炳靈寺石窟第147窟風化病害與氣象環(huán)境特征

劉宗昌,武發(fā)思,孫淑梅,賀東鵬,陳 章,李 隆

(1.敦煌研究院 炳靈寺文物保護研究所,甘肅 永靖 731600;2.敦煌研究院 國家古代壁畫與土遺址保護工程技術(shù)研究中心,甘肅 敦煌 736200;3.甘肅省敦煌文物保護研究中心,甘肅 敦煌 736200;4.甘肅莫高窟文化遺產(chǎn)保護設計咨詢有限公司,甘肅 敦煌 736200)

風化病害是石窟寺普遍存在的病害類型之一,其產(chǎn)生有自身因素,但主要是環(huán)境誘發(fā)作用產(chǎn)生的破壞[1],其中溫度和濕度是2個最基本的因素[2]?，F(xiàn)有對石窟寺及其巖體的風化機理研究表明,溫濕度變化引起的風化作用方式,包括巖體熱脹冷縮應力破壞[3-6]、凍融[7-9]、巖石膠結(jié)物水解溶蝕[10-12]、可溶鹽溶解結(jié)晶破壞[13-20]、微生物繁殖[21-23]等,研究從最初的對單一環(huán)境因素模擬實驗,發(fā)展到用多場耦合實驗條件模擬和揭示病害產(chǎn)生和破壞機理[24]。而對洞窟環(huán)境特征的相關研究,從整體上揭示了病害產(chǎn)生發(fā)展的規(guī)律和條件,成為病害機理研究、預防性保護和開放管理的指導依據(jù)[25-28]。

炳靈寺石窟風化相關研究自20世紀90年代開始,李最雄對炳靈寺石窟巖體特性研究表明,由于膠結(jié)泥質(zhì)中較高的蒙脫石含量,更容易產(chǎn)生風化[29-30];張明泉等研究了環(huán)境地質(zhì)導致的石窟風化,并提出治理方案[31];王亨通初次從溫差變化角度解釋了風化的外因[32];而筆者前期探究了洞窟內(nèi)外溫濕度特征,表明洞窟有明顯的緩沖效應[33],并初步分析了游客對洞窟微環(huán)境的影響[34]。截至目前,尚不清楚環(huán)境因素與炳靈寺石窟風化的關聯(lián),開展第147窟風化病害與石窟賦存環(huán)境之間的關系研究,對于揭示風化成因和實施預防性保護具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

炳靈寺石窟位于甘肅省永靖縣城西南52 km的小積石山中,是第一批全國重點文物保護單位,2014年以“絲綢之路:長安-天廊道的路網(wǎng)”遺產(chǎn)點之一,列入世界文化遺產(chǎn)名錄。

第147窟位于炳靈寺石窟下寺區(qū)中上部(見圖1a),坐西向東,距現(xiàn)在地面11 m,窟高3.70 m,寬5.80 m,深5.75 m,唐代開窟造像,明代重繪壁畫。平面呈馬蹄形,平頂,低臺基上雕鑿一鋪七身造像(見圖1b)。清末戰(zhàn)亂期間,洞窟內(nèi)發(fā)生過爆炸,造像殘損嚴重,壁畫整體煙熏嚴重。第147窟作為炳靈寺石窟現(xiàn)存最大的人工開鑿洞窟,洞窟形制及造像風格都反應出盛唐佛教藝術(shù)風格,與莫高窟第45窟等盛唐時期洞窟十分相似?？邇?nèi)壁畫屬藏傳佛教題材,窟頂保存有炳靈寺石窟唯一一幅最大的喜金剛雙修曼荼羅壁畫,具有十分重要的藝術(shù)價值。

第147窟當前不對外開放,安裝有帶紗窗窟門,常年保持關閉。洞窟位于石窟中上層,不受底層泥沙淤積帶來的毛細水影響,窟內(nèi)無滲水,相對保存環(huán)境較好。但窟內(nèi)巖體及壁畫整體風化嚴重,主要表現(xiàn)為壁畫酥堿、起甲,巖體粉末狀和片狀風化脫落,以洞窟西壁最為嚴重,且表現(xiàn)出越靠近后部空間,病害越嚴重的現(xiàn)象。

2 材料、方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 材料與方法

2.1.1 風化產(chǎn)物監(jiān)測

在第147窟內(nèi)網(wǎng)格化布置12個風化產(chǎn)物監(jiān)測點(見圖1c),以0.25 m×0.18 m方盤承接,每月底收集一次,烘干稱重。稱重設備為上海卓精BSM-200.4型高精度電子天平。

