文 娟,徐博凱,胡軍艦,李 鑫,張宏英
(1. 天水師范學(xué)院化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院,甘肅天水 741000; 2. 天水麥積山石窟藝術(shù)研究所,甘肅天水 741020;3. 西北大學(xué)文化遺產(chǎn)學(xué)院,陜西西安 710127; 4. 天水市博物館,甘肅天水 741000)
麥積山石窟位于甘肅省天水市,1961年被列入第一批全國重點文物保護單位,2014年作為“絲綢之路—長安至天山廊道的路網(wǎng)”一處遺產(chǎn)點,列入世界文化遺產(chǎn)名錄。石窟始建于十六國后秦時期,西秦、北魏、西魏、北周、隋、唐、宋、元、明、清各代都有開鑿和修繕,現(xiàn)存洞窟221個,石窟數(shù)量多、規(guī)模大,保存有10 632身泥塑石雕,約1 000多平方米壁畫,造像壁畫時代特色鮮明,內(nèi)容豐富,題材廣泛,保存有最早最完整的西方凈土變、維摩變、涅槃變、法華變等大型經(jīng)變畫[1-3],是中國北朝佛教藝術(shù)嬗變的杰出代表,能全面反映5~18世紀(jì)天水地區(qū)傳承不斷的佛教思想和信仰?,F(xiàn)存北魏時期窟龕數(shù)量90余個,是石窟營造的高潮時期,極大地促進了麥積山石窟造像的繁榮,北魏時期造像壁畫題材多樣,以多種組合形式的三世佛為主,還包括有二佛并坐、說法佛立像、弟子授記像、千佛造像等法華造像、經(jīng)變壁畫等[4-5],對于研究古代隴右石窟文化、佛教文化發(fā)展及石窟壁畫藝術(shù)提供了十分寶貴的實物資料,在古代石窟寺文化史研究中具有重要地位。
麥積山石窟131窟開鑿于北魏晚期,洞窟正壁保存有佛造像一身(圖1a)、左右壁各保存佛造像一身,佛像手部、腿部有殘缺,四壁貼有影塑佛、供養(yǎng)菩薩及弟子,應(yīng)為三世佛造像。該洞窟可能長期用作生活窟,洞窟內(nèi)泥塑、壁畫表面均覆蓋有很厚的煙熏污染物,無法觀察到壁畫畫面內(nèi)容(圖1b)。病害調(diào)查表明近70%的壁畫已經(jīng)完全脫落,保留下來的壁畫也已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的空鼓、脫落,保存狀態(tài)堪憂。從洞窟內(nèi)保存壁畫脫落邊緣部位(圖1c)觀察可知,131窟壁畫是直接在鑿刻好的崖體上涂覆粗泥層找平,厚度1~2 cm,然后涂細(xì)泥層,厚度0.5~1.0 cm,最后繪制顏料層。壁畫沒有重修、重繪現(xiàn)象,完整保留了北魏晚期壁畫制作材料、制作工藝等原始信息。
(a)主佛造像; (b)正壁保存的泥塑壁畫; (c)邊緣空鼓壁畫圖1 麥積山石窟131窟主佛造像及泥塑壁畫保存現(xiàn)狀Fig.1 Preservation status of the main Buddha statue and clay sculptures and murals in Cave 131 of Maijishan Grottoes
以麥積山131窟采集的壁畫殘塊為分析對象,使用多種分析測試方法對壁畫樣品剖面結(jié)構(gòu)、地仗層土砂質(zhì)量比及壁畫原料成分等進行科學(xué)分析,探討麥積山131窟壁畫原料成分和制作工藝。該研究有助于了解麥積山石窟北魏晚期壁畫制作工藝,并為后期壁畫病害機理研究、篩選保護修復(fù)材料及保護修復(fù)工藝提供依據(jù)。
