敦煌莫高窟第108窟西壁巖體內溫濕度變化規律研究

內容摘要：敦煌莫高窟保存有大量精美的壁畫，隨著時間的推移，一些洞窟的壁畫產生了酥堿、起甲、空鼓等病害。大量研究表明，鹽分運移和富集是導致壁畫產生病害的主要因素，而巖體內水汽梯度和溫度梯度的存在則為鹽分的運移提供了先決條件。為尋找出溫度和相對濕度在巖體內部的變化規律以及它們之間的相互影響與制約關系，我們在第108窟西壁壁畫脫落處鉆孔安裝了溫濕度監測設備，開展洞窟巖體內溫濕度的長期監測。本文以莫高窟第108窟西壁巖體內最近3年的溫濕度實測數據為依據，通過對溫濕度數據采用橫向、縱向對比，得出如下結論：巖體內淺部區域，在溫度增高的方向上，水汽呈減少的趨勢。在垂直和水平方向上，溫度變化呈周期性，相對濕度則由表向里逐漸升高，且在一定深度內達到穩定。本次研究探索了洞窟巖體內溫度對相對濕度的影響以及溫濕度的變化規律，為進一步分析壁畫病害機制和采取防范措施提供了科學依據。

關鍵詞：莫高窟；巖體；溫濕度；變化規律

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2012）01-0086-06

一 前言

莫高窟是世界上著名的文化遺產之一，但是，賦存環境的變化和壁畫自身材質的劣化也給它帶來了很多的難題，壁畫鹽害就是其中之一。張明泉、張虎元等[1]通過分析壁畫病害機理，認為鹽分在水分的作用下，運移到地仗層和壁畫層以及它們的接觸界面上，發生水化、離子交換和重結晶作用，從而破壞了地仗層和壁畫的結構，導致了病害的發生。王旭東[2]認為，在對干旱環境中的土遺址進行保護時，多因素耦合共同作用對土遺址劣化的研究較少，尤其是溫度對土遺址作用的研究更少。郭青林等[3]在對莫高窟底層洞窟的巖體進行水汽與鹽分空間分布及其關系的研究中，對巖體內鹽分的分布規律以及鹽分與水汽的關系進行過詳細的闡述，并指出，溫濕度和鹽分有很好的關聯性。楊善龍[4]概要論證了洞窟巖體內的溫度和濕度之間的關聯以及它們在巖體內的分布規律。

本文以最近三年收集到的第108窟巖體內溫濕度實測數據為依據，重點分析了它們在巖體內水平和垂直方向上的變化規律。作為一對耦合因素，溫濕度在鹽分的運移中所扮演的角色，學者們已經有過詳細的闡述[5-14]。本研究對了解洞窟巖體內溫濕度的變化規律，進一步研究壁畫病害的產生機理，并做出相關的保護決策有重要意義；同時也為下一步研究巖體內部溫濕度和洞窟內溫濕度的相關性提供依據。

二 監測設置

敦煌莫高窟第108窟為五代時所建的大型洞窟，位于莫高窟南區中部偏南，屬于底層洞窟。洞窟壁畫產生了大量病害，以西壁最為嚴重，目前西壁壁畫大部分已經脫落，僅在西北上部還保存有一塊壁畫（圖1）。為研究巖體內的溫濕度變化，我們在洞窟西壁壁畫脫落處設置了2個鉆孔，安裝溫濕度儀（瑞士rotronic）以監測巖體內的溫濕度變化，鉆孔的位置分布如圖2所示。其中每個鉆孔按不同深度分別布置了7個探頭，探頭的分布位置見圖3。

三 數據分析與討論

自2008年5月以來截止本文撰寫時，洞窟的溫濕度一直在監測當中，期間由于電池斷電或者設備故障的緣故，個別月份或個別探頭的數據存在缺失。現擇其可用數據進行分析。

3.1 巖體內水平方向上的溫濕度變化規律

a） 溫度變化規律

上圖可以看出，在一年的周期內，不同深度位置上的溫度波動都呈現出各自的類正弦曲線變化。總體來說，深度越淺，曲線振幅越大，波動越明顯。深度越深，曲線振幅越小，波動越不明顯，可以預示的是，在巖體內部的一定深度（大于4.7m）上，溫度基本處于一個平穩的狀態。鉆孔外P1的波動也呈現出正弦曲線變化，而且波動幅度明顯比鉆孔內部的波動幅度大。

另外，7個探頭所處位置上溫度的波動幅度是逐漸降低的，直至達到一定深度（大于4.7m）上溫度變化趨于平緩，根據熱力學第一定律可知，巖體內淺部區域正在源源不斷的接受來自洞窟內部的能量傳遞，換言之，洞窟內溫度的變化影響著巖體內淺部區域的溫度變化，且這種影響隨著鉆孔深度的增加，越來越小。

