敦煌莫高窟崖體中鹽分分布特征研究

楊善龍++王旭東++郭青林++裴強強

內(nèi)容提要：敦煌莫高窟的部分壁畫受到起甲、酥堿、皰疹等多種病害的破壞，病害的產(chǎn)生與崖體中鹽分的運移有關，深入研究莫高窟崖體砂礫巖中鹽分分布特征，對科學防治莫高窟壁畫病害具有重要意義。通過對莫高窟第108窟西壁崖體砂礫巖中鹽分和莫高窟崖體頂部以下20m深度范圍內(nèi)鹽分調(diào)查，發(fā)現(xiàn)莫高窟崖體砂礫巖中鹽分種類主要為硫酸鹽和氯鹽。整個崖體砂礫巖中鹽分在大范圍內(nèi)分布較均勻，但在臨空面出現(xiàn)了鹽分集聚現(xiàn)象，在洞窟西壁和崖體頂部以下0.5m深度范圍內(nèi)鹽分含量很高，平均為2.0%，最高為3.5%。本文首次從較深范圍內(nèi)對莫高窟崖體砂礫巖中鹽分的分布特征進行了研究，這為以后莫高窟壁畫鹽害分析研究提供重要的數(shù)據(jù)支持。

關鍵詞：莫高窟；砂礫巖；鹽分分布；壁畫病害

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2017）04-0125-06

A Study of the Salt Distribution in the Cliffs of the Dunhuang Mogao Grottoes

YANG Shanlong1，2，3 WANG Xudong1，2，3 GUO Qinglin1，2，3 Pei Qiangqiang2，3

（1. College of Cultural Heritage， Northwest University， Xian， Shaanxi 710069； 2. National Research Center for Conservation of Ancient Wall Paintings and Earthen Sites， Gansu， Dunhuang 736200； 3. Dunhuang Academy， Gansu， Dunhuang 736200.）

Abstract： The Dunhuang Mogao Grottoes site is famous for its exquisite wall paintings and statues. Some of these wall paintings have been damaged by flaking， efflorescence， blisters， and other types of deterioration. Many scholars believe the deterioration is related to salt migration from underlying cliffs into the wall paintings， which makes it very important to study the salt distribution characteristics in the Mogao Grotto cliffs in order to control further damage. An investigation of the salt in the west wall of cave 108 and at the top of the cliff at a depth of 20 meters shows that the main salt types are sulfate and chlorine conglomerated within the Mogao cliff. The salt distribution is even over a large scope， but a high concentration can be found toward the surface of the cliff face： salt content is very high on the surface of the west wall of the caves and in the cliff in a depth of 0.5 meters， with a highest value of 3.5% and an average value of 2.0%. This is the first study of the salt distribution characteristics of the Mogao Grotto cliffs， the researchers aim here to provide important supportive information for future data analysis of salt deterioration in Mogao murals.

Keywords： Mogao Grottoes； conglomerate； salt distribution； wall painting deterioration

一 前 言

莫高窟是在砂礫巖上開鑿洞窟的，然后在砂礫巖表面敷泥制作地仗層，再在地仗層上繪制壁畫[1]。莫高窟現(xiàn)存有壁畫的洞窟為492個，其中有病害的洞窟為245個：酥堿的有61個，龜裂、起甲的82個，煙熏的47個，霉變的7個[2]。

隨著對莫高窟壁畫病害機理研究的逐步深入，認識到壁畫酥堿、皰疹、空鼓等多種病害的形成與洞窟圍巖中鹽分運移有關[3，4]，因而對莫高窟崖體和壁畫中的鹽分進行了大量研究[5-8]，但采樣大多在崖體表層，或者在壁畫地仗層中，崖體深處則沒有進行過系統(tǒng)采樣研究。對于莫高窟崖體中水分運移也進行過一些研究[9]，由于缺乏崖體砂礫巖中鹽分分布特征的深入研究，從而在一定程度上限制了莫高窟崖體中水鹽運移機理的研究。本文通過對莫高窟第108窟西壁崖體砂礫巖中鹽分和莫高窟窟頂以下20m深度范圍內(nèi)鹽分調(diào)查分析，初步掌握了莫高窟崖體內(nèi)鹽分分布特征，這為分析莫高窟壁畫病害提供重要資料，對莫高窟壁畫保護具有重要意義。

二 鹽分分布調(diào)查

2.1 第108窟西壁砂礫巖取樣

莫高窟第108窟位于莫高窟南區(qū)南段崖體的底層（圖1）。該窟西壁壁畫大部分已剝落，故選擇在其西壁左下角鉆孔取樣進行鹽分測試，在西壁上下共鉆兩個孔（圖2），深度均為4.8m。0～1m每鉆進10cm進行取樣，1m之后每20cm取樣，每個孔共取29個樣進行鹽分測試。

2.2 莫高窟窟頂砂礫巖取樣

在莫高窟九層樓向西150m處開挖直徑為0.8m的探井（圖3），在探井內(nèi)取砂礫巖樣進行鹽分測試。從地面戈壁層向下至0.6m，每10cm取樣一個；0.6m至20m深度范圍內(nèi)，每20cm取樣一個。在該探井共取102個樣品進行了鹽分測試。

