引用本文
于宗仁, 王彦武, 王小伟, 赵林毅, 郭青林, 王旭东. 壁画盐害水汽来源研究——以隆兴寺为例.地球科学进展, 2017, 32(6): 668-676
Yu Zongren, Wang Yanwu, Wang Xiaowei, Zhao Linyi, Guo Qinglin, Wang Xudong. Research on the Water Vapor Source Induced Diseases of Wall Paintings in Longxing Temple. Advances in Earth Science, 2017, 32(6): 668-676  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2017.06.0668
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Copyright©2017, 地球科学进展 编辑部
壁画盐害水汽来源研究——以隆兴寺为例
于宗仁1,2, 王彦武2, 王小伟2, 赵林毅2, 郭青林2, 王旭东1,2
1.兰州大学土木工程与力学学院,甘肃 兰州 730000
2.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

作者简介:于宗仁(1975-),男,甘肃景泰人,副研究员,主要从事文物保护研究.E-mail:13588975@qq.com

基金:国家文物局“文物保护科技优秀青年研究计划”(编号:2014224)资助
摘要

利用高密度电法、微波测湿和热红外成像等无损检测手段,结合便携式离子色谱的现场分析和温湿度监测等方法,从水汽和盐分2个角度开展对隆兴寺摩尼殿扇面墙壁画病害区域的综合调查,研究盐害的主要成因。结果表明,壁画支撑体和地仗中的水汽主要来源是空气中的水汽和大气降水,毛细水作用通道的存在和区域温差导致的水汽运移速度加快为水分在文物本体中的活动创造了条件,支撑体和地仗中较高含量的易溶盐是病害产生的根本原因,高湿、高盐是壁画病害区域的典型特征。

关键词: 隆兴寺; 盐害; 水汽来源; 无损检测
中图分类号:P631.3 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2017)06-0668-09
Research on the Water Vapor Source Induced Diseases of Wall Paintings in Longxing Temple
Yu Zongren1,2, Wang Yanwu2, Wang Xiaowei2, Zhao Linyi2, Guo Qinglin2, Wang Xudong1,2
1.School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000,China
2.National Ancient Wall Painting and Earthen Archaeological Site Engineering Research Center, Gansu Dunhuang 736200,China

First author:Yu Zongren(1975-),male,Jingtai County,Gansu Province,Associate professor. Research areas include coservation of cultuarl relics.E-mail:13588975@qq.com

Fund:Project supported by the State Administration of Cultural Heritage “Research program for outstanding youth of heritage conservation”(No.2014224)
Abstract

The method of ion chromatographic analysis was used to analyze major salt induced diseases of wall paintings in Moni Temple of Longxing Temple, and the non-destructive testing methods included electrical resistivity tomography, microwave moisture measurement, thermal infrared imaging and temperature and humidity monitor were applied to survey the source water vapor source. The results showed as follows: NaCl is head fact induced disease; there are latent areaways in walls and buddha stage; at the same time, the temperature difference between the lesion area and the surrounding murals accelerates the velocity of water vapor migration; the main water vapor source is water vapor in the air of Moni Temple and atmospheric rainfall.

Keyword: Longxing Temple; Salt diseases; Water vapor source; Non-destructive testing.
1 引 言

隆兴寺位于河北省正定县县城东门里街, 是我国保存时代较早、规模较大和保存完整的佛教寺院之一, 具有十分重要的研究价值, 也是第一批全国重点文物保护单位。摩尼殿是隆兴寺最重要的建筑, 始建于宋仁宗皇祐四年(公元1052年), 集建筑、塑像和壁画艺术于一体, 现存壁画335.06 m2, 面积之大是国内单体建筑少有的[1], 主要为明代成化年间(1465— 1487年)所绘制, 小部分为清代绘制。在经过近500年的变化后[2], 殿内壁画存在酥碱、颜料层起甲、变色等多种病害, 20世纪70年代曾进行过大规落架维修, 此后也曾在东西扇面墙砖基上部30 cm左右的范围内进行过地仗层的加固, 加固区域及其附近壁画至今仍存在酥碱、颜料层起甲等病害, 其中酥碱病害最为严重。

