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      九原崗輔國(guó)將軍墓壁畫表面結(jié)殼的形成與清除研究

      2016-03-18 03:57:23李碧薇劉晚香黃繼忠龔德才
      文物季刊 2016年1期
      關(guān)鍵詞:結(jié)殼偏光方解石

      □ 李碧薇 劉晚香 黃繼忠 龔德才

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      九原崗輔國(guó)將軍墓壁畫表面結(jié)殼的形成與清除研究

      □李碧薇劉晚香黃繼忠龔德才

      摘要:山西忻州出土的九原崗輔國(guó)將軍墓的壁畫表面存在大量的結(jié)殼,覆蓋了壁畫表面的圖案,嚴(yán)重影響了壁畫的歷史價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值。本文采用XRF、XRD及偏光顯微鏡對(duì)壁畫結(jié)殼進(jìn)行了分析,分析結(jié)果表明,結(jié)殼為夾雜粘土的鈣質(zhì)沉積,結(jié)殼內(nèi)部存在明顯的分層現(xiàn)象。根據(jù)分析結(jié)果,對(duì)結(jié)殼的形成機(jī)理及形成過程進(jìn)行了解釋。在結(jié)殼的成分及形成機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,提出對(duì)結(jié)殼采取化學(xué)法與機(jī)械法相結(jié)合的清除方法。

      關(guān)鍵詞:壁畫結(jié)殼形成機(jī)理清除研究

      一、引言

      2014年發(fā)掘的明朝輔國(guó)將軍墓位于山西省忻州市忻府區(qū)蘭村鄉(xiāng)下社村東北方1公里處,屬于九原崗墓群二期發(fā)掘項(xiàng)目,墓葬編號(hào)為M2。九原崗輔國(guó)將軍墓為拱頂石券結(jié)構(gòu),外部包磚,墓葬由墓道、甬道、墓室三部分組成。墓道位于墓室南部正中央,呈平面長(zhǎng)方形,斜壁,斜坡;墓道上口長(zhǎng)18.8、寬1.9、深0.3~7.66米。甬道長(zhǎng)1.22、寬0.94、高1.44米。墓門高1.28、寬0.92、厚0.15米。墓室平面為長(zhǎng)方形,長(zhǎng)1.34、寬2.84、高1.84米。

      出土?xí)r墓室被污土填滿,只在頂部留有約20厘米的空間。將墓室內(nèi)的污土清理后,在墓室內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)壁畫,壁畫表面附著較厚的粘土,幾乎看不到畫面。

      圖一 壁畫經(jīng)初步清理后的情況

      圖二 墓室頂部壁畫表面結(jié)殼

      對(duì)壁畫表面附著的粘土進(jìn)行初步的清理后,發(fā)現(xiàn)壁畫表面被結(jié)殼覆蓋(圖一、圖二),導(dǎo)致圖案辨識(shí)困難,嚴(yán)重影響了壁畫的保存和壁畫的歷史價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值。經(jīng)分析,壁畫由三部分組成:支撐體、石灰層和繪畫層。壁畫的支撐體為石條壘砌的墻體,其上涂抹了厚薄不一的石灰層(0.1~0.5厘米),石灰層之上為繪畫層。而結(jié)殼處于繪畫層之上,并且與壁畫結(jié)合十分牢固。

      本文以墓葬壁畫頂部及底部不同形態(tài)的結(jié)殼為研究對(duì)象,運(yùn)用科學(xué)的分析手段對(duì)結(jié)殼的主要成分及各成分的分布特點(diǎn)進(jìn)行分析,以獲得結(jié)殼成分及各成分的分布信息;同時(shí),對(duì)結(jié)殼的形成機(jī)理及形成過程進(jìn)行解釋。在結(jié)殼成分分析及形成機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,提出了適合九原崗輔國(guó)將軍墓壁畫結(jié)殼的清除方法,以便延長(zhǎng)壁畫的保存時(shí)間,還原壁畫的歷史價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值。