在巖體內部同一位置上，每年12月到次年5月，隨著深度的加深，溫度呈現降低的趨勢， 6月到11月這種趨勢正好相反。同一位置不同月份之間的溫度存在梯度差，且由淺到深逐漸降低。

圖上還反映出這樣的事實：每年的6月到11月，在巖體淺部大約0.3m的深度區域內，其溫度比洞窟內巖體溫度還要高。如果把P2、P3、P4、P5、P6、P7以及P1探頭所賦存的環境分別看做是兩個系統的話，壁畫地仗層以及顏料層則充當著兩個系統之間氣體交換的介質，這種介質的孔隙度是否均勻分布，也影響著兩個系統之間能量傳遞的效率，而地仗層及顏料層的物理化學性質究竟如何影響著能量傳遞的效率，值得進一步研究。

b） 相對濕度變化規律

圖5表明，水平方向上深度越深，相對濕度越大，約在2.5m的深度上達到100%，說明在該位置及更深的位置上，當波動的溫度達到水汽的露點時，就有出現凝結水的可能性。總體來看，淺部位置上的相對濕度波動很明顯，說明在巖體內淺部（表面至2.5m深度范圍），水分的波動幅度較巖體深部區域大，而水分的大幅度波動，增加了鹽分不斷地結晶和重結晶的危險，從而造成壁畫病害周而復始的發生[15]，給修復工作帶來巨大挑戰。

同時，在巖體淺部區域，相對濕度在12月到次年5月間總是比6月到11月間的波動幅度大。由圖4可知，12月到次年5月間巖體內淺部溫度低于深部溫度，而此時淺部相對濕度的變化較6月到11月間更劇烈，由此可以認定，正是巖體內淺部和深部存在著溫度差，才導致了水分朝巖體淺部區域運移，促使淺部區域內水分含量及波動幅度和6月到11月間的相比，都有較大的提高。即在巖體淺部的一定區域內，水汽在水平方向上是朝著溫度降低的方向運移的。這種結論曾亦鍵等[16]已經論證過。

另外，洞窟內相對濕度的波動趨勢，在6月到11月，呈凸函數變化，且在7、8月份達到頂峰；12月到次年5月呈凹函數變化，在1、2月跌入低谷。綜合以上敘述，可以推斷出，洞窟內的水汽變化受洞窟巖體內部水汽變化的影響不大。考慮到洞窟大氣和窟外大氣相連通的事實，窟外大氣中水汽的變化在窟內水汽呈現凸凹函數變化的規律中扮演著不可或缺的角色。

3.2 巖體內垂直方向上溫濕度變化規律

選取兩鉆孔同一深度上若干探頭的溫濕度實測數據作圖，以獲取巖體內部在垂直方向上的溫濕度變化規律。

a） 溫度變化規律

巖體內，不僅在水平方向上存在溫度高低的交替變化現象，在垂直方向上，情況也類似，不同的是，這種交替越往深處越不明顯，甚至于消失。從上圖可以看出，在0.3m、0.8m、2.5m的深度上，溫度也呈現出類似正弦函數波動，即以半年為半周期交替變化。在一年中的6月到11月，位置高的地方溫度高，位置低的地方溫度低，從12月到次年5月間，這種現象正好相反，而且從6月到11月間，高低位置上的溫度差比12月到次年5月間的溫度差要明顯得多。然而在4.7的深度上，全年的溫度都是位置高的地方比位置低的地方高，說明在該位置上，溫度隨時間而交替變化的現象已消失，表現為位置越高，溫度就越高。

b） 相對濕度變化規律

如圖10、11、12、13所示，巖體內淺部區域，相對濕度在垂直方向上，總是表現為位置越低，相對濕度越高。在巖體內2.5m、高度為0.5m的地方，相對濕度已經率先達到100%，這種趨勢，在深度為4.7m的地方已經變得統一，二者的相對濕度都處于穩定的100%，進一步證明了3.1.b）中“在巖體內部2.5m及更深的位置上，當溫度適宜時會出現凝結水”的結論。

按照3.1.b）的結論和圖6、7、8、9所示，淺部區域的水汽在6到11月是由高處向低處運移的，表現為6到11月間低處的相對濕度比高處要高，這在圖10、11、12、13中得到了證實。同時，從12月到次年5月，水汽則是由低處向高處運移，考慮到實際情況，水汽垂直往上運移與其水平運移相比，還需要克服重力作用，加上水汽運移在垂直方向上還要受到礫巖顆粒的阻力，所以在12月到次年5月，水汽由低處向高處的運移并不明顯。