2.1.2 環(huán)境要素監(jiān)測

在第147窟內(nèi)不同進深和不同高度布置5個監(jiān)測點位(見圖1c),分別為窟外北側(cè)崖面處空氣溫濕度(Out)、窟內(nèi)東壁南側(cè)地面溫濕度(Eb)、窟內(nèi)西壁南側(cè)地面溫濕度(Wb)、窟內(nèi)西壁南側(cè)中部空氣溫濕度(Wm)、窟內(nèi)西壁南側(cè)頂部空氣溫濕度(Wt)。監(jiān)測設備為HOBO?U23-001型溫濕度監(jiān)測儀,數(shù)據(jù)收集頻次為5 min/次。

2.1.3 可溶鹽分析

對第147窟內(nèi)風化巖體表面取樣以進行實驗室可溶鹽分析,取樣位置分別為西壁北側(cè)酥堿巖體、西壁南角表層巖體、西壁佛臺北側(cè)表層巖體、西壁佛臺南側(cè)表層巖體(見圖1c)。分析步驟為,在實驗室將烘干的土樣或巖石樣品浸泡于去離子水中,嚴格控制水土比為5∶1,放在超聲振蕩器上振蕩30 min,采用注射針頭過濾器(孔徑0.45 μm)過濾上部清液,利用戴安ICS-90睿智型離子色譜儀對清液進行分析。

(a)第147窟位置(白色方框);(b)平剖面圖;(c)監(jiān)測點位示意圖圖1 第147窟位置、窟型及監(jiān)測點示意圖Fig.1 Location of cave 147 and the monitoring sites

2.2 數(shù)據(jù)處理

本研究時段自2021年8月1日至2022年8月31日。主要用origin2021軟件,對溫濕度數(shù)據(jù)進行箱線圖、標準方差圖對比分析,研究洞窟內(nèi)不同位置環(huán)境要素差異、洞窟風化在時間和空間分布特征,結(jié)合可溶鹽分析結(jié)果,以探究環(huán)境因素變化與洞窟風化之間關聯(lián)。

3 結(jié)果與分析

3.1 風化產(chǎn)物質(zhì)量

風化產(chǎn)物成分主要為壁畫顏料、泥層、巖石顆粒、浮塵等混合物。顯微鏡觀察,具有明顯特征(見圖2)。浮塵主要在洞窟前部飄落,如1號、12號等監(jiān)測點位,月質(zhì)量小于0.001 g,可視為對最終結(jié)果無影響。除2022年4月份的風化掉落產(chǎn)物監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失,其余各月份12個監(jiān)測點位的風化產(chǎn)物質(zhì)量如圖3所示,可以看出,第147窟不同區(qū)域差異化的風化情況。其中,“總量/點位”為每個監(jiān)測點位監(jiān)測時段內(nèi)風化產(chǎn)物總質(zhì)量,反映風化空間特征;“總量/月”為每個月所有監(jiān)測點位風化產(chǎn)物總重量,反映風化時間特征。

監(jiān)測時段內(nèi),風化掉落產(chǎn)物總質(zhì)量為6.25 g。從空間分布看,第147窟內(nèi)各監(jiān)測點在監(jiān)測時段內(nèi)都有風化產(chǎn)物掉落,其中3號、9號點風化較為明顯。9號點風化產(chǎn)物總質(zhì)量為3.33 g,占洞窟整體風化產(chǎn)物質(zhì)量的53.3%;3號點為0.919 g,占15%;2、4、5、7、10號各點次之,監(jiān)測時段內(nèi)風化產(chǎn)物質(zhì)量都在0.5g以下;1、6、8、11、12各點位較小,都在0.1 g以下?？梢?洞窟后部是風化的主要區(qū)域,風化質(zhì)量為5.77 g,占全部區(qū)域總量的92.3%。從時間角度看,5—11月是洞窟內(nèi)巖體及壁畫風化的主要時間段,風化產(chǎn)物總量為6.17 g,占監(jiān)測時段內(nèi)的98.7%,其中7—8月風化最嚴重,產(chǎn)物總量為4.59 g,占比73.4%。

圖2 風化產(chǎn)物顯微鏡下形態(tài)(60x)Fig.2 Microscopic morphology of the weathering products(60x)

圖3 第147窟風化產(chǎn)物重量統(tǒng)計Fig.3 Statistic of the weathering products weight of cave 147

