山西忻州九原崗北朝墓葬壁畫顏料及顏色變化分析

石美風，任建光，張秉堅，黃繼忠，霍寶強

(1. 山西博物院文物保護中心，山西太原 030024； 2． 云岡石窟研究院，山西大同 037000；3． 浙江大學化學系，浙江杭州 310027； 4． 山西省文物局，山西太原 030001)

0 引 言

九原崗墓葬群位于山西省忻州市東北處，其中于2013年春發(fā)現(xiàn)的北朝壁畫墓是目前發(fā)掘出土的最大一座。該墓葬墓室壁畫缺失嚴重，但墓道壁畫保存完好，內(nèi)容豐富、顏色艷麗，具有極高的藝術(shù)價值。經(jīng)統(tǒng)計，該墓葬壁畫的色彩有藍色、紅色、黃色、熟褐色、黑色、綠色、灰色、橙色和白色。其中，藍色、紅色和黃色的使用最為廣泛。

以往的考古發(fā)掘中發(fā)現(xiàn)，某些彩繪文物剛出土時色彩艷麗如新，但一經(jīng)暴露，在極短的時間內(nèi)即迅速褪色或變色。九原崗北朝墓葬壁畫在初期發(fā)掘過程中，現(xiàn)場工作人員發(fā)現(xiàn)，出土后的壁畫顏色越來越暗淡，在視覺上有明顯的褪色現(xiàn)象。為詳細了解壁畫顏色的褪色原因，在隨后的壁畫發(fā)掘過程中，采用全自動色差計跟蹤檢測了壁畫表面幾種典型色彩的色度情況，并對壁畫殘塊顏料進行了科學檢測[1]。

1 研究方法

1.1 色度檢測

色差計以光的三原色為基礎(chǔ)，根據(jù)CIE色空間的Lab原理，Hunter表色系統(tǒng)，通過測量標準樣品與被測樣品的明度指數(shù)差△L、色品指數(shù)差△a、△b和色差△E，可以定量表示各種顏色，使顏色的表示更加準確、客觀，常用于彩繪文物的保護和修復。CIE Lab均勻色空間由直角坐標L*、a*、b*構(gòu)成(圖1)。L*為垂直軸，代表明度，其值從底部0(黑)到頂部100(白)；a*、b*為水平軸，a*代表紅綠軸上顏色的飽和度，其中-a*為綠，+a*為紅；b*代表藍黃軸上顏色的飽和度，其中-b*為藍，+b*為黃。2個顏色之間的總色差△E=[(△L*)2+(△a*)2+(△b*)2]1/2。

圖1 色調(diào)的顏色空間模型Fig.1 The color space model of tonal range

1.1.1儀器參數(shù) 國產(chǎn)SC-80C型顯色差計，測量孔徑：反射φ15mm，靈敏度：近似于CIE1964等色函數(shù)，校正基準：國家基準白板校正板基準；重復精度：△Y≤±0.3， △E≤±0.3。

1.1.2檢測區(qū)域的確定 選擇九原崗北朝墓葬剛出土的壁畫上，色相明顯、色調(diào)均勻、面積適合(檢測區(qū)域滿足儀器孔徑15mm)的圖案顯示為紅色(圖2)、黃色(圖3)、藍色(圖4)和黑色(圖5)的區(qū)域，進行這4種顏色的檢測。在每個區(qū)域檢測三個點(圖6)，每個監(jiān)測點重復3次，定點定時檢測該處顏色，取平均值以表征該種顏色的色度情況。

1.2 表面水含量檢測 德國testo 616型材料水分檢測儀(顯示數(shù)值表示干物質(zhì)重量百分比)，分辨率0.1%，建筑材料的測試范圍<20%，檢測模式為Anhydrite screed<0.5%(硬石膏材料)(圖7)。