      二、樣品及方法

      1.樣品

      本文所用樣品為位于墓室頂部的粒狀結(jié)殼和位于墓室門口下端的片狀結(jié)殼。

      粒狀結(jié)殼:質(zhì)地堅(jiān)硬,為黃色,呈乳釘狀。

      片狀結(jié)殼:質(zhì)地堅(jiān)硬,為黃色,呈片狀,表面有不規(guī)則狀突起。

      2.實(shí)驗(yàn)儀器及分析

      (1)X射線熒光(XRF)分析

      實(shí)驗(yàn)儀器:X射線熒光光譜儀,型號(hào):XRF-1800

      將樣品研磨成粉后,通過X射線熒光光譜儀對(duì)樣品的元素進(jìn)行半定量分析,從而判斷出樣品中的主要元素。

      (2)X射線衍射(XRD)分析

      實(shí)驗(yàn)儀器:樣品水平型大功率X射線粉末衍射儀,型號(hào):TTR-III

      將樣品研磨成粉后,通過X射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行分析,得到樣品的物相成分。衍射角掃描范圍為10°到70°。

      (3)偏光顯微鏡分析

      實(shí)驗(yàn)儀器:偏光顯微鏡,型號(hào):Axio Scope.A1

      樣品經(jīng)包埋后,垂直于結(jié)殼表面打磨制片。通過偏光顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行觀察,得到樣品各物質(zhì)的分布情況。

      三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      表一 X射線熒光分析結(jié)果

      圖三 粒狀結(jié)殼的X射線衍射圖

      圖四 片狀結(jié)殼的X射線衍射圖

      1. XRF分析結(jié)果

      2. XRD分析結(jié)果

      運(yùn)用MDI Jade軟件對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖三、四所示。從XRD分析結(jié)果可以看出,兩個(gè)結(jié)殼樣品主要含方解石和石英。

      XRF分析結(jié)果顯示,結(jié)殼中除了Si、Ca元素,還含Al、Fe等元素,而XRD中沒有明顯的其他礦物的峰,應(yīng)是其他礦物含量過低導(dǎo)致的。結(jié)合XRF 與XRD結(jié)果,說明兩個(gè)結(jié)殼樣品是夾雜粘土的鈣質(zhì)沉積[1]。

      3.偏光顯微鏡分析結(jié)果

      通過偏光顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)樣品中含有石英、方解石及粘土礦物,方解石作為膠結(jié)物將石英及粘土礦物膠結(jié)在一起。此外,樣品還有明顯的分層現(xiàn)象。通過不同放大倍數(shù)對(duì)樣品進(jìn)行觀察,樣品存在以下情況。

      圖六A處,晶體在正交偏光下呈高級(jí)白干涉色,結(jié)合XRF及XRD分析結(jié)果,說明此處為結(jié)晶比較好、雜質(zhì)含量少的方解石[2];圖五Ⅰ處所在層即由比較純凈的方解石組成的。這一層為粒狀結(jié)殼上緊貼壁畫面,判斷此處的方解石層為壁畫的石灰與水和二氧化碳反應(yīng)后形成的碳酸鈣層。

      圖五 粒狀結(jié)殼正交偏光照片(×50)

      圖六 粒狀結(jié)殼正交偏光照片(×100)

      圖七 粒狀結(jié)殼正交偏光照片(×200)

      圖八 片狀結(jié)殼正交偏光照片(×50)

      圖九 片狀結(jié)殼正交偏光照片(×100)

      圖一○ 片狀結(jié)殼正交偏光照片(×100)

      圖六B黃褐色處,為結(jié)晶比較差、結(jié)晶顆粒比較細(xì)、含粘土質(zhì)較多的方解石;圖五Ⅱ處所在層即由含粘土質(zhì)的方解石組成。

      圖七中無色透明、表面光滑的顆粒為石英[3],多數(shù)呈棱角狀,黃褐色部分為含粘土質(zhì)的方解石;從圖七中可以清晰地看到,石英顆粒被含粘土質(zhì)的方解石膠結(jié);如圖五Ⅲ處即為石英層。

      根據(jù)石英顆粒的有無及多寡,可對(duì)粒狀結(jié)殼進(jìn)行分層。結(jié)殼內(nèi)側(cè)純凈的方解石為壁畫上的石灰,不是結(jié)殼上的物質(zhì);而結(jié)殼存在方解石層—石英層交替出現(xiàn)的現(xiàn)象。