1.1.1壁畫殘塊樣品 此次實驗采集131窟內(nèi)正壁及左右壁已經(jīng)脫落壁畫樣品殘塊3塊,分別編號為1#、2#、3#(圖2),樣品粗泥層、細(xì)泥層層次結(jié)構(gòu)完整,表面覆蓋有黑色煙熏污染物,無法觀察煙熏層底部是否存在顏料層,煙熏層局部脫落部位能觀察到白色底色層和地仗層,粗泥層厚1~2 cm,細(xì)泥層厚0.5~0.7 cm,粗、細(xì)泥層添加纖維明顯不同。
圖2 131窟壁畫殘塊樣品圖片F(xiàn)ig.2 Samples of mural fragments in Cave 131
1.1.2自然沉積土樣 麥積山石窟周邊分布的主要是紫紅色砂礫土,黏土中包含有較多大小不一的巖石碎屑,20世紀(jì)70年代壁畫地仗修復(fù)用泥篩選實驗中發(fā)現(xiàn),石窟周邊紅土相比細(xì)質(zhì)黃土,制作的地仗層試塊收縮性更強,與崖體粘性低,干燥時極易開裂[6],不適合用作壁畫、泥塑地仗層修復(fù)材料。為了進一步了解131窟壁畫制作使用的黏土原料及其來源,為后期地仗層修復(fù)用土選擇提供參考依據(jù),結(jié)合石窟周邊常用取土地點,依據(jù)由近及遠(yuǎn)原則篩選麥積區(qū)麥積鎮(zhèn)麥積村黃土坎黃白細(xì)粒土(距石窟約0.7 km),麥積區(qū)馬跑泉鎮(zhèn)甸子村磚廠黃白細(xì)粒土(距石窟約24.7 km),麥積區(qū)社棠鎮(zhèn)社棠村磚廠黃白細(xì)粒土(距石窟約23.4 km),剝離表層土樣后,直接采集細(xì)質(zhì)堅硬的黃土塊,分別編號為4#、5#、6#。
基恩士VHX-7000超景深顯微鏡用于壁畫顏料層保存現(xiàn)狀、剖面分析及纖維形態(tài)觀察,放大倍數(shù)20~1 000倍,高亮度LED光源,大范圍高精度表面觀察。
Mastersizer 3000激光粒度儀(英國馬爾文儀器有限公司)分析粗、細(xì)泥層中土砂顆粒粒徑,測試條件為:分散劑為水,分散劑折射率1.330,Hydro全自動濕法進樣,測試量程0.01~3 500 μm,遮光度范圍5%~30%。
日本島津XRD-7100衍射儀用來分析地仗層中黏土的主要物質(zhì)成分,Cu靶,狹縫,電壓40 kV,電流30 mA,掃描范圍10~80°,連續(xù)掃描,掃描速度5°·min-1。
Niton—XL3T 950型便攜式X射線熒光光譜儀,高性能微型X射線管,Au靶,Si-Drift SDD探測器,電壓50 kV,電流40 μA,General Metals模式,分析時間30 s,直接在壁畫樣品表面測試。
法國JYBIN YVON公司生產(chǎn)的XploRA拉曼光譜儀獲取煙熏污染物,顏料層與底色層顏料物質(zhì)信息。采用氬離子激光器,激發(fā)光波長532 nm,物鏡放大倍數(shù)50倍,信息采集時間20 s,累加次數(shù)5次,功率5%。在體視顯微鏡下挑取粉末樣品放在載玻片上直接分析。
1.2.1土砂比例分析 參考王丹陽[7]對須彌山48窟泥塑樣品土砂比例的分析檢測方法,采用懸浮沉淀法對131窟壁畫粗泥層、細(xì)泥層及采集自然土樣做土砂比例分析。