圖2 紅色顏料Fig.2 Chrominance detection on the red

圖3 黃色顏料Fig.3 Chrominance detection on the yellow

圖4 藍色顏料Fig.4 Chrominance detection on the blue

圖5 黑色顏料Fig.5 Chrominance detection on the black

圖6 壁畫表面色度檢測Fig.6 Chrominance detection on the mural

圖7 壁畫表面水含量檢測Fig.7 Water content test of the mural

1.3 顏料鑒定

法國HoRIBA公司生產(chǎn)的XpLORA共焦顯微拉曼光譜儀：532nm氬離子激光器，物鏡為 50×；光斑尺寸為 1μm；光柵 1200；采用5×10s掃描頻次。用鎢針仔細挑取發(fā)掘過程中收集的壁畫表面的顏料顆粒置于載玻片上，于激光拉曼光譜儀下進行激光掃描檢測。

2 檢測結(jié)果與討論

2.1 各色彩區(qū)域色度檢測

2.1.1紅色區(qū)域 對剛出土的壁畫表面流云處(圖1)的紅色顏料進行檢測，結(jié)果如表1。

表1 紅色顏料的色度檢測結(jié)果

以上數(shù)據(jù)顯示，該處紅色顏料剛出土時，表面水含量值達10.7，而其色度情況△E值為69，L*為57.5，a*為24，b*為29.5；約100min后，△E值降低1個單位，L*增加1個單位，a*降低2個單位，b*降低3個單位，其色度情況變化不明顯；3天后，該區(qū)域的表面水含量值降低至7.6，與此同時，該區(qū)域的色彩也有明顯的變化，△E降低1.5個單位，L*增加1.5個單位，a*減少4個單位，b*減少4個單位；壁畫干燥1年后，該區(qū)域表面含水量降低為4.0，△E降低約3個單位，L*增加約1個單位，a*減少9個單位，b*減少7個單位。

根據(jù)CIE Lab均勻色空間表色系統(tǒng)，在視覺上，△L增加體現(xiàn)為顏色的明度增加，顏色由暗變亮；a*減小體現(xiàn)為紅色減弱；b*減少體現(xiàn)為黃色減弱，藍色增強；△E降低體現(xiàn)為顏色色差減小。總體上，該區(qū)域紅色在視覺上體現(xiàn)為變淺變淡。

2.1.2黃色區(qū)域 對剛出土的壁畫表面人物頭冠(圖2)的黃色顏料進行檢測，結(jié)果如表2。

表2 黃色顏料的色度檢測結(jié)果

以上數(shù)據(jù)顯示，該處黃色顏料剛出土時表面水含量值達10.5，而其色度情況△E值為65.92，L*為52.68，a*為11.3，b*為37.75；20min后，△E值增加3.7個單位，L*增加2個單位，a*增加0.4個單位，b*增加3.5個單位，顏色有明顯的變化；3天后，△E值增加1.9個單位，L*增加5.5個單位，a*增加1.2個單位，b*增加4.4個單位，顏色有明顯的變化；1年以后，該區(qū)域表面水含量值降低為5.1，△E降低3.96個單位，L*降低2.4個單位，a*減少0.5個單位，b*減少2.85個單位。

根據(jù)CIE Lab均勻色空間表色系統(tǒng)，對于黃色區(qū)域的色彩變化情況，在視覺上，△L增加體現(xiàn)為顏色由暗變亮，b*減少體現(xiàn)為黃色減弱，a*減少體現(xiàn)為紅色減弱?！鱁降低體現(xiàn)為顏色色差減小。總體上，該區(qū)域黃色在視覺上體現(xiàn)為變淺變淡。

2.1.3藍色區(qū)域 對剛出土的壁畫表面水波紋藍色(圖3)的藍色顏料進行檢測，結(jié)果如表3。

表3 藍色顏料的色度檢測結(jié)果

以上檢測結(jié)果顯示，對于九原崗壁畫表面的該處藍色顏料，剛出土時，該區(qū)域較為潮濕，表面水含量值達10.7，而其色度情況△E值為64.67，L*為63.75，a*為1.4，b*為10.74；20min后，色度變化不明顯。