      此外,在圖五中可以看到,結(jié)殼中存在孔隙。

      通過偏光顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)樣品中含有石英、方解石及粘土礦物,方解石作為膠結(jié)物將不同粒徑大小的石英及粘土礦物膠結(jié)在一起。此外,樣品還有明顯的分層現(xiàn)象。通過不同放大倍數(shù)對(duì)樣品進(jìn)行觀察,樣品存在以下情況。

      圖九A黃褐色處,為結(jié)晶比較差、結(jié)晶顆粒比較細(xì)、含粘土質(zhì)較多的方解石;圖八Ⅲ處所在層即由含粘土質(zhì)的方解石組成。

      圖九中無色透明、表面光滑的顆粒為石英[4],多數(shù)呈棱角狀,黃褐色顆粒為含粘土質(zhì)的方解石;從圖九中可以清晰地看到,石英顆粒被含粘土質(zhì)的方解石膠結(jié)。圖八Ⅱ處即為石英層,并且片狀樣品中有三層石英層。

      圖一○A處,晶體在正交偏光下呈高級(jí)白干涉色,結(jié)合XRF及XRD分析結(jié)果,說明此處為結(jié)晶比較好的、雜質(zhì)含量少的方解石[5];圖八Ⅰ處所在層即為比較純凈的方解石組成的。這種比較純凈的方解石分布在結(jié)殼表面,判斷這種方解石為化學(xué)搬運(yùn)形成的。

      根據(jù)石英顆粒的有無及多寡,對(duì)片狀結(jié)殼進(jìn)行分層。結(jié)殼存在方解石層—石英層交替出現(xiàn)的現(xiàn)象;并且,不同石英層中石英顆粒的粒徑大小有所差異。另外,結(jié)殼表面為較純凈的方解石。

      四、結(jié)殼形成機(jī)理探討

      由分析結(jié)果顯示,此結(jié)殼為夾雜粘土的鈣質(zhì)沉積;鏡下觀察到方解石作為膠結(jié)物廣泛地分布在整個(gè)結(jié)殼中,另外,結(jié)殼還存在分層現(xiàn)象。

      通過對(duì)結(jié)殼的主要成分以及各層的排列情況進(jìn)行分析后,筆者認(rèn)為,結(jié)殼的形成主要受到水及碳酸鈣的影響。山西忻州地處黃土高原,黃土高原富含碳酸鹽[6]。在水和二氧化碳的存在下,碳酸鈣與之反應(yīng)生成碳酸氫鈣,并溶解在水中。隨著水的蒸發(fā)和二氧化碳量的減少,導(dǎo)致碳酸鈣析出。析出的碳酸鈣作為膠結(jié)物將水中混有的石英、粘土礦物等半膠結(jié)在一起,并在壁畫表面沉積下來。另外,壁畫表面的石灰也會(huì)與水及環(huán)境中的二氧化碳反應(yīng),生成碳酸鈣,生成的碳酸鈣將壁畫表面的石灰與結(jié)殼粘結(jié)起來,導(dǎo)致結(jié)殼牢固地粘結(jié)在壁畫表面,不易清除。輔國(guó)將軍墓的墓頂距地面約5.5米,需洪水或長(zhǎng)期降雨等因素才能使水持續(xù)地滲透到墓葬中。洪水等災(zāi)害發(fā)生后,水將土壤中的碳酸鈣等物質(zhì)逐漸地、不斷搬運(yùn)至壁畫表面,待水蒸發(fā)后,水中混有的物質(zhì)在壁畫表面沉積;經(jīng)過多次洪水或長(zhǎng)期降雨,墓葬壁畫上便形成了大量不規(guī)則的、具有分層現(xiàn)象的結(jié)殼,最終影響了輔國(guó)將軍墓壁畫的保存。