從壁畫殘片邊緣部位精確分離粗、細(xì)泥層樣品各2 g置于燒杯中,105 ℃烘干至恒重,使用陶瓷研桿輕輕搗碎較大塊土樣,將樣品中的纖維揀選出來,一定注意不要研磨樣品。揀選纖維時發(fā)現(xiàn)有較多老化斷裂嚴(yán)重的細(xì)小纖維無法揀選,為避免細(xì)小纖維對土砂粒度測試產(chǎn)生影響,在粗、細(xì)泥層樣品中加適量蒸餾水浸泡,輕微攪拌使纖維分散開,25 Hz震蕩5 min后靜置,將懸浮在水中的纖維揀選出來,重復(fù)震蕩直至將纖維揀選干凈后將粗、細(xì)泥層中沉淀的土、砂樣品轉(zhuǎn)移至具塞比色試管中備用。
分別稱量自然土樣10 g裝入具塞比色試管中加適量蒸餾水,固定后25 Hz震蕩15 min靜置,記錄上下層土、砂體積。然后加入適量蒸餾水震蕩,將上層懸浮液倒出,多次震蕩直至上層溶液澄清,將所有樣品中土砂完全分離后恒溫105 ℃烘干至恒重,稱量記錄。
1.2.2地仗層添加纖維鑒定 參考纖維橫截面切片技術(shù)[8],將粗、細(xì)泥層中揀選出來的纖維清洗干凈烘干至恒重,用無水乙醇清洗,室溫晾干,將細(xì)小纖維完全分散后置于滴有甘油的載玻片上,用蓋玻片覆蓋后進行纖維縱向形貌觀察。將較大較完整的纖維排列整齊,用硝基清漆包裹,固化8 min后將樣品放入哈氏切片器卡槽中,用刀片迅速切片,切下的薄片立即置于滴有甘油的載玻片上,使用蓋玻片覆蓋切片樣品用于纖維橫截面形貌觀察。
將壁畫殘塊表面黏附的灰塵吹除后觀察可知:壁畫樣品表面覆蓋了一層致密的黑色煙熏污染物,且煙熏層存在較嚴(yán)重的龜裂問題(圖3a),部分煙熏層出現(xiàn)脫落,脫落部位可以觀察到白色底色層和地仗層。使用手術(shù)刀刮除煙熏層污染物后暴露的顏料層呈現(xiàn)紅褐色(圖3b)。
圖3 131窟壁畫樣品顯微照片F(xiàn)ig.3 Micrographs of mural samples from Cave 131
壁畫殘片樣品剖面顯微形貌結(jié)構(gòu)觀察可知,樣品表面煙熏層厚約28.07 μm,結(jié)構(gòu)致密,底色層連續(xù)分布,厚度不均勻,較厚部位約35.26 μm,顏料層分布不連續(xù),厚度不均勻,較厚部位約21.08 μm(圖4a)。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查與樣品剖面分析可以確定,131窟壁畫依次為粗泥層、細(xì)泥層、白色底色層、紅色顏料層,層次結(jié)構(gòu)完整,131窟壁畫先在巖體表面涂敷一層較厚粗泥層找平后涂較薄的細(xì)泥層,細(xì)泥層表面整體涂刷白色底色層,然后用顏料繪制圖案,與絲綢之路莫高窟、甘肅涇川羅漢洞、克孜爾、炳靈寺等石窟壁畫制作工藝基本相同[9-11]。
壁畫表面由于人為因素覆蓋了一層較厚的煙熏污染物,緊密黏附在顏料層與底色層上,煙熏層與顏料層、顏料層與底色層中間都存在明顯的內(nèi)部空鼓現(xiàn)象(圖4a、圖4b)。這種空鼓是造成壁畫表面顏料層、底色層脫落的嚴(yán)重隱患。
2.2.1土砂比例分析 古代石窟壁畫地仗層使用的黏土原料一般“就地取材”,會進行淘洗、添加砂礫等加工處理措施。131窟粗、細(xì)泥層與自然土樣分析所得土和砂的體積比、質(zhì)量比見表1。分析結(jié)果顯示,131窟粗泥層的土砂質(zhì)量比小于細(xì)泥層和自然土樣,說明粗泥層中含沙量高于細(xì)泥層。細(xì)泥層中土砂質(zhì)量比低于黃土坎和甸子村土樣但高于社棠村土樣,無法體現(xiàn)黏土中沙礫人為添加情況及淘洗處理等后期加工信息。莫高窟第8窟地仗層僅使用自然沉積澄板土,無人為添加砂礫[12],相比莫高窟、克孜爾石窟、榆林窟、武威天梯山石窟、炳靈寺石窟,麥積山石窟壁畫地仗層含沙量最高,一般在70%左右[13]80。麥積山石窟周邊采集的自然土壤線縮率0.12%~1.15%,體縮率為1.36%,縮限為3.80%,收縮系數(shù)為0.055,具有較明顯的干燥收縮性,地仗層中較高的含沙量可以很好地降低黏土的收縮性,但同時會降低黏土與崖體的黏附性,是導(dǎo)致壁畫脫落的原因之一。
