炳灵寺石窟第147窟风化病害与气象环境特征_刘宗昌.pdf

西北大学学报（自然科学版）年 月，第 卷第 期，（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）；敦煌研究院课题（）；中共甘肃省委组织部 年度省级重点人才项目 第一作者：刘宗昌，男，甘肃景泰人，从事环境与石窟寺保护研究，。通信作者：武发思，男，甘肃会宁人，博士，研究员，从事微生物与文物保护研究，。文化遗产保护炳灵寺石窟第 窟风化病害与气象环境特征刘宗昌，武发思，孙淑梅，贺东鹏，陈 章，李 隆，（敦煌研究院 炳灵寺文物保护研究所，甘肃 永靖；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；甘肃省敦煌文物保护研究中心，甘肃 敦煌；甘肃莫高窟文化遗产保护设计咨询有限公司，甘肃 敦煌）摘要 为探究炳灵寺石窟第 窟风化病害与气象环境特征相关性，对比分析洞窟不同空间位置风化产物重量及温湿度特征。结果显示，月是风化主要时间段，风化产物占总量的.，月最严重，占总量的.，洞窟后部是主要风化区域，风化产物占总量的.。窟内相对湿度主要受窟外降雨影响，月雨季相对湿度较高，且波动较大，大于 天数为 天。窟内不同区域相对湿度与温度呈负相关，洞窟后部空间相对湿度高于前部，上部空间低于中下部，而越靠近洞窟后部、上部，相对湿度波动越大。研究表明，第 窟风化病害程度与气象环境具有空间和时间上的对应关系，结合可溶盐分析结果，可初步推定高湿环境是第 窟风化破坏的重要环境因素。关键词 石窟寺；风化；气象环境；温度；相对湿度中图分类号：.；.：，（，；，；，；，），.，.，.，；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，其中温度和湿度是 个最基本的因素。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、冻融、岩石胶结物水解溶蚀、可溶盐溶解结晶破坏、微生物繁殖等，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。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。炳灵寺石窟风化相关研究自 世纪 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；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；王亨通初次从温差变化角度解释了风化的外因；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，并初步分析了游客对洞窟微环境的影响。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 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。研究区概况炳灵寺石窟位于甘肃省永靖县城西南 的小积石山中，是第一批全国重点文物保护单位，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 窟位于炳灵寺石窟下寺区中上部（见图），坐西 向 东，距 现 在 地 面 ，窟 高.，宽.，深.，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）。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 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 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 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。材料、方法与数据处理 材料与方法.风化产物监测在第 窟内网格化布置 个风化产物监测点（见图），以.方盘承接，每月底收集一次，烘干称重。称重设备为上海卓精.型高精度电子天平。.环境要素监测在第 窟内不同进深和不同高度布置 个监测点位（见图），分别为窟外北侧崖面处空气温湿度（）、窟内东壁南侧地面温湿度（）、窟西北大学学报（自然科学版）第 卷内西壁南侧地面温湿度（）、窟内西壁南侧中部空气温湿度（）、窟内西壁南侧顶部空气温湿度（）。监测设备为 型温湿度监测仪，数据收集频次为 次。.可溶盐分析对第 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）。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 ，放在超声振荡器上振荡 ，采用注射针头过滤器（孔径.）过滤上部清液，利用戴安 睿智型离子色谱仪对清液进行分析。（）第 窟位置（白色方框）；（）平剖面图；（）监测点位示意图图 第 窟位置、窟型及监测点示意图 .数据处理本研究时段自 年 月 日至 年 月 日。主要用 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。结果与分析.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）。浮尘主要在洞窟前部飘落，如 号、号等监测点位，月质量小于 ，可视为对最终结果无影响。除 年 月份的风化掉落产物监测数据缺失，其余各月份 个监测点位的风化产物质量如图 所示，可以看出，第 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.。从空间分布看，第 窟内各监测点在监测时段内都有风化产物掉落，其中 号、号点风化较为明显。号点风化产物总质量为.，占洞窟整体风化产物质量的.；号点为.，占；、号各点次之，监测时段内风第 期 刘宗昌，等：炳灵寺石窟第 窟风化病害与气象环境特征化产物质量都在.以下；、各点位较小，都在.以下。可见，洞窟后部是风化的主要区域，风化质量为.，占全部区域总量的.。从时间角度看，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.，占监测时段内的.，其中 月风化最严重，产物总量为.，占比.。图 风化产物显微镜下形态（）（）图 第 窟风化产物重量统计 整体来看，第 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 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。炳灵寺石窟地区 月为雨季，月降雨最多，相对湿度高，而温度也最高（见图），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 窟环境特征形成及病害分布的重要内容。图 炳灵寺石窟 年气象数据平均值 .温度.洞窟内外温度差异如图 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，月至翌年 月窟外平均温度低于窟内，月至 月窟外平均温度较窟内高。窟外年度温差为.，而窟内 个空气温度监测点年度温差平均值为.，每月窟内外温差绝对值平均为.，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 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 月至翌年 月随着温度降低，温差也减小，月达到最小，月温差 左右，月随着温度上升，温差急剧增大，月达到最大，月温差 左右，在夏季高温时段的 月，值又开始下降。