整體來看,第147窟風化部位主要集中在洞窟后部,風化時段主要在雨季。排除第147窟未受其他特定因素影響的風化?？梢园l(fā)現(xiàn),這種風化規(guī)律與洞窟溫度和濕度有較大關聯(lián)[19]。炳靈寺石窟地區(qū)4—10月為雨季,7—8月降雨最多,相對濕度高,而溫度也最高(見圖4),窟內(nèi)溫濕度直接受窟外環(huán)境因素影響,可見研究洞窟內(nèi)外環(huán)境因素關系,是研究第147窟環(huán)境特征形成及病害分布的重要內(nèi)容。

圖4 炳靈寺石窟2009—2022年氣象數(shù)據(jù)平均值Fig.4 Average value of the meteorological data from 2009 to 2022 in Bingling Temple Grottoes

3.2 溫度

3.2.1 洞窟內(nèi)外溫度差異

如圖5所示,窟外溫度較窟內(nèi)溫度波動大,在溫度隨季節(jié)變化的過程中,10月至翌年2月窟外平均溫度低于窟內(nèi),3月至9月窟外平均溫度較窟內(nèi)高。窟外年度溫差為40.3 ℃,而窟內(nèi)4個空氣溫度監(jiān)測點年度溫差平均值為20.6 ℃,每月窟內(nèi)外溫差絕對值平均為3.7 ℃,這表明洞窟空間對氣象環(huán)境變化有一定的緩沖調(diào)節(jié)作用。

如圖6所示,窟外月溫度標準方差整體高于窟內(nèi)各點,溫差的變化在年度時間軸上洞窟內(nèi)外具有不同趨勢?？咄獗憩F(xiàn)為從8月至翌年1月隨著溫度降低,溫差也減小,1月達到最小,月溫差11 ℃左右,1—5月隨著溫度上升,溫差急劇增大,3—5月達到最大,月溫差22 ℃左右,在夏季高溫時段的6—8月,SD值又開始下降?？邇?nèi)則為從8月至翌年1月隨著溫度降低,溫差先增大后降低,秋末的10—11月達到一年溫差的最大值,各點平均溫差為7.3 ℃,1月達到最小值,平均溫差為3.7 ℃,1—6月溫度回升過程中,溫差也增大,3月再次形成高峰,隨后略有降低,直至7月份溫差再次達到最小。

整體看,第147窟內(nèi)外空氣溫度差異表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性。窟內(nèi)溫度受圍巖緩沖作用,降溫的秋冬季高于窟外,升溫的春夏季低于窟外,整體波動較小;溫差窟外冬季最小,春季最大,窟內(nèi)則是春秋季最大,夏冬季最小。

圖5 第147窟各監(jiān)測點月溫度統(tǒng)計箱線圖Fig.5 Box-plot of month temperature in each monitoring site of cave 147

圖6 第147窟各監(jiān)測點月溫度標準方差圖Fig.6 Standard deviation of monthly temperature in each monitoring site of cave 147

3.2.2 洞窟內(nèi)空間溫度差異

從洞窟縱深方向看,在10月至翌年3月,靠近窟門的前部溫度較洞窟后部溫度低,4—9月則相反;12月至翌年3月前部溫差小于后部,4—11月則相反。

從垂直方向看,洞窟上部空間平均溫度高于中下部,10月至翌年2月期間洞窟地面溫度高于中部,其余月份相反;洞窟上部空間溫差在11月至翌年2月小于中部及地面,3—10月則相反,說明洞窟垂直方向,隨著氣溫升高,洞窟地面至頂部溫差逐步增大,氣溫降低的過程則相反,不過,洞窟中部溫差比地面溫差略大,說明地面巖體對于溫度具有緩沖作用。

整體看,洞窟同層位前部空間空氣溫度在升溫的春夏季高于后部,降溫的秋冬季低于后部空間;前部空間溫差在冬季小于后部空間,其余月份則相反。垂直方向,頂部空氣溫度高于中下部,地面附近溫度受巖體緩沖影響,表現(xiàn)出秋冬季高于中部空氣,春夏季低于中部空氣的特征;洞窟上部溫差秋冬季小于中部,春夏季大于中部。莫高窟相關洞窟環(huán)境研究成果表明,夏季窟內(nèi)中上部溫濕度日波動較大,冬季前室地面溫濕度日波動較大[25]。這一研究與炳靈寺石窟第147窟環(huán)境既有類似,又有差異,說明不同地域洞窟環(huán)境具有各自特征。

從凍融對洞窟風化影響角度看,147窟內(nèi)4個監(jiān)測點空氣溫度低于0℃的只有前部空間的監(jiān)測點Eb,其中12月和1月為4天,2月為7天,最低溫度為零下0.7 ℃。而洞窟內(nèi)巖體表層及地仗層溫度高于空氣溫度[28],所以第147窟內(nèi)基本沒有形成凍融的溫度條件。