2.2.2地仗層土砂粒度分析 為進一步分析麥積山131窟壁畫粗、細(xì)泥層制作工藝及黏土原料來源,分別測試壁畫地仗層樣品粗、細(xì)泥層及自然土樣中土、砂粒度,分析數(shù)據(jù)如圖5所示。從土樣的粒徑數(shù)據(jù)(圖5a)分析可知,壁畫地仗層中土樣的顆粒粒徑主要集中在20.9~110 μm范圍內(nèi),不同粒徑范圍內(nèi)含量稍有不同,與甸子村采集土樣一致,表明131窟不同部位地仗層均使用了相同的自然沉積土。黃土坎、社棠村兩地采集土樣在20.9~110 μm粒徑分布范圍內(nèi)含量降低,在132~479 μm粒徑范圍內(nèi)含量明顯增加,與甸子村采集的土樣粒徑分布比例明顯不同,分析可知人們會有意識篩選天然細(xì)質(zhì)沉積黏土作為壁畫地仗制作原料,推測131窟使用的黏土可能采集于距離石窟稍遠(yuǎn)的甸子村。
圖5 樣品粒徑分布曲線圖Fig.5 Particle size distribution curves of soil and sand samples and natural soil samples
從砂礫粒徑數(shù)據(jù)(圖5b)分析可知,不同地點自然土樣中沙粒粒徑分布范圍為15.4~158 μm,粒徑分布具有高度一致性。粗、細(xì)泥層樣品砂礫粒徑分布范圍為0.759~832 μm,分布范圍遠(yuǎn)大于自然土樣,粒徑變異性極大。從粒徑分布曲線來看,在132~398 μm粒度范圍內(nèi),自然土砂礫含量極低,粗泥層砂礫含量最高7.28%,細(xì)泥層含量最高9.99%,該粒徑范圍砂礫應(yīng)屬于人為添加的均勻細(xì)沙。壁畫細(xì)泥層中479~832 μm粒度范圍內(nèi)砂礫添加量明顯減少,2#、3#樣品粗泥層添加量則明顯增加,且粒度變異性較大,表明131窟左、右壁地仗粗泥層添加了更多粒徑大且大小不均勻砂粒。
綜上所述,131窟壁畫粗、細(xì)泥層中使用的黏土原料是石窟周邊采集的天然細(xì)質(zhì)黏土,細(xì)泥層添加的砂礫細(xì)小均勻,正壁粗泥層添加的砂礫較均勻,與細(xì)泥層一致,應(yīng)是人為淘洗篩選過的均勻細(xì)質(zhì)沙粒。但左右壁粗泥層中添加砂礫大小不一,且大顆粒砂礫較多,推測未進行淘洗篩選。
2.2.3地仗層成分分析 131窟地仗層樣品與采集的自然黏土X射線衍射分析結(jié)果表明:地仗層黏土的物相成分主要包括石英、少量方解石、長石等(圖6a),與距離麥積山石窟稍遠(yuǎn)的甸子村采集的天然黏土成分相似(圖6b)。粒徑分析數(shù)據(jù)也表明131窟壁畫樣品與甸子村自然土樣一致,推斷麥積山石窟會從距離石窟較遠(yuǎn)的地方采集更適宜壁畫制作的黏土原料。
圖6 樣品XRD圖譜Fig.6 XRD patterns of the plaster layer sample from Cave 131 and natural soil sample