窟内则为从 月至翌年 月随着温度降低，温差先增大后降低，秋末的 月达到一年温差的最大值，各点平均温差为.，月达到最小值，平均温差为.，月温度回升过程中，温差也增大，月再次形成高峰，随后略有降低，直至 月份温差再次达到最小。整体看，第 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，降温西北大学学报（自然科学版）第 卷的秋冬季高于窟外，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 第 窟各监测点月温度统计箱线图 图 第 窟各监测点月温度标准方差图 .洞窟内空间温度差异从洞窟纵深方向看，在 月至翌年 月，靠近窟门的前部温度较洞窟后部温度低，月则相反；月至翌年 月前部温差小于后部，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，月至翌年 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 月至翌年 月小于中部及地面，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。这一研究与炳灵寺石窟第 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，窟内 个监测点空气温度低于 的只有前部空间的监测点，其中 月和 月为 天，月为 天，最低温度为零下.。而洞窟内岩体表层及地仗层温度高于空气温度，所以第 窟内基本没有形成冻融的温度条件。相对湿度.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，因此，相对湿度变化过程较为复杂。第 期 刘宗昌，等：炳灵寺石窟第 窟风化病害与气象环境特征由图 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，月洞窟内外相对湿度整体高于 月至翌年 月，降水越多相对湿度越大。年 月降水量相比 年 月增加了一倍，平均相对湿度 年 月为，年 月为。洞窟内外相对湿度每月变化存在不同，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。月窟内相对湿度高于窟外，月则低于窟外，说明在 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。月至翌年 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。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。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 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 月，年 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 降水量与第 窟各监测点月相对湿度统计箱线图 图 第 窟各监测点月相对湿度标准方差 .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 月高于前部空间，月至翌年 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 月至翌年 月高于地面，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 ，以第 窟内上部（）监测数据为例西北大学学报（自然科学版）第 卷进行统计分析。结果显示，监测时段内，相对湿度高于 的天数为 天，主要集中在 月。其中 年 月相对湿度全月高于，平均为.，而 年 月整窟的风化产物总量占风化总量的，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。.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，和 是石窟寺盐类病害的主要盐分。提取第 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。结果显示，西壁整体可溶盐含量北侧较高，为.，南侧较低，为.左右。结合风化产物质量在洞窟内的分布来看，至 号监测点位于洞窟北侧，其风化产物质量大于 至 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 第 窟西壁不同位置可溶盐离子含量 单位：离子及样品信息 西壁北侧酥碱岩体西壁佛台北侧表层岩体西壁佛台南侧表层岩体西壁南角表层岩体.总含盐量.炳灵寺第 窟中易溶盐含量低于.。相比莫高窟发生盐害地仗中易溶盐含量高达.，围岩中易溶盐含量为.。而 窟中主要的盐类属于中溶盐的，其中，西壁北侧含量较高，在.左右。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。吸水条件下变成，体积可增大，矿物水化膨胀可产生.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。莫高窟内发生盐害的洞壁围岩中，含量为.，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。可溶盐分析说明，第 窟岩体内存在可溶盐，尤其是，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 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，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 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。结论）第 窟主要风化时间段为 月，风化产物质量占监测时段总量的 ，其中，月风化最严重，占监测时段总量的.；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.。）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.。窟内温度整体波动幅度较窟外小，年温差为.，月温差春秋季较大，平均为.，夏冬季较小，平均为.。）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。垂第 期 刘宗昌，等：炳灵寺石窟第 窟风化病害与气象环境特征直方向，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。）窟内外相对湿度直接受降雨影响，月至翌年 月保持在低位，且较为平稳，最高相对湿度基本低于，窟内平均为.；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.。）窟内不同区域相对湿度与温度呈负相关，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 的天数为 天，可溶盐分析结果第 窟岩体主要盐分为，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。参考文献 王金华，陈嘉琦 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