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，