2.2.4地仗層添加纖維鑒定 古代壁畫制作時會在地仗層中添加較多的麥草、麻、棉等植物纖維降低黏土的收縮性,防止地仗層在干燥過程中出現(xiàn)開裂[14]。131窟壁畫粗泥層中添加短寬的片狀纖維與桿狀纖維,且混合有極少量細(xì)長纖維。樣品纖維縱向形貌一致,呈均勻分布柱狀,邊緣部分有很多緊密排列的小鋸齒,纖維有很明顯的結(jié)節(jié),與麥草纖維形態(tài)相似(圖7a、圖7b、圖7c)。圖7d粗泥層纖維橫截面細(xì)胞排列緊密,為枕狀橢圓形,細(xì)胞較大,細(xì)胞壁明顯,細(xì)胞呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),紋孔稀小,與小麥纖維橫截面特征相似[15]??芍?31窟粗泥層添加纖維為小麥麥稈及麥衣,混合的細(xì)長纖維含量很少,未能切出橫截面,無法判斷其纖維種類。
圖7 131窟壁畫樣品粗泥層添加纖維顯微圖片F(xiàn)ig.7 Micrographs of fiber added in the coarse mud layer of Cave 131
壁畫細(xì)泥層中添加纖維均為團絮狀細(xì)短纖維。纖維縱向形態(tài)細(xì)長,有不太明顯的橫節(jié)紋(圖8a、圖8b、圖8c),橫截面形態(tài)(圖8d)具有明顯的麻纖維橫截面特征[16],推斷131窟細(xì)泥層添加的纖維為麻纖維。
圖8 131窟壁畫樣品細(xì)泥層添加纖維顯微圖片F(xiàn)ig.8 Micrographs of fiber added in the fine mud layer of Cave 131
131窟使用摻有較多麥草麥稈、粗砂的黏土作為粗泥層,摻有麻纖維、細(xì)砂的黏土作為細(xì)泥層,涂刷白色底色層后繪制圖案。麥積山石窟崖體屬于砂礫巖,質(zhì)地粗糙,所處林區(qū)環(huán)境潮濕,不同時期地仗層添加纖維種類不同,后秦至宋粗泥層主要添加麥草,明代粗泥層中則添加麻,127、9窟細(xì)泥層中添加棉花[13]82。地仗層中添加沙礫、纖維可以很好地減少黏土收縮開裂,提高地仗層與崖體的黏附力,是壁畫在較為潮濕環(huán)境中能長久保存的重要條件之一。
2.3.1X熒光成分分析 樣品原位無損X熒光分析結(jié)果表明,正壁紅褐色壁畫樣品主要顯色元素為Pb及少量Ca。左壁紅褐色樣品主要顯色元素為Hg、Ca、Fe以及少量Pb。右壁白色樣品主要顯色元素為Ca,推測131窟紅褐色顏料有土紅、鉛丹和朱砂,白色顏料為碳酸鈣或石膏。
2.3.2拉曼光譜分析結(jié)果 煙熏污染物、紅褐色顏料層、白色底色層樣品進行拉曼光譜分析。
煙熏污染物吸收峰出現(xiàn)在360 cm-1、1 368 cm-1(圖9a),與炭黑的標(biāo)準(zhǔn)圖譜基本吻合,可知煙熏污染物的主要顯色成分為炭黑,與早期石窟中使用木材、油脂等燃料的燃燒產(chǎn)物炭黑一致。正壁樣品紅色顏料吸收峰(圖9b)出現(xiàn)在181 cm-1,205 cm-1,405 cm-1,505 cm-1,與紅色顏料鉛丹的標(biāo)準(zhǔn)特征吸收峰(122 cm-1,226 cm-1,393 cm-1,548 cm-1)相比有所變化,主要是因為紅色鉛丹變色后會生成二氧化鉛[17],降低了樣品中散射物質(zhì)鉛丹的濃度[18],可知正壁紅色顏料為鉛丹。左壁樣品紅褐色顏料樣品吸收峰位于265 cm-1、411 cm-1、466 cm-1、607 cm-1、747 cm-1(圖9c),比照標(biāo)準(zhǔn)朱砂、鉛丹及鐵紅的拉曼光譜圖,可以判斷該顏料為土紅、朱砂和鉛丹的混合顏料。白色底色層樣品吸收峰出現(xiàn)在284 cm-1,716 cm-1(圖9d),與方解石的特征拉曼頻位移[19]相對應(yīng),可判定白色底色層主要成分為方解石。