      根據(jù)分析結(jié)果,對(duì)粒狀結(jié)殼及片狀結(jié)殼的形成過程進(jìn)行推測(cè)。

      墓葬頂部滲水時(shí),水滲透到壁畫表面形成水滴,當(dāng)水蒸發(fā)后形成乳釘狀鈣質(zhì)沉積核;隨著沉積物的不斷沉積,最終形成了乳釘狀粒狀結(jié)殼。當(dāng)水沿著壁畫側(cè)壁緩慢流下時(shí),由于壁畫表面粗糙,有一部分水會(huì)留在壁畫表面,水分蒸發(fā)后,便在壁畫側(cè)壁形成了片狀鈣質(zhì)沉積核;隨著沉積物的不斷沉積,最終形成了片狀結(jié)殼。水逐漸蒸發(fā)時(shí),水表面的方解石容易析出,在沉積核表面便形成含石英顆粒較少的方解石層,而沉積內(nèi)部則形成含石英顆粒較多的石英層。當(dāng)墓葬再次滲水后,在沉積核的表面形成新的沉積,如此往復(fù),形成具有分層現(xiàn)象的結(jié)殼。

      圖一一 粒狀結(jié)殼形成圖

      圖一二 片狀結(jié)殼形成圖

      兩種結(jié)殼形成過程分別如圖一一和圖一二所示。

      另外,本次檢測(cè)的片狀樣品有較為明顯的三層石英層,說明在將軍墓存續(xù)的時(shí)間段內(nèi),墓葬至少受到三次洪水或長(zhǎng)期降雨的影響,導(dǎo)致墓葬長(zhǎng)期緩慢滲水。明萬(wàn)歷年間至1980年,這300多年里,忻州地區(qū)的洪澇災(zāi)害近10次[7],其中特大洪澇災(zāi)害有三次[8]。墓葬很有可能受到了這些洪澇災(zāi)害的影響,最終在壁畫表面形成大量具有分層現(xiàn)象的結(jié)殼。

      五、結(jié)殼清除建議

      對(duì)壁畫表面的結(jié)殼污染物進(jìn)行清除時(shí),應(yīng)遵守“最小干預(yù)”和“保持現(xiàn)狀”的原則,在清除污染物的同時(shí)不能引入新的或潛在的文物病害。

      通過對(duì)壁畫表面的粒狀和片狀結(jié)殼進(jìn)行元素分析及物相分析可知,結(jié)殼為含有粘土的鈣質(zhì)沉積。結(jié)殼內(nèi)部廣泛分布著碳酸鈣,并與壁畫表面結(jié)合十分牢固,使堅(jiān)硬的結(jié)殼粘結(jié)在壁畫表面。同時(shí)壁畫的石灰層疏松,強(qiáng)度差,給結(jié)殼的清除工作帶來困難。

      結(jié)殼中的碳酸鈣作為膠結(jié)物將結(jié)殼與壁畫膠結(jié)在一起,同時(shí),由于結(jié)殼形成時(shí)受到各種因素的影響,使結(jié)殼的層與層之間產(chǎn)生了一些孔隙。因?yàn)檫@些孔隙的存在,所以可以采用機(jī)械法對(duì)結(jié)殼進(jìn)行清除。

      李文怡等[9]曾提出,在清洗壁畫表面的泥污時(shí)先選用合適的試劑對(duì)其進(jìn)行軟化,之后用刀將軟化后的泥污刮除。而選用恰當(dāng)?shù)那逑磩┦欠浅V匾?。早期就有人研究了以前用在壁畫和石質(zhì)文物表面的清洗劑,提出應(yīng)避免使用強(qiáng)腐蝕性試劑,強(qiáng)腐蝕性試劑不僅會(huì)使壁畫表面彩繪層受到嚴(yán)重腐蝕,還會(huì)在文物表面形成坑洞溶蝕,甚至坍塌[10] [11]。

      由于地仗層的強(qiáng)度不高且為石灰材料,在清除比較薄的結(jié)殼時(shí),應(yīng)避免使用酸性試劑,防止酸性的清洗劑與石灰發(fā)生反應(yīng),損傷石灰層。清除比較薄的結(jié)殼時(shí),可采用機(jī)械法,用刀小心地將結(jié)殼剔除干凈;但因機(jī)械法會(huì)對(duì)壁畫表面產(chǎn)生物理?yè)p傷,需仔細(xì)操作[12]。在清除較厚的結(jié)殼時(shí),可以先采用弱酸性具有揮發(fā)性的清洗劑去除結(jié)殼內(nèi)部作為膠結(jié)物的碳酸鈣,使結(jié)殼松散,之后用蒸餾水對(duì)結(jié)殼進(jìn)行貼敷軟化,將可能殘留在結(jié)殼表面的酸去掉,防止含酸的清洗劑對(duì)壁畫產(chǎn)生污染;之后用刀小心地將結(jié)殼剔除干凈。