根据郭宏等[3]、倪勇等[4]和张明泉等[5]研究, 壁画酥碱及颜料层起甲病害的发育, 水盐运移是最重要的影响因素, 这些研究均侧重于盐分的作用机理分析, 对导致病害发生的水汽来源并未进行深入调查; 近年来对文物本体内水汽运移的判断, 很多学者采取了不同的方法进行了大量研究[6~9], 也有学者针对不同文化遗产进行了水汽来源及其防治对策的研究[10~12], 这些研究基本都是针对水而开展的。由此可见, 已有研究很少将水的运移和盐分的分布结合起来进行综合认识。

为此, 本文选取隆兴寺摩尼殿佛台及扇面墙壁画病害严重区域为研究对象, 利用离子色谱开展对易溶盐的分析, 结合高密度电法、微波测湿法及热红外成像等综合无损检测手段和温湿度监测结果进行综合研究, 旨在查明壁画病害区域水分和盐分的分布特征及来源, 为摩尼殿壁画的科学保护提供指导。

2 测试设备与方法
2.1 测试设备

(1)易溶盐分析

北京历元EP-600便携式离子色谱仪。

(2)温湿度监测

美国Onset公司生产的HOBO温湿度探头。

(3)高密度电法调查

主机为青岛骄鹏工程技术研究所有限公司GeoPen E60M型高密度电法仪; 电极为敦煌研究院自主研发的10 cm极距的电极排。

(4)热红外成像测试

FLIR T660型热红外成像仪。

(5)微波测湿测试

德国hf sensor MOIST 300型微波测湿仪。

2.2 测试方法

2.2.1 离子色谱分析

易溶盐的溶解、结晶与运移是导致壁画病害的重要因素[13]。分别在摩尼殿东、西扇面墙病害严重区域和佛台西侧文殊菩萨莲花台上取得12组支撑体和地仗样品, 取样信息见表 1。

表1 摩尼殿取样记录表 Table 1 The list of sample from Moni Temple

测试方法为:样品105 ℃烘干后研磨并剔除纤维, 准确称取2 g(精确至0.01 g)左右于聚乙烯离心管中, 加入10 mL去离子水, 超声波振荡30 min, 离心分离, 上清液用0.22 μ m的微孔滤膜过滤后进行测试。

2.2.2 温湿度监测

空气温湿度变化是壁画病害发育的重要驱动因素[3, 5], 深入了解摩尼殿内温湿度的变化规律, 对于调查壁画中的水汽来源有着重要意义。分别在不同位置、不同高度布设HOBO温湿度传感器进行殿内温度和相对湿度的监测, 监测时间为2013年5月至2014年4月, 数据采集间隔为15 min。温湿度传感器的位置及分布情况见图1。

2.2.3 高密度电法测试

殿内分别以东、西扇面墙外侧距离北侧立柱2 m处为起点, 在地面附近布置垂直于地面的L1、L5南北方向测线和垂直于东、西扇面墙墙基的L2、L6南北方向测线, 在距地面50 cm高度布置垂直于墙面的L3和L7南北方向测线, 在距地面1.2 m高度布置垂直于墙面的L4和L8南北方向测线。佛台上布置3条垂直于佛台表面的测线, 分别为距佛台边缘0.7 m、距离北扇面墙4.3 m的南北方向测线L9、L10, 平行于佛台边缘且距边缘2.2 m的东西方向测线L11, 11条测线极距为10 cm, 测试深度0.79 m。殿外在平行于西院墙2 m处选择一条由南到北长64 m的测线L12, 极距1 m、测试深度13.6 m。

2.2.4 微波测湿

通过物质中微波场的介电常数, 可以间接测得该物质的含水率[14], 基于这一原理, 利用hf sensor MOIST 300对摩尼殿东、西扇面墙和佛台的含水率进行测试。测线的布置情况为:在东、西扇面墙外侧距北侧立柱3.8 m处以地面为起点布置长2.6 m的竖直方向测线L5和L1, 在东、西扇面墙内侧距北侧立柱3.8 m处以佛台为起点布置长1.6 m的竖直方向侧线L4和L2, 在佛台表面距离东西扇面墙2.2 m处以L4和L2为起始点布置长14.8 m东西方向垂直于佛台的水平测线L3, 在佛台表面距东扇面墙4.4 m处布置以边缘为起点垂直于佛台南北方向的6 m测线L6, 在佛台表面距西扇面墙3.8 m处布置以边缘为起点垂直于佛台南北方向的6 m测线L7。

