九原崗輔國將軍墓壁畫表面結殼的形成與清除研究

□　李碧薇　劉晚香　黃繼忠　龔德才

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九原崗輔國將軍墓壁畫表面結殼的形成與清除研究

□李碧薇劉晚香黃繼忠龔德才

摘要：山西忻州出土的九原崗輔國將軍墓的壁畫表面存在大量的結殼，覆蓋了壁畫表面的圖案，嚴重影響了壁畫的歷史價值和藝術價值。本文采用XRF、XRD及偏光顯微鏡對壁畫結殼進行了分析，分析結果表明，結殼為夾雜粘土的鈣質沉積，結殼內部存在明顯的分層現象。根據分析結果，對結殼的形成機理及形成過程進行了解釋。在結殼的成分及形成機理研究的基礎上，提出對結殼采取化學法與機械法相結合的清除方法。

關鍵詞：壁畫結殼形成機理清除研究

一、引言

2014年發掘的明朝輔國將軍墓位于山西省忻州市忻府區蘭村鄉下社村東北方1公里處，屬于九原崗墓群二期發掘項目，墓葬編號為M2。九原崗輔國將軍墓為拱頂石券結構，外部包磚，墓葬由墓道、甬道、墓室三部分組成。墓道位于墓室南部正中央，呈平面長方形，斜壁，斜坡；墓道上口長18.8、寬1.9、深0.3~7.66米。甬道長1.22、寬0.94、高1.44米。墓門高1.28、寬0.92、厚0.15米。墓室平面為長方形，長1.34、寬2.84、高1.84米。

出土時墓室被污土填滿，只在頂部留有約20厘米的空間。將墓室內的污土清理后，在墓室內壁發現壁畫，壁畫表面附著較厚的粘土，幾乎看不到畫面。

圖一　壁畫經初步清理后的情況

圖二　墓室頂部壁畫表面結殼

對壁畫表面附著的粘土進行初步的清理后，發現壁畫表面被結殼覆蓋（圖一、圖二），導致圖案辨識困難，嚴重影響了壁畫的保存和壁畫的歷史價值、藝術價值。經分析，壁畫由三部分組成：支撐體、石灰層和繪畫層。壁畫的支撐體為石條壘砌的墻體，其上涂抹了厚薄不一的石灰層（0.1~0.5厘米），石灰層之上為繪畫層。而結殼處于繪畫層之上，并且與壁畫結合十分牢固。

本文以墓葬壁畫頂部及底部不同形態的結殼為研究對象，運用科學的分析手段對結殼的主要成分及各成分的分布特點進行分析，以獲得結殼成分及各成分的分布信息；同時，對結殼的形成機理及形成過程進行解釋。在結殼成分分析及形成機理研究的基礎上，提出了適合九原崗輔國將軍墓壁畫結殼的清除方法，以便延長壁畫的保存時間，還原壁畫的歷史價值和藝術價值。

二、樣品及方法

1.樣品

本文所用樣品為位于墓室頂部的粒狀結殼和位于墓室門口下端的片狀結殼。

粒狀結殼：質地堅硬，為黃色，呈乳釘狀。

片狀結殼：質地堅硬，為黃色，呈片狀，表面有不規則狀突起。

2.實驗儀器及分析

（1）X射線熒光（XRF）分析

實驗儀器：X射線熒光光譜儀，型號：XRF-1800

將樣品研磨成粉后，通過X射線熒光光譜儀對樣品的元素進行半定量分析，從而判斷出樣品中的主要元素。

（2）X射線衍射（XRD）分析

實驗儀器：樣品水平型大功率X射線粉末衍射儀，型號：TTR-III

將樣品研磨成粉后，通過X射線衍射儀對樣品進行分析，得到樣品的物相成分。衍射角掃描范圍為10°到70°。

（3）偏光顯微鏡分析

實驗儀器：偏光顯微鏡，型號：Axio Scope.A1

樣品經包埋后，垂直于結殼表面打磨制片。通過偏光顯微鏡對樣品進行觀察，得到樣品各物質的分布情況。

三、實驗結果

表一　X射線熒光分析結果

圖三　粒狀結殼的X射線衍射圖

圖四　片狀結殼的X射線衍射圖

1. XRF分析結果

2. XRD分析結果

運用MDI Jade軟件對測試結果進行分析，分析結果如圖三、四所示。從XRD分析結果可以看出，兩個結殼樣品主要含方解石和石英。

XRF分析結果顯示，結殼中除了Si、Ca元素，還含Al、Fe等元素，而XRD中沒有明顯的其他礦物的峰，應是其他礦物含量過低導致的。結合XRF 與XRD結果，說明兩個結殼樣品是夾雜粘土的鈣質沉積[1]。