      六、結(jié)論

      通過對(duì)九原崗輔國(guó)將軍墓壁畫表面的粒狀結(jié)殼和片狀結(jié)殼進(jìn)行元素分析、物相分析及偏光顯微鏡分析后,得到以下結(jié)論:

      1.黃色結(jié)殼主要含Si、Ca元素,主要物質(zhì)為石英和方解石。此墓葬地處黃土高原,歷史上經(jīng)歷了多次洪澇災(zāi)害,結(jié)殼中的元素及成分應(yīng)與當(dāng)?shù)氐耐临|(zhì)和水的活動(dòng)有關(guān)。

      2.鏡下觀察到,方解石作為膠結(jié)物廣泛分布在結(jié)殼中;結(jié)殼內(nèi)石英顆粒的分布范圍及粒徑大小有所差異,可能是水的活動(dòng)形態(tài)及水流動(dòng)速度不同造成的。結(jié)殼內(nèi)可見孔隙,說明結(jié)殼內(nèi)部沒有完全連接緊密。

      3.結(jié)殼的形成是由于墓葬長(zhǎng)期緩慢滲水所致。本次檢測(cè)的片狀樣品有較為明顯的三層石英層,說明在將軍墓存續(xù)的時(shí)間段內(nèi),墓葬至少受到三次洪水或長(zhǎng)期降雨的影響。明萬(wàn)歷年間至1980年,忻州地區(qū)的洪澇災(zāi)害近10次。墓葬很有可能受到了這些洪澇災(zāi)害的影響,發(fā)生了長(zhǎng)期緩慢滲水過程,最終在壁畫表面形成大量具有分層現(xiàn)象的結(jié)殼。

      4.結(jié)殼中碳酸鈣分布廣泛,碳酸鈣的廣泛分布導(dǎo)致結(jié)殼堅(jiān)硬、不易清除。結(jié)殼內(nèi)可見孔隙,說明結(jié)殼內(nèi)部沒有連接緊密,說明可以采用機(jī)械法清除結(jié)殼。對(duì)于壁畫表面的結(jié)殼污染物的清除,應(yīng)本著“最小干預(yù)”和“保持現(xiàn)狀”的原則進(jìn)行,同時(shí)在清除過程中要避免新的污染物的引入。根據(jù)結(jié)殼的特點(diǎn)可以采用化學(xué)法和機(jī)械法相結(jié)合的方式對(duì)結(jié)殼污染物進(jìn)行清除。

      ————————

      [1][12]牟煒《對(duì)兩件石質(zhì)文物的表面清洗》,《碑林集刊》2009年,425~428頁(yè)。

      [2][5]林瑞超《礦物藥檢測(cè)技術(shù)與質(zhì)量控制》,北京:科學(xué)出版社,2013年,434頁(yè)。

      [3][4]王德滋、謝磊《光性礦物學(xué)(第三版)》,北京:科學(xué)出版社,2008年,55頁(yè)。

      [6]汪習(xí)軍《黃河水土保持生態(tài)工程建設(shè)管理》,鄭州:黃河水利出版社,2002年,245~246頁(yè)。

      [7]山西省忻州市地方志編纂委員會(huì)《忻縣志》,北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,1993年,5~46頁(yè)。

      [8]山西省史志研究院《山西通志》第10卷,《水利志》,北京:中華書局,1999年,108~130頁(yè)。

      [9]李文怡、張群喜、羅黎等《壁畫的表面清洗》,《文物保護(hù)與修復(fù)紀(jì)——第八屆全國(guó)考古與文物保護(hù)(化學(xué))學(xué)術(shù)會(huì)議論文集》,2004年,282~287頁(yè)。

      [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.

      (作者工作單位:李碧薇,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技史與科技考古系;劉晚香,太原市文物考古研究所;黃繼忠,山西省文物局;龔德才,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技史與科技考古系)

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