經(jīng)過約3天的畫面干燥，該區(qū)域的表面水含量值為9.7，而其色度情況△E值為66.29，L*為65.84，a*為0.24，b*為7.62?？梢?，壁畫出土3天后，該區(qū)域的表面含水量減少1個單位。與此同時，該區(qū)域的色彩也有明顯的變化，△E增加1.6個單位，L*增加2個單位，a*減少1個單位，b*減少3個單位。

1年后，該處表面含水量值為4.7，較剛出土時，△E增加2.7個單位，L*增加2.3個單位，a*增加1個單位，b*減少3.8個單位。根據(jù)CIE Lab均勻色空間表色系統(tǒng)，對于藍色區(qū)域的色彩變化情況，在視覺上，L*增加體現(xiàn)為顏色由暗變亮，b*減小體現(xiàn)為藍色加深。綜合以上參數(shù)變化，該區(qū)域的藍色，色彩由暗藍色變劃為亮藍色，視覺上應(yīng)體現(xiàn)為顏色變艷麗。

2.1.4黑色區(qū)域 對剛出土的壁畫表面馬鞍帶飾(圖5)黑色顏料進行檢測，結(jié)果如表4。

表4 黑色顏料的色度檢測結(jié)果

以上檢測結(jié)果顯示，對于九原崗壁畫表面的該處黑色顏料剛出土時，該區(qū)域較為潮濕，表面水含量值達14.13，而其色度情況△E值為38.73，L*為35.96，a*為0.09，b*為14.34；經(jīng)過約3天的畫面干燥，該區(qū)域的表面水含量值為9.37，而其色度情況△E值為40.73，L*為38.98，a*為-2.7，b*為11.50?？梢?，壁畫出土3天后，該區(qū)域的表面水含量值減少4個單位。與此同時，該區(qū)域的色彩也有明顯的變化，△E增加2個單位，L*增加3個單位，a*減少3個單位，b*減少3個單位。一年后，△E增加6.7個單位，L*增加2.6個單位，a*增加1.65個單位，b*減少1個單位。根據(jù)CIE Lab均勻色空間表色系統(tǒng)，對于黑色區(qū)域的色彩變化情況，以△E、L*的變化為參考點，該區(qū)域的黑色在視覺上的表現(xiàn)為顏色變亮。

對壁畫表面各種色彩區(qū)域的色度檢測結(jié)果顯示，九原崗北朝墓葬壁畫剛出土時的色彩與3天后的色彩有明顯的不同，其紅色、黃色、藍色和黑色的△E值均超過1.5的變化量，達到人眼可識別的范圍[2]。同時，隨著壁畫的干燥，△E的變化更加明顯，1年后壁畫基本干燥后，各區(qū)域的顏色明顯較剛出土變淺。在跟蹤監(jiān)測過程中，濕度的反復變化與當天天氣陰晴狀況有密切的關(guān)系。

2.2 顏料礦物鑒定

采用顯微激光拉曼光譜對九原崗北朝墓葬壁畫殘塊表面的紅、黃、藍、黑顏料進行激光拉曼原位分析。

2.2.1紅色顏料 紅色顏料的Raman譜圖(圖8)中的拉曼峰254.5cm-1，289.5cm-1，345.5cm-1與標準譜庫中朱砂的特征峰(253cm-1，284cm-1，343cm-1)基本吻合，可知該紅色顏料是朱砂。

2.2.2黃色顏料 黃色顏料的Raman譜圖(圖9)，其主要峰位置為：290cm-1，377cm-1，469cm-1，545cm-1，676cm-1，與標準圖譜中針鐵礦(FeO·OH)的峰位置相對應(yīng)，可知該黃色顏料為針鐵礦。

2.2.3藍色顏料 藍色顏料的Raman譜圖(圖10)，其主要譜峰位置為：244.5cm-1，535.6cm-1，803cm-1，1086.7cm-1，1634cm-1，與標準圖譜中青金石((Na，Ca)7-8(Al，Si)12(O，S)24[SO4，Cl2(OH)2])的峰位置相對應(yīng)，可知該藍色顏料為青金石。