3.3 相對濕度

3.3.1 洞窟內(nèi)外相對濕度差異

相對濕度受降水和溫度綜合影響,溫度升高,相對濕度減小,降水增多,相對濕度增大。此外,洞窟內(nèi)還受圍巖水汽蒸發(fā)的影響[35],因此,相對濕度變化過程較為復雜。

由圖7所示,洞窟內(nèi)外相對濕度年度變化趨勢一致,整體受降水影響較大,5—10月洞窟內(nèi)外相對濕度整體高于11月至翌年4月,降水越多相對濕度越大。2022年8月降水量相比2021年8月增加了一倍,平均相對濕度2022年8月為69%,2021年8月為53%。

洞窟內(nèi)外相對濕度每月變化存在不同,8—10月溫度逐漸降低過程中,大氣降水雖然也在減少,但仍有水汽補給,窟外相對濕度增大,窟內(nèi)則逐步減小,說明溫度的降低導致窟內(nèi)圍巖蒸發(fā)的水汽減少,相對濕度減小。8—9月窟內(nèi)相對濕度高于窟外,10月則低于窟外,說明在20 ℃左右,還存在明顯的圍巖水汽蒸發(fā)現(xiàn)象,溫度持續(xù)降低后,水汽蒸發(fā)逐步減緩。11月至翌年2月,大氣降水基本沒有補給,大氣絕對濕度較小,溫度的降低難以增大相對濕度,窟內(nèi)外相對濕度保持平穩(wěn),由于窟內(nèi)溫度較高,所以相對濕度低于窟外。2—4月隨著溫度回暖,窟外相對濕度再次下降,而洞窟內(nèi)相對濕度沒有較大變化。5—8月隨著降雨增多,洞窟內(nèi)外相對濕度整體增大,洞窟內(nèi)則受溫度較窟外低、圍巖水汽蒸發(fā)等因素影響,相對濕度高于窟外。

如圖8所示,相對濕度標準方差反映出洞窟內(nèi)外相對濕度波動趨勢整體保持一致,只是窟內(nèi)波動幅度較小,而較強的波動發(fā)生在4—8月,2022年8月波動急劇減小,是由于降雨量大,相對濕度一直維持在較高水平所致。

圖7 降水量與第147窟各監(jiān)測點月相對濕度統(tǒng)計箱線圖Fig.7 Rainfall and box-plot of monthlyhumidity in each monitoring site of cave 147

圖8 第147窟各監(jiān)測點月相對濕度標準方差Fig.8 Standard deviation of monthly humidity in each monitoring site of cave 147

3.3.2 洞窟內(nèi)空間相對濕度差異

縱深方向,洞窟后部空間相對濕度在3—10月高于前部空間,11月至翌年2月低于前部空間。垂直方向,上部空間相對濕度較中下部低;中部空間相對濕度在10月至翌年3月高于地面,4—9月則相反。垂直方向各點相對濕度與溫度均互為負相關,說明溫度是導致窟內(nèi)相對濕度差異的主要因素。

從波動幅度看,縱深方向上,后部空間在相對濕度較高的雨季波動較大;垂直方向上,在雨季窟內(nèi)位置越高,波動越大,旱季上部和下部空間較中部波動較小,可能是由于圍巖緩沖的作用。這與溫度較差規(guī)律相反,說明溫度起到主導作用。

壁畫保存的高風險濕度區(qū)間為60%～65%[36],以第147窟內(nèi)上部(Wt)監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進行統(tǒng)計分析。結(jié)果顯示,監(jiān)測時段內(nèi),相對濕度高于60%的天數(shù)為178天,主要集中在5—10月。其中2022年8月相對濕度全月高于60%,平均為84.4%,而2022年8月整窟的風化產(chǎn)物總量占風化總量的51%,表明持續(xù)高濕環(huán)境引起較嚴重的風化病害。而洞窟下部和后部高濕天數(shù)更長,風化較嚴重。

3.4 可溶鹽分析

相對濕度變化引起的風化中,可溶鹽溶解結(jié)晶破壞是較為普遍和難治理的病害,其中,Na2SO4和NaCl是石窟寺鹽類病害的主要鹽分。提取第147窟風化較為嚴重的西壁不同位置巖體表面鹽分,進行實驗室可溶鹽分析,主要鹽分含量見表1。