图1 摩尼殿温湿度监测点分布图Fig.1 The distribution of temperature and humidity monitor

2.2.5 热红外测试

利用热红外成像仪对摩尼殿东、西扇面墙的内外两侧进行拍照, 对热红外成像图进行分析。

3 测试结果
3.1 离子色谱测试结果

根据易溶盐测试结果中离子的质量百分含量, 按照假想盐法将离子含量换算成盐类化合物的质量百分比含量[15, 16], 计算结果如表2所示。

表2 摩尼殿易溶盐分析结果 Table 2 The results of salt analysis for Moni Temple

通过对易溶盐结果的分析发现, 除北扇面墙无病害区原始地仗样品bsm-1、bsm-2和后期加固地仗样品X-3的易溶盐含量小于1%外, 其他样品的含盐量均高于1%, 多组样品的含盐量高于2.5%, 取自莲花台根部的灰白色结晶样品, 含盐量高达63%, 结合相关研究的结论[3, 5, 13]可以确定, 壁画支撑体和地仗中含量较高的NaCl是导致摩尼殿地仗加固区域发生病变的主要原因。分析结果也显示, 后期加固地仗表层的NaCl含量高于下层, 局部青砖表面聚集了含量极高的NaCl, 而原始地仗无论是表层还是下层, NaCl含量均处于较低的水平, 由此可以说明病害区域较高含量的NaCl, 并不是壁画支撑体或地仗材料自身携带的, 而是随着水汽活动从壁画内部迁移至表面造成的。

3.2 温湿度监测结果

3.2.1 温度监测结果

温度监测结果显示, 摩尼殿外S1环境年平均气温为15.54 ℃, 殿内S2~S8年平均气温分别为16.08, 15.67, 15.54, 15.59, 15.44, 15.52和15.38 ℃, 内外平均温差不到1 ℃, 壁画病害严重区域年均温度最低。

殿内温度分布的总体趋势为从4个抱厦门口向佛台温度递减, 4个抱厦东西南北温度依次递减, 殿外温度较佛台高, 而比4个抱厦略低, 这可能会造成温度差驱动水汽在空气中的运移。虽然摩尼殿内不同区域的温差均不到1 ℃, 但对时间跨度几百年的文物而言, 温度差导致水汽运移的长期累积效应可能会对壁画的稳定性产生一定影响。

3.2.2 湿度监测结果

由图2可知, 摩尼殿内7个监测点全年相对湿度的变化基本同步, 变化趋势相同。殿内相对湿度整体较高, 其中西扇面墙区域最高, 相对湿度达到65.5%, 相对湿度较高区域与病害严重区域相吻合, 其他区域相对湿度为60%左右; 殿外相对湿度较殿内高, 达到64.3%。

莫高窟游客乘载量研究表明[17], 当壁画微环境相对湿度达到67%时, 地仗中的易溶盐发生潮解; 当相对湿度降低时, 易溶盐发生结晶, 湿度变化导致的易溶盐形态的反复变化会加速壁画的劣化。摩尼殿全年相对湿度在67%以上的时间占全年的38.3%, 尤其是7~9月几乎一直处于67%以上的高湿度状态, 相对湿度的变化幅度也比较大, 这种环境特征具备激发盐分活动的基本条件。

图2 相对湿度年际变化图Fig.2 The annual change map of RH

3.3 高密度电法测试结果

3.3.1 隆兴寺水汽分布调查结果

为了查明隆兴寺摩尼殿外部周边水汽的分布情况, 选取摩尼殿西侧空旷处作为测试场地, 该处是一片长条形未铺设地砖的地面, 在靠近西院墙1 m的位置种有一排树, 没有预留专门的灌溉系统, L12平行于西院墙。

L12的测试室内反演结果如图 3所示。剖面中电阻率的分布具有较强的规律性, 随着深度增加, 电阻率先增大后减小, 0.25~3.2 m和9.2~13.6 m为低阻区, 电阻率小于400 Ω · m; 3.2~9.2 m为高阻区, 电阻率为400~4 500 Ω · m。由此可以确定, 摩尼殿周边地层中, 地表以下13.6 m范围内未出现自由水面, 主要为包气带, 3.2 m以上范围主要为悬挂毛细水, 9.2 m以下为支持毛细水, 其主要的补给来源为降水。

