value of the meteorological data from 2009 to 2022 in Bingling Temple Grottoes
3.2 温度
3.2.1 洞窟内外温度差异
如图5所示,窟外温度较窟内温度波动大,在温度随季节变化的过程中,10月至翌年2月窟外平均温度低于窟内,3月至9月窟外平均温度较窟内高。窟外年度温差为40.3 ℃,而窟内4个空气温度监测点年度温差平均值为20.6 ℃,每月窟内外温差绝对值平均为3.7 ℃,这表明洞窟空间对气象环境变化有一定的缓冲调节作用。
如图6所示,窟外月温度标准方差整体高于窟内各点,温差的变化在年度时间轴上洞窟内外具有不同趋势。窟外表现为从8月至翌年1月随着温度降低,温差也减小,1月达到最小,月温差11 ℃左右,1—5月随着温度上升,温差急剧增大,3—5月达到最大,月温差22 ℃左右,在夏季高温时段的6—8月,SD值又开始下降。窟内则为从8月至翌年1月随着温度降低,温差先增大后降低,秋末的10—11月达到一年温差的最大值,各点平均温差为7.3 ℃,1月达到最小值,平均温差为3.7 ℃,1—6月温度回升过程中,温差也增大,3月再次形成高峰,随后略有降低,直至7月份温差再次达到最小。
整体看,第147窟内外空气温度差异表现出明显的季节性。窟内温度受围岩缓冲作用,降温的秋冬季高于窟外,升温的春夏季低于窟外,整体波动较小;温差窟外冬季最小,春季最大,窟内则是春秋季最大,夏冬季最小。
图5 第147窟各监测点月温度统计箱线图Fig.5 Box-plot of month temperature in each monitoring site of cave 147
图6 第147窟各监测点月温度标准方差图Fig.6 Standard deviation of monthly temperature in each monitoring site of cave 147
3.2.2 洞窟内空间温度差异
从洞窟纵深方向看,在10月至翌年3月,靠近窟门的前部温度较洞窟后部温度低,4—9月则相反;12月至翌年3月前部温差小于后部,4—11月则相反。
从垂直方向看,洞窟上部空间平均温度高于中下部,10月至翌年2月期间洞窟地面温度高于中部,其余月份相反;洞窟上部空间温差在11月至翌年2月小于中部及地面,3—10月则相反,说明洞窟垂直方向,随着气温升高,洞窟地面至顶部温差逐步增大,气温降低的过程则相反,不过,洞窟中部温差比地面温差略大,说明地面岩体对于温度具有缓冲作用。
整体看,洞窟同层位前部空间空气温度在升温的春夏季高于后部,降温的秋冬季低于后部空间;前部空间温差在冬季小于后部空间,其余月份则相反。垂直方向,顶部空气温度高于中下部,地面附近温度受岩体缓冲影响,表现出秋冬季高于中部空气,春夏季低于中部空气的特征;洞窟上部温差秋冬季小于中部,春夏季大于中部。莫高窟相关洞窟环境研究成果表明,夏季窟内中上部温湿度日波动较大,冬季前室地面温湿度日波动较大[25]。这一研究与炳灵寺石窟第147窟环境既有类似,又有差异,说明不同地域洞窟环境具有各自特征。
从冻融对洞窟风化影响角度看,147窟内4个监测点空气温度低于0℃的只有前部空间的监测点Eb,其中12月和1月为4天,2月为7天,最低温度为零下0.7 ℃。而洞窟内岩体表层及地仗层温度高于空气温度[28],所以第147窟内基本没有形成冻融的温度条件。
3.3 相对湿度
3.3.1 洞窟内外相对湿度差异
相对湿度受降水和温度综合影响,温度升高,相对湿度减小,降水增多,相对湿度增大。此外,洞窟内还受围岩水汽蒸发的影响[35],因此,相对湿度变化过程较为复杂。
由图7所示,洞窟内外相对湿度年度变化趋势一致,整体受降水影响较大,5—10月洞窟内外相对湿度整体高于11月至翌年4月,降水越多相对湿度越大。2022年8月降水量相比2021年8月增加了一倍,平均相对湿度2022年8月为69%,2021年8月为53%。
洞窟内外相对湿度每月变化存在不同,8—10月温度逐渐降低过程中,大气降水虽然也在减少,但仍有水汽补给,窟外相对湿度增大,窟内则逐步减小,说明温度的降低导致窟内围岩蒸发的水汽减少,相对湿度减小。8—9月窟内相对湿度高于窟外,10月则低于窟外,说明在20 ℃左右,还存在明显的围岩水汽蒸发现象,温度持续降低后,水汽蒸发逐步减缓。11月至翌年2月,大气降水基本没有补给,大气绝对湿度较小,温度的降低难以增大相对湿度,窟内外相对湿度保持平稳,由于窟内温度较高,所以相对湿度低于窟外。2—4月随着温度回暖,窟外相对湿度再次下降,而洞窟内相对湿度没有较大变化。5—8月随着降雨增多,洞窟内外相对湿度整体增大,洞窟内则受温度较窟外低、围岩水汽蒸发等因素影响,相对湿度高于窟外。
如图8所示,相对湿度标准方差反映出洞窟内外相对湿度波动趋势整体保持一致,只是窟内波动幅度较小,而较强的波动发生在4—8月,2022年8月波动急剧减小,是由于降雨量大,相对湿度一直维持在较高水平所致。
图7 降水量与第147窟各监测点月相对湿度统计箱线图Fig.7 Rainfall and box-plot of monthlyhumidity in each monitoring site of cave 147