2.2.4黑色顏料 黑色顏料的Raman譜圖(圖11)，其主要譜峰位置為：1324cm-1，1614cm-1，于標準圖譜中碳(C)峰的位置相對應(yīng)，可知該黑色顏料是炭黑。

圖8 紅色顏料的Raman譜圖Fig.8 Micro-Raman spectra of the red

圖9 黃色顏料的Raman譜圖Fig.9 Micro-Raman spectra of the yellow

圖10 藍色顏料的Raman譜圖Fig.10 Micro-Raman spectra of the blue

圖11 黑色顏料的Raman譜圖Fig.11 Micro-Raman spectra of the black

檢測結(jié)果顯示，九原崗北朝墓葬壁畫采用了紅色的朱砂、黑色的炭黑、藍色的青金石、黃色的針鐵礦等性質(zhì)穩(wěn)定的礦物顏料進行壁畫彩繪。此類顏料在自然條件下不易變色、褪色，可以持久保持鮮艷的色澤。壁畫顏料褪色主要受到環(huán)境因素的影響[3，4]。光輻射、高濕度和空氣污染物中的酸性氣體等是顏料褪色的主要因素[5]。九原崗北朝墓葬壁畫保存于彩鋼結(jié)構(gòu)防護棚內(nèi)(圖12)，受到環(huán)境中光照的影響較小。此外，該墓葬處于忻州地區(qū)野外自然環(huán)境中，當?shù)乜諝赓|(zhì)量較好，遠離工業(yè)區(qū)，空氣污染物中酸性氣體的影響較小，故壁畫在出土初期的色彩變化主要受到環(huán)境濕度的影響。

經(jīng)檢測，在進行壁畫發(fā)掘保護的過程中3個月中，九原崗北朝墓葬壁畫防護棚內(nèi)的濕度始終高達75%以上(圖13)。高濕度的壁畫保存環(huán)境導致壁畫表面水含量極大。表面水含量檢測結(jié)果顯示，新出土壁畫表面的水含量值達10.5以上，干燥約半個月后，濕度最低可降至4.0左右。而隨著壁畫表面水含量的降低，各種顏色的△E也有較大的變化，體現(xiàn)在壁畫色彩的顯示上，可以達到人眼可以明顯識別顏色變化的程度。

圖12 九原崗北朝壁畫墓墓道及防護棚Fig.12 Protective casing of the mural tomb

圖13 墓道東壁中端溫濕度監(jiān)測Fig.13 Temperature and humidity testing on the east side of the tomb passage

壁畫在干燥過程中，壁畫地仗層內(nèi)的可溶性鹽結(jié)晶逐漸向畫面遷移(圖14)，最后聚集在壁畫表面，進一步降低了畫面色彩的飽和度。

此外，在水分的蒸發(fā)過程中，可溶性鹽結(jié)晶體積膨脹或收縮；壁畫在保存環(huán)境中，表面溫度變化導致顏料層材料熱脹冷縮，顏料膠結(jié)材料老化，均可能導致顏料顆粒脫落[6]，最終導致壁畫色彩飽和度降低[7]，也可能會導致壁畫色彩在視覺上變淺?？傮w上，壁畫濕度降低從根本上導致壁畫色彩變淺。

A區(qū)域為壁畫脫鹽后; B區(qū)域為脫鹽前圖14 壁畫表面鹽結(jié)晶Fig.14 Salt crystals on the mural

3 結(jié) 論

忻州九原崗北朝墓葬壁畫采用中國古代傳統(tǒng)礦物顏料進行繪制，此類顏料在埋藏環(huán)境中性質(zhì)穩(wěn)定，不易變色、褪色。出土后壁畫畫面色彩的變化，主要是壁畫表面濕度的變化所致。新出土的壁畫，由于長期處于埋藏于土壤環(huán)境中，表面潮濕，水分的作用導致礦物顏料對光的反射增強，從而顯示出較為鮮艷的色彩。壁畫出土后，隨著畫面的干燥，壁畫表面水含量降低，顏料對光線的反射減弱，色彩變淺。

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