图3 L12高密度电法测试结果Fig.3 The electrical resistivity tomography result of L12

3.3.2 摩尼殿内水汽分布调查结果

图4为摩尼殿东、西扇面墙和佛台的高密度电法测试结果。由图4可知, L1~L5整个剖面均为高阻; L6和L7只有局部为高阻, 高阻区分布在剖面两侧, L6低阻区宽0.8 m, L7低阻区宽0.6 m; L8局部为低阻, 低阻区分布在剖面中部, 宽0.4 m, 由此可以确定西扇面墙地面以上1.2 m内, 墙体表面以内0.7 m深度范围内存在一个下大上小的低阻区域; L9剖面中0.25~0.55 m范围为高阻区, 其余区域为低阻区; L10剖面中部靠下为高阻区, 两侧分布着2个低阻团, 尤其靠近莲台砖基的部分电阻率更低, 宽80 cm; L11只有靠近地表15cm和靠近西扇面墙的局部区域为低阻区, 其余部分均为高阻区。

图4 摩尼殿内高密度电法测试结果Fig.4 The electrical resistivity tomography result of Moni Temple

从11条剖面调查的结果可知, 佛台周围的电阻率总体分布趋势为佛台靠西部位低阻区域较大, 东扇面墙部分几乎无低阻分布, 西扇面墙存在较大范围的低阻分布, 西扇面墙水汽分布较浅而东扇面墙分布较深。结合殿外的测试结果可以确定, 在某种驱动力的作用下, 地表3.2 m范围的悬挂毛细水, 在大殿台基和佛台以毛细水或水汽的形式分布, 分布的浸润线顶点靠近西扇面墙。殿外悬挂毛细水的主要来源为大气降雨, 夯土台基中的水汽主要由殿外悬挂毛细水补给, 即由大气降水将间接补给。

3.4 微波测湿结果

根据L1, L2, L4和L5的测试结果(图5), 4条测线的R1M和R2M探头测试结果变化较小, 而DM和PM探头总体变化趋势为先增大后减小, 最高点在180 cm高度处。说明在扇面墙体内部11~30 cm的深度范围内从地面向上, 探头能耗先增后减, 即含水率先增大, 后减小, 最高点的位置大致与病害出现的位置重合。

根据L3, L6和L7(图 6), L3测线总体变化不大, 只有在850 cm处, 探头R2M, DM和PM测得的参数均有所增加且PM探头相对与其他3个波动较大; 而L6和L7 2条测线除了5.5 m处有所增大外, 其他位置的波动均较小。由此可以判断佛台中部和2个莲花台通道处含水率相对于其他部位较高。

图5 L1, L2, L4和L5测线的测试结果Fig.5 The microwave moisture measurement result of L1, L2, L4 and L5

图6 L3, L6和L7的测试结果Fig.6 The microwave moisture measurement result of L3, L6 and L7

综合分析微波测湿的结果, 可以确定佛台和扇面墙体的水汽分布特征为:东、西扇面墙从地面到墙顶, 地仗中的含水率先增后减, 最高值出现在壁画病变段, 佛台水汽含量中间高而周边低, 结果与高密度电法的测试结果相一致。

3.5 热红外测试结果

图7为东、西扇面墙外侧病害区域红外热成像仪测试前后的对比图, 由图可知, 后期地仗加固区域的温度要比周边原始壁画的温度低, 病变区域温度更低。壁画的温度和后期地仗加固区域温度统计表见表3。

图7 红外热像仪测试前后对比图Fig.7 The comparison of thermal infrared imaging

表3 不同位置原始壁画及病害区域温度统计表 Table 3 The temperature statistics of each diseases area

由表3可知, 原始壁画的平均温度接近13 ℃, 后期加固地仗的平均温度接近12 ℃, 平均温差约1 ℃。比较不同位置两者的温差可以发现, 西扇面墙外侧温差高达1.7 ℃, 西扇面墙内侧温差为1.2 ℃, 东扇面墙内侧温差为0.9 ℃, 东扇面墙外侧温差为0.6 ℃。结合各个区域壁画的病害调查结果可以发现, 温差的大小和病害的严重程度呈正相关性, 说明后期地仗加固材料和原始地仗材料的差异性较大, 对环境的响应程度不同。相关研究表明[18], 土壤的温度与其含水率之间存在负相关关系, 也进一步说明壁画病变区域的含水率要比稳定区域的含水率高; 同时, 温度对壁画支撑体和地仗中的水汽迁移会造成一定影响[19], 温度梯度造成的能量差使水汽从高温区域向低温度区域迁移, 摩尼殿扇面墙温度差异和材料差异为水汽迁移创造了有利条件。