2.3 試驗方法

在第108窟西壁采樣，是采用鉆機鉆至位置后，取砂礫樣進行易溶鹽測試?？唔斕骄萌斯し绞介_挖，在固定深度處，取砂礫進行顆粒分析，然后用小于0.1mm顆粒樣進行易溶鹽測試。測試方法按照國家標準《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999）的試驗方法進行測試。

三 鹽分測試結果

3.1 第108窟西壁崖體中鹽分測試結果

通過取樣，測試了樣品中的陰離子有■、■、■、Cl-，陽離子有Ca2+、Mg2+、Na++K+。通過測試，第108窟兩個鉆孔中的易溶鹽總量隨鉆孔深度的分布如圖4、圖5所示。圖6和圖7分別為1號孔和2號孔中各離子含量變化圖。

3.2 窟頂探井崖體中鹽分測試結果

同第108窟一樣，測試了樣品中的陰離子有■、■、■、Cl-，陽離子有Ca2+、Mg2+、Na++K+。通過測試，探井中的易溶鹽總量隨鉆孔深度的分布如圖8所示。圖9為各離子含量變化圖。

四 鹽分分布特征分析

4.1 窟頂探井中鹽分分布特征

窟頂探井內(nèi)鹽分調(diào)查結果，易溶鹽分布具有如下特征：

（1）從地面至0.6m范圍內(nèi)易溶鹽含量很高，在0.4～0.7%之間，這是因為莫高窟地區(qū)處于干旱環(huán)境中，砂礫層中的水汽運移導致地表鹽分積聚，從而使鹽分含量較高。

（2）圖10為莫高窟窟頂戈壁灘地表以下0.6m范圍內(nèi)易溶鹽各離子含量分布圖，可見崖體頂部20cm范圍內(nèi)陰離子以■為主，陽離子以Ca2+為主；20—60cm范圍內(nèi)陰離子以■、Cl-為主，陽離子以Na++K+為主。莫高窟崖體頂部地表以下20cm范圍內(nèi)主要以中溶鹽硫酸鈣為主，這在現(xiàn)場開挖探井時，挖出白色石膏得到了很好的驗證。

（3）窟頂崖體0.6m以下范圍內(nèi)的砂礫中易溶鹽含量較少，在0.05%左右波動，且不隨深度而發(fā)生變化。探井開挖中局部存在粉細砂和粉質(zhì)粘土夾層，該地層中易溶鹽含量相對較高，達到0.1%，同時該地層中含水率相對砂礫層高。

4.2 第108窟洞窟內(nèi)鹽分分布特征

第108窟位于莫高窟崖體的最底部，其西壁壁畫大部分已脫落，西壁崖體中易溶鹽的分布特征基本能代表莫高窟洞窟西壁崖體的分布特征。

（1）同莫高窟崖頂一樣，第108窟西壁從表面至0.5m范圍內(nèi)易溶鹽含量較高，最高達3.5%，最低為0.54%。0.5m以后，易溶鹽總量不隨深度發(fā)生變化，含量在0.12%左右波動。由于洞窟的開挖，崖體中本來平衡的溫濕度環(huán)境受到影響，然后溫濕度重新分布，從而使得鹽分隨崖體砂礫層中水分的遷移而積聚在洞窟壁面附近。通過對第108窟1號孔和2號孔內(nèi)溫濕度的長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，外界溫濕度對0.5m以后范圍內(nèi)崖體溫濕度很難產(chǎn)生影響[6]100-102，因此0.5m以后范圍內(nèi)崖體中鹽分基本保持一致，并沒有隨水分發(fā)生遷移。

（2）從圖4和圖5中發(fā)現(xiàn)一個共同的現(xiàn)象，表面至0.1m范圍內(nèi)的易溶鹽含量是0.1—0.2m范圍內(nèi)的一半。這種現(xiàn)象可能與壁畫制作過程有關。在壁畫制作時，潮濕的地仗層溶解崖體表面的易溶鹽，然后地仗在干燥的過程中易溶鹽隨著水分運移至地仗中，然后由于鹽分的作用致使地仗層失去粘接力而掉落，從而發(fā)生這種現(xiàn)象。

（3）第108窟西壁崖體表面易溶鹽中陽離子主要以Na++K+為主，不同于窟頂表面，這與洞窟內(nèi)溫度常年在20℃以下有關。

4.3 莫高窟崖體中鹽分分布整體特征分析

從第108窟西壁和窟頂探井中取樣測試的結果發(fā)現(xiàn)，莫高窟崖體中陰離子以■、Cl-為主，陽離子以Na++K+為主，鹽分主要有硫酸鈉和氯化鈉，這是莫高窟壁畫產(chǎn)生鹽害的兩種主要鹽分。