結(jié)果顯示,西壁整體可溶鹽含量北側(cè)較高,為2.8%,南側(cè)較低,為0.8%左右。結(jié)合風化產(chǎn)物質(zhì)量在洞窟內(nèi)的分布來看,7至12號監(jiān)測點位于洞窟北側(cè),其風化產(chǎn)物質(zhì)量大于1至6號監(jiān)測點的南壁,這與洞窟內(nèi)可溶鹽含量的分布相一致,表明存在可溶鹽因溫濕度變化而引起的風化病害。

表1 第147窟西壁不同位置可溶鹽離子含量Tab.1 Analysis of soluble salt at different positions of the west wall in cave 147 單位:%

炳靈寺第147窟中易溶鹽含量低于0.1%。相比莫高窟發(fā)生鹽害地仗中易溶鹽含量高達1.02%～2.11%,圍巖中易溶鹽含量為0.41%～2.46%[20]。而147窟中主要的鹽類屬于中溶鹽的CaSO4,其中,西壁北側(cè)含量較高,在0.6%左右。CaSO4雖然不常見于石窟寺的鹽類病害中,但在部分石窟寺中還是存在因其引起的病害[37]。CaSO4吸水條件下變成CaSO4·2H2O,體積可增大31%,礦物水化膨脹可產(chǎn)生0.15 MPa壓力,對于顆粒間聯(lián)結(jié)力較弱的巖體脆弱部位,極易把巖石脹裂,形成片狀剝落或粉末狀脫落[38]。莫高窟內(nèi)發(fā)生鹽害的洞壁圍巖中,CaSO4·2H2O含量為0.42%～2.27%,與未發(fā)生鹽害的洞窟圍巖相比,中溶鹽含量偏高。這說明在鹽害發(fā)生過程中,中溶鹽也發(fā)生了一定程度的遷移和表面聚集[20]?？扇茺}分析說明,第147窟巖體內(nèi)存在可溶鹽,尤其是CaSO4·2H2O,具備在環(huán)境的干濕循環(huán)中引起風化病害的條件。

水分運移是可溶鹽破壞的必要條件,第147窟中水分主要來源于空氣中水汽補給及圍巖蒸發(fā),而洞窟內(nèi)溫濕度一方面直接影響圍巖蒸發(fā)[39],一方面也是圍巖蒸發(fā)和空氣水汽補給作用的表征,與洞窟風化病害具有相關性。對第147窟圍巖中水分運移與空氣中水汽補給運行機制,需更進一步研究。

4 結(jié)論

1) 第147窟主要風化時間段為5—11月,風化產(chǎn)物質(zhì)量占監(jiān)測時段總量的98.7%,其中,7—8月風化最嚴重,占監(jiān)測時段總量的73.4%;主要風化區(qū)域在洞窟后部,風化產(chǎn)物質(zhì)量占監(jiān)測點風化產(chǎn)物總量的92.3%。

2) 窟內(nèi)溫濕度主要受窟外大氣環(huán)境影響,而洞窟圍巖的緩沖作用,使窟內(nèi)與窟外、窟內(nèi)不同區(qū)域之間溫濕度具有差異?？邇?nèi)溫度秋冬季高于窟外,春夏季則低于窟外,窟內(nèi)外平均溫度相差3.7 ℃?？邇?nèi)溫度整體波動幅度較窟外小,年溫差為20.6 ℃,月溫差春秋季較大,平均為1.6 ℃,夏冬季較小,平均為0.6 ℃。

3) 縱深方向,后部空間春夏季低于前部,秋冬季相反,除冬季外,后部空間溫差大于前部。垂直方向,越往上部溫度越高,上部溫差在春夏季高于中下部,秋冬季相反。

4) 窟內(nèi)外相對濕度直接受降雨影響,11月至翌年4月保持在低位,且較為平穩(wěn),最高相對濕度基本低于60%,窟內(nèi)平均為37.9%;5—10月相對濕度因降雨增大而增大,且波動幅度也增大,窟內(nèi)相對濕度整體高于窟外,平均為65.7%。

5) 窟內(nèi)不同區(qū)域相對濕度與溫度呈負相關,5—10月窟內(nèi)濕度較大,溫度影響較為明顯。后部空間相對濕度整體高于前部空間,上部空間相對濕度低于中下部;而相對濕度波動表現(xiàn)出越靠近洞窟后部、上部波動幅度越大,這一特征與風化產(chǎn)物具有空間上的對應關系。以窟內(nèi)上部監(jiān)測數(shù)據(jù)為例,統(tǒng)計監(jiān)測時段相對濕度高于60%的天數(shù)為178天,可溶鹽分析結(jié)果第147窟巖體主要鹽分為CaSO4,表明洞窟內(nèi)具備在此高濕環(huán)境下,因溫濕度變化引起的風化破壞條件。