圖9 131窟壁畫樣品拉曼光譜圖Fig.9 Raman specta of samples from Cave 131
131窟壁畫正壁壁畫紅色顏料單獨使用了鉛丹,右壁壁畫紅色顏料使用了鉛丹、朱砂、土紅混合顏料進行調(diào)色,均使用白色方解石作為底色層。周國信[20]對麥積山石窟不同時期顏料分析結(jié)果表明,麥積山石窟不同時期使用的紅色顏料有朱砂、鐵紅,紅色顏料中未檢測出鉛丹,但是不同時期洞窟部分黑色顏料中均檢測出PbO2,李最雄等通過大量實驗表明敦煌石窟PbO2為鉛丹腐蝕變色形成[21],北魏時期黑色PbO2應(yīng)該是紅色鉛丹變色形成。131窟壁畫表面覆蓋著比較厚的煙熏層,清除煙熏層后底部顏料層呈現(xiàn)紅褐色,結(jié)合131窟紅色顏料分析結(jié)果,相比暴露在大氣環(huán)境中鉛丹的腐蝕變黑,變色較輕微,煙熏層如何延緩鉛丹的變色腐蝕需要進一步的深入研究。
麥積山石窟使用的紅色顏料主要是朱砂、鉛丹、鐵紅,不同時期比例不同,早期朱砂使用較多,北周后鐵紅顏料大量使用。不同地區(qū)北魏時期石窟壁畫使用的紅色顏料也存在差異,內(nèi)蒙阿爾寨石窟北魏時期單獨使用朱砂或鉛丹[22],馬蹄寺和天梯山大量使用朱砂和鉛丹[23],莫高窟、炳靈寺、云崗石窟[11]75-76北魏時期使用朱砂、鉛丹、土紅,與麥積山紅色顏料種類一致,但麥積山石窟早期紅色顏料朱砂使用較多,而敦煌則是土紅較多。自古以來各種文化因素在秦州碰撞、交融,麥積山石窟后秦、北魏早期泥塑融合了古代印度、中亞、西域以及中原造像藝術(shù)特點,麥積山早期顏料使用及來源可能同時受到西域、莫高窟和中原地區(qū)影響。
本工作通過對麥積山131窟壁畫樣品的分析研究,結(jié)論如下:
1) 從131窟壁畫剖面結(jié)構(gòu)來看,壁畫的制作是先在巖體表面敷一層較厚的粗泥層找平,再敷一層較薄的細(xì)泥層,然后整體涂抹一層白色底色層,最后繪制顏料層。顏料層與底色層、底色層與地仗層之間均出現(xiàn)了內(nèi)部空鼓,這種內(nèi)部空鼓是壁畫顏料層、底色層脫落的嚴(yán)重隱患。
2) 地仗層成分、土砂比例及粒度分析發(fā)現(xiàn),131窟粗、細(xì)泥層使用的黏土應(yīng)是麥積山周邊稍遠(yuǎn)地區(qū)采集的更適合制作地仗層的自然細(xì)質(zhì)黃土,土質(zhì)顆粒度細(xì)膩,含沙量較低,干燥收縮大,易開裂,添加較多未經(jīng)過篩選處理的顆粒度不均勻沙礫制成粗泥層,添加較少的篩選處理的均勻沙礫制成細(xì)泥層。
3) 依據(jù)纖維橫、縱截面形貌,確定131粗泥層添加纖維為麥衣與麥稈纖維,細(xì)泥層添加的則是麻纖維。
4) 綜合分析可知:131窟壁畫單獨使用鉛丹,混合使用鉛丹、朱砂、土紅紅色顏料,白色底色層為方解石,質(zhì)地較致密。該研究為麥積山石窟131窟壁畫材質(zhì)工藝研究以及壁畫保護修復(fù)提供了科學(xué)依據(jù)。