從鹽分分布情況來看，洞窟內(nèi)鹽分主要集中在表面至0.5m深度范圍內(nèi)，易溶鹽含量最高達3.5%；0.5m及更深的部位鹽分分布較為均勻，且相對較低，易溶鹽總量在0.15～0.25%之間。莫高窟窟頂鹽分主要集中在地面之下0.6m范圍內(nèi)，鹽分含量在0.4～0.7%之間；0.6m以下鹽分分布均勻，含量基本在0.1%以下。

通過對整個崖體和洞窟圍巖內(nèi)易溶鹽的測試發(fā)現(xiàn)，莫高窟整個崖體內(nèi)易溶鹽含量在表面0.5m范圍內(nèi)積聚，主要以硫酸鈉和氯化鈉為主。圖11可以形象表征莫高窟崖體內(nèi)易溶鹽總量分布現(xiàn)狀，土中紅色部位為易溶鹽高含量區(qū)，藍色部位為易溶鹽低含量區(qū)。

4.4 莫高窟崖體中鹽分來源分析

莫高窟處于大泉河的出山口處，地貌屬山前沖洪積扇。出山口后水流的分散性和主流的多次改造，使本區(qū)的酒泉礫巖在水平方向上巖性有所變化。莫高窟區(qū)中更新統(tǒng)主要分布在大泉河出山口地帶和三危山前沖洪積扇地帶，加之該地層具有明顯的層理和沉積韻律，分選性和礫石磨圓度均比較好，顯然該地層屬沖洪積成因?？邊^(qū)僅出露于洞窟崖體頂部戈壁層巖性為灰白色砂礫層夾砂層和粉土層透鏡體。上更新統(tǒng)砂礫層的層理比較發(fā)育，結構松散，礫石分選性較差，磨圓度為棱角狀或次棱角狀，上更新統(tǒng)也屬沖洪積成因。

莫高窟區(qū)唯一的地表徑流是大泉河，發(fā)源于三危山南部盆地—阿克賽盆地。源頭為祁連山山前大泉和條湖子泉，全長約20km，由南東向北西徑流。從礦化度來看，源頭大泉河和條湖子泉礦化度分別為1.836g/L和1.266g/L。徑流至大拉牌斷面，礦化度基本上沒有變化，仍為1.809g/L，但莫高窟前礦化度為2.298g/L，約高出上游段礦化度0.5g/L左右。大泉河水的化學特征表現(xiàn)為礦化度比較高，硬度偏大，屬微咸水，水化學類型為SO4-Cl-Na型水。從源頭到莫高窟，水的礦化度因中途咸水的匯入而增高[5]62-66。

莫高窟地區(qū)的酒泉礫石的巖石成分，有花崗巖、輝長巖、石英巖、千枚巖、石灰?guī)r等。礫石的礦物成分主要有石英、長石、方解石、輝石、角閃石等。

由此可見，莫高窟崖體砂礫層中的鹽分主要是在中更新統(tǒng)酒泉組形成過程中，沖洪積成因使大泉河河水中的鹽分沉積而形成的。

4.5 莫高窟崖體中鹽分分布影響因素分析

莫高窟所在地區(qū)常年氣候干燥，蒸發(fā)強烈，年降水量很小，且降水集中在7、8、9月份。降水只能引起崖體頂部表層范圍內(nèi)鹽分的溶解和遷移，再加上莫高窟崖體砂礫巖鈣泥質(zhì)膠結，降雨作用不可能引起莫高窟洞窟圍巖中鹽分的遷移。洞窟內(nèi)崖體中0.5m以后范圍內(nèi)溫濕度保持恒定，外界溫濕度對其影響較小，不會導致鹽分隨著水汽發(fā)生運移從而破壞壁畫。因此，壁畫鹽害的鹽分主要與地仗層中的鹽分有關，其鹽分很大一部分來自于壁畫制作時吸附入崖體中的鹽分。

五 結 論

（1）莫高窟崖體中易溶鹽主要以硫酸鹽和氯化物為主。

（2）在莫高窟崖體頂部戈壁灘表面20cm范圍內(nèi)，鹽分主要以硫酸鈣為主，戈壁表面以下20cm—60cm范圍內(nèi)以硫酸鈉和氯化鈉為主，且易溶鹽總量在0.4～0.7%之間。60cm之下易溶鹽含量分布較為均勻，在0.1%以下，且不隨深度發(fā)生變化，僅隨地層特性不同而發(fā)生一些變化。

（3）莫高窟洞窟圍巖中，鹽分在圍巖以內(nèi)0.5m范圍內(nèi)積聚，鹽分主要為硫酸鈉和氯化鈉，0.5m至更深的部位鹽分含量均勻，且不隨深度變化。

（4）莫高窟崖體砂礫巖中的鹽分主要主要是在中更新統(tǒng)酒泉組形成過程中，由于沖洪積成因，大泉河河水中的鹽分沉積形成的。

（5）外界環(huán)境的溫濕度對洞窟圍巖0.6m以后的范圍內(nèi)的溫濕度不產(chǎn)生影響，因此也不會導致鹽分從崖體砂礫巖中中向洞窟壁畫層中運移。

參考文獻：

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