图8 第147窟各监测点月相对湿度标准方差Fig.8 Standard deviation of monthly humidity in each monitoring site of cave 147
3.3.2 洞窟内空间相对湿度差异
纵深方向,洞窟后部空间相对湿度在3—10月高于前部空间,11月至翌年2月低于前部空间。垂直方向,上部空间相对湿度较中下部低;中部空间相对湿度在10月至翌年3月高于地面,4—9月则相反。垂直方向各点相对湿度与温度均互为负相关,说明温度是导致窟内相对湿度差异的主要因素。
从波动幅度看,纵深方向上,后部空间在相对湿度较高的雨季波动较大;垂直方向上,在雨季窟内位置越高,波动越大,旱季上部和下部空间较中部波动较小,可能是由于围岩缓冲的作用。这与温度较差规律相反,说明温度起到主导作用。
壁画保存的高风险湿度区间为60%～65%[36],以第147窟内上部(Wt)监测数据为例进行统计分析。结果显示,监测时段内,相对湿度高于60%的天数为178天,主要集中在5—10月。其中2022年8月相对湿度全月高于60%,平均为84.4%,而2022年8月整窟的风化产物总量占风化总量的51%,表明持续高湿环境引起较严重的风化病害。而洞窟下部和后部高湿天数更长,风化较严重。
3.4 可溶盐分析
相对湿度变化引起的风化中,可溶盐溶解结晶破坏是较为普遍和难治理的病害,其中,Na2SO4和NaCl是石窟寺盐类病害的主要盐分。提取第147窟风化较为严重的西壁不同位置岩体表面盐分,进行实验室可溶盐分析,主要盐分含量见表1。
结果显示,西壁整体可溶盐含量北侧较高,为2.8%,南侧较低,为0.8%左右。结合风化产物质量在洞窟内的分布来看,7至12号监测点位于洞窟北侧,其风化产物质量大于1至6号监测点的南壁,这与洞窟内可溶盐含量的分布相一致,表明存在可溶盐因温湿度变化而引起的风化病害。
表1 第147窟西壁不同位置可溶盐离子含量Tab.1 Analysis of soluble salt at different positions of the west wall in cave 147 单位:%
炳灵寺第147窟中易溶盐含量低于0.1%。相比莫高窟发生盐害地仗中易溶盐含量高达1.02%～2.11%,围岩中易溶盐含量为0.41%～2.46%[20]。而147窟中主要的盐类属于中溶盐的CaSO4,其中,西壁北侧含量较高,在0.6%左右。CaSO4虽然不常见于石窟寺的盐类病害中,但在部分石窟寺中还是存在因其引起的病害[37]。CaSO4吸水条件下变成CaSO4·2H2O,体积可增大31%,矿物水化膨胀可产生0.15 MPa压力,对于颗粒间联结力较弱的岩体脆弱部位,极易把岩石胀裂,形成片状剥落或粉末状脱落[38]。莫高窟内发生盐害的洞壁围岩中,CaSO4·2H2O含量为0.42%～2.27%,与未发生盐害的洞窟围岩相比,中溶盐含量偏高。这说明在盐害发生过程中,中溶盐也发生了一定程度的迁移和表面聚集[20]。可溶盐分析说明,第147窟岩体内存在可溶盐,尤其是CaSO4·2H2O,具备在环境的干湿循环中引起风化病害的条件。
水分运移是可溶盐破坏的必要条件,第147窟中水分主要来源于空气中水汽补给及围岩蒸发,而洞窟内温湿度一方面直接影响围岩蒸发[39],一方面也是围岩蒸发和空气水汽补给作用的表征,与洞窟风化病害具有相关性。对第147窟围岩中水分运移与空气中水汽补给运行机制,需更进一步研究。
1) 第147窟主要风化时间段为5—11月,风化产物质量占监测时段总量的98.7%,其中,7—8月风化最严重,占监测时段总量的73.4%;主要风化区域在洞窟后部,风化产物质量占监测点风化产物总量的92.3%。
2) 窟内温湿度主要受窟外大气环境影响,而洞窟围岩的缓冲作用,使窟内与窟外、窟内不同区域之间温湿度具有差异。窟内温度秋冬季高于窟外,春夏季则低于窟外,窟内外平均温度相差3.7 ℃。窟内温度整体波动幅度较窟外小,年温差为20.6 ℃,月温差春秋季较大,平均为1.6 ℃,夏冬季较小,平均为0.6 ℃。
3) 纵深方向,后部空间春夏季低于前部,秋冬季相反,除冬季外,后部空间温差大于前部。垂直方向,越往上部温度越高,上部温差在春夏季高于中下部,秋冬季相反。
4) 窟内外相对湿度直接受降雨影响,11月至翌年4月保持在低位,且较为平稳,最高相对湿度基本低于60%,窟内平均为37.9%;5—10月相对湿度因降雨增大而增大,且波动幅度也增大,窟内相对湿度整体高于窟外,平均为65.7%。
5) 窟内不同区域相对湿度与温度呈负相关,5—10月窟内湿度较大,温度影响较为明显。后部空间相对湿度整体高于前部空间,上部空间相对湿度低于中下部;而相对湿度波动表现出越靠近洞窟后部、上部波动幅度越大,这一特征与风化产物具有空间上的对应关系。以窟内上部监测数据为例,统计监测时段相对湿度高于60%的天数为178天,可溶盐分析结果第147窟岩体主要盐分为CaSO4,表明洞窟内具备在此高湿环境下,因温湿度变化引起的风化破坏条件。
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