4 讨 论

年周期的温湿度环境监测数据表明, 摩尼殿空气相对湿度高于67%的时间占全年的38.3%, 西扇面墙附近区域年均相对湿度最高; 殿内各个区域空气的平均温度存在差异, 其中病害严重的西扇面墙附近温度最低。热红外成像结果显示, 墙体表面不同位置温度和湿度存在一定差异, 后期加固地仗病害区域表面温度明显低于原始壁画, 含水率则明显高于原始壁画。结合以上结果可以确定, 摩尼殿壁画病害区域附近表现出温度低、相对湿度和含水率高的特点。

高密度电法及微波测湿的结果表明, 摩尼殿周边地层中, 地表以下13.6 m范围内未出现自由水面, 主要为包气带, 3.2 m以上范围主要为悬挂毛细水, 9.2 m以下为支持毛细水。摩尼殿内水汽分布特征为佛台中部高于其他部位, 西扇面墙从下至上水汽含量先增后减, 说明佛台和西扇面墙内部存在水汽运移的通道, 为水汽的携盐运动提供了条件, 其来源为大气降水。结合环境监测的数据可以确定, 摩尼殿壁画病害的水汽来源包括两部分, 一部分来自空气中相对湿度较高的水汽, 导致地仗表面含水率有所升高; 另一部分来自佛台及墙体内部的水汽运移, 导致墙体局部区域支撑体和地仗含水率显著升高。

摩尼殿壁画支撑体和地仗中易溶盐的主要成分为NaCl, 病害区域地仗中易溶盐含量很高。地仗中NaCl含盐量由表及里呈先增后减的规律, 说明易溶盐显著升高的原因是NaCl随着水汽运移从内部迁移至壁画表面一定区域造成的聚集效应, 并不是地仗材料本身携带的盐分造成的。因此, 壁画严重病害的根本原因是地仗中易溶盐溶解— 结晶反复变化所导致的, 墙体内部水汽活动和环境较高相对湿度的共同作用为盐分的运移和聚集创造了条件, 地仗中含水率的变化波动加速了病害的发展。

本研究通过对摩尼殿空气温湿度的全年监测, 结合壁画支撑体和地仗中可溶盐分析和水汽来源的综合调查, 确定了水分运动造成的盐分活动是壁画病害产生的主要原因。由于客观条件限制, 文物本体含水率的调查只进行了一个时间阶段的探查, 虽然调查结果能够反映文物本体含水量与降水和空气温湿度之间存在直接关系, 但尚不能确定降水、空气温湿度与本体含水量变化的频率和盐分迁移之间的具体数值关系, 在以后的监测和调查中还需要继续选择几个代表性时段进行探查, 深入研究降雨和壁画本体中水盐运移的具体关系。

5 结 论

本研究基于易溶盐分析, 根据温湿度监测数据, 结合高密度电法、微波测湿法及热红外成像等无损调查方法, 研究了摩尼殿的水汽运移情况, 探明了壁画病变的主导因素, 研究结论如下:

(1) NaCl的迁移和富集是导致扇面墙后期加固地仗病害的直接原因。

(2) 导致壁画病害发生的水分来源包括空气和墙体内部两部分的水汽活动。摩尼殿内相对湿度高于67%的时间占全年的38.3%, 严重威胁着殿内壁画的安全保存; 佛台及西扇面墙内部存的在水汽运移通道, 是壁画病害发生的主要诱发因素。

(3) 摩尼殿壁画病害治理过程中, 需要通过控制环境相对湿度和阻断墙体内水汽活动以降低壁画本体中的含水率, 防止水分对易溶盐的激发; 同时在修复过程中, 需要通过除盐等方式降低地仗中盐分的含量, 保证壁画保存状态的稳定。

The authors have declared that no competing interests exist.

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