另外，上圖也一致反映出，巖體內淺部區域的相對濕度在12月到次年5月間的波動幅度明顯增加，表現為相對濕度的曲線大幅度的劇烈振動。這是因為這些位置受到了水平方向上的水汽運移補給。這在3.1.b）中可以得到印證。

3.3 同一位置上的溫濕度相關性

由圖14、15、16、17可以看出，在巖體內0.3m和0.8m的位置上，溫度和濕度呈現出一定的相關性，即溫度降低，相對濕度也隨之降低，溫度升高，相對濕度則隨之升高。然而在2.5m深度上，相對濕度的波動趨勢明顯降低，而溫度則是正弦曲線變化。到了3.5m的深度，相對濕度達到100%，保持水平不變，溫度依然以正弦曲線變化。說明同一位置同一時刻的溫濕度在巖體淺部的一定范圍（2m之內）內有相同的波動趨勢，但這種波動趨勢之間并沒有必然的聯系。

四 結論

（1）在尋找壁畫病害的成因時，不應忽略巖體內溫度差的存在，在相當程度上，溫度差在水汽乃至鹽分運移的過程中扮演著推動力的角色。

（2）巖體內淺部區域的溫度都是呈類似正弦曲線波動的，從12月到次年5月，溫度由淺到深逐漸升高，6月到11月這種趨勢正好相反。淺部區域的溫度直接受洞窟內溫度的影響，其波動幅度都由淺到深逐漸減小，且到了一定的深度位置，溫度的波動趨勢就會消失，即溫度基本趨于穩定。

（3）巖體內4.7m深度的區域內，水汽由淺到深逐漸增加，不同深度上水汽的波動趨勢不同，在一定深度上，當溫度達到露點時，有出現凝結水的可能性。隨著季節交替，溫度周期性波動，水汽總是朝著溫度降低的地方運移，而水汽波動在12月到次年5月間最為活躍。從理論上講，這個時期也是壁畫遭受來自巖體內部威脅最嚴重的時期。鑒于每年6到11月是敦煌地區強降水期，因此，和洞窟外部的降水對壁畫賦存環境的威脅相比，壁畫遭受來自巖體內部的威脅要弱得多。

（4）巖體內淺部區域的一定位置上，在同一時刻的溫濕度波動趨勢是相同的，同減同增。但這種相同的波動趨勢之間并沒有必然的聯系。

參考文獻：

[1]張明泉，張虎元，等.莫高窟壁畫酥堿病害產生機理[J]. 蘭大大學學報（自然科學版），1995，31（1）：96-100.

[2]王旭東. 中國干旱環境中土遺址保護關鍵技術研究新進展[J] .敦煌研究，2008（6）：7.

[3]郭青林，王旭東，薛平，等.敦煌莫高窟底層洞窟巖體內水汽與鹽分空間分布及其關系研究[J] .巖石力學與工程學報，2009，28（增2）：3773-3774.

[4]楊善龍. 敦煌莫高窟崖體中水、鹽分布現狀初步研究[D].蘭州：蘭州大學碩士學位論文，2009：25-30.

[5]李最雄.絲綢之路石窟壁畫彩塑保護[M].北京：科學出版社，2005.

[6]孫儒澗.莫高窟壁畫保護的若干問題[J].敦煌研究，1985（2）：169-171.

[7]段修業.對莫高窟壁畫制作材料的認識[J].敦煌研究，1988（3）：43-45.

[8]段修業，孫洪才.莫高窟第108窟酥堿起甲壁畫的修復報告[J].敦煌研究，1990（3）：93-94.

[9]郭宏，李最雄，宋大康，等.敦煌莫高窟壁畫酥堿病害研究之一[J].敦煌研究，1998（3）：153-157.

[10]張明泉，張虎元，李最雄，等.敦煌壁畫鹽害及其地質背景[C].敦煌石窟文集.蘭州：甘肅民族出版社，1993：356-362.

[11]陳港泉，蘇伯民.莫高窟第85窟壁畫地仗酥堿模擬試驗[J].敦煌研究，2005（4）：62-66.

[12]靳治良，陳港泉，錢玲，等.莫高窟壁畫鹽害作用機理研究（I）[J].敦煌研究，2008（6）：50-53.

[13]David WattBelinda Colston，Investigating the effects of humidity and salt crystallisation on medieval masonry[J]. Building and Environment，2003，35（8）：737-749.

[14]B.LubelliR.P.Jvan Hees，C.J.W.P.Groot，Sodium chloride crystallization in a“salt transporting” restoration plaster[J]. Cement and Concrete Research，2006，36（8）：1467-1471.

[15]李最雄. 敦煌石窟保護工作六十年[J].敦煌研究，2004（3）：17.

[16]曾亦鍵，萬力，等. 淺層包氣帶地溫與含水量晝夜動態的實驗研究[J]，地學前緣，2006，13（1）：56.