3.偏光顯微鏡分析結果

通過偏光顯微鏡對樣品進行觀察，發現樣品中含有石英、方解石及粘土礦物，方解石作為膠結物將石英及粘土礦物膠結在一起。此外，樣品還有明顯的分層現象。通過不同放大倍數對樣品進行觀察，樣品存在以下情況。

圖六A處，晶體在正交偏光下呈高級白干涉色，結合XRF及XRD分析結果，說明此處為結晶比較好、雜質含量少的方解石[2]；圖五Ⅰ處所在層即由比較純凈的方解石組成的。這一層為粒狀結殼上緊貼壁畫面，判斷此處的方解石層為壁畫的石灰與水和二氧化碳反應后形成的碳酸鈣層。

圖五　粒狀結殼正交偏光照片（×50）

圖六　粒狀結殼正交偏光照片（×100）

圖七　粒狀結殼正交偏光照片（×200）

圖八　片狀結殼正交偏光照片（×50）

圖九　片狀結殼正交偏光照片（×100）

圖一○　片狀結殼正交偏光照片（×100）

圖六B黃褐色處，為結晶比較差、結晶顆粒比較細、含粘土質較多的方解石；圖五Ⅱ處所在層即由含粘土質的方解石組成。

圖七中無色透明、表面光滑的顆粒為石英[3]，多數呈棱角狀，黃褐色部分為含粘土質的方解石；從圖七中可以清晰地看到，石英顆粒被含粘土質的方解石膠結；如圖五Ⅲ處即為石英層。

根據石英顆粒的有無及多寡，可對粒狀結殼進行分層。結殼內側純凈的方解石為壁畫上的石灰，不是結殼上的物質；而結殼存在方解石層—石英層交替出現的現象。

此外，在圖五中可以看到，結殼中存在孔隙。

通過偏光顯微鏡對樣品進行觀察，發現樣品中含有石英、方解石及粘土礦物，方解石作為膠結物將不同粒徑大小的石英及粘土礦物膠結在一起。此外，樣品還有明顯的分層現象。通過不同放大倍數對樣品進行觀察，樣品存在以下情況。

圖九A黃褐色處，為結晶比較差、結晶顆粒比較細、含粘土質較多的方解石；圖八Ⅲ處所在層即由含粘土質的方解石組成。

圖九中無色透明、表面光滑的顆粒為石英[4]，多數呈棱角狀，黃褐色顆粒為含粘土質的方解石；從圖九中可以清晰地看到，石英顆粒被含粘土質的方解石膠結。圖八Ⅱ處即為石英層，并且片狀樣品中有三層石英層。

圖一○A處，晶體在正交偏光下呈高級白干涉色，結合XRF及XRD分析結果，說明此處為結晶比較好的、雜質含量少的方解石[5]；圖八Ⅰ處所在層即為比較純凈的方解石組成的。這種比較純凈的方解石分布在結殼表面，判斷這種方解石為化學搬運形成的。

根據石英顆粒的有無及多寡，對片狀結殼進行分層。結殼存在方解石層—石英層交替出現的現象；并且，不同石英層中石英顆粒的粒徑大小有所差異。另外，結殼表面為較純凈的方解石。

四、結殼形成機理探討

由分析結果顯示，此結殼為夾雜粘土的鈣質沉積；鏡下觀察到方解石作為膠結物廣泛地分布在整個結殼中，另外，結殼還存在分層現象。

通過對結殼的主要成分以及各層的排列情況進行分析后，筆者認為，結殼的形成主要受到水及碳酸鈣的影響。山西忻州地處黃土高原，黃土高原富含碳酸鹽[6]。在水和二氧化碳的存在下，碳酸鈣與之反應生成碳酸氫鈣，并溶解在水中。隨著水的蒸發和二氧化碳量的減少，導致碳酸鈣析出。析出的碳酸鈣作為膠結物將水中混有的石英、粘土礦物等半膠結在一起，并在壁畫表面沉積下來。另外，壁畫表面的石灰也會與水及環境中的二氧化碳反應，生成碳酸鈣，生成的碳酸鈣將壁畫表面的石灰與結殼粘結起來，導致結殼牢固地粘結在壁畫表面，不易清除。輔國將軍墓的墓頂距地面約5.5米，需洪水或長期降雨等因素才能使水持續地滲透到墓葬中。洪水等災害發生后，水將土壤中的碳酸鈣等物質逐漸地、不斷搬運至壁畫表面，待水蒸發后，水中混有的物質在壁畫表面沉積；經過多次洪水或長期降雨，墓葬壁畫上便形成了大量不規則的、具有分層現象的結殼，最終影響了輔國將軍墓壁畫的保存。

根據分析結果，對粒狀結殼及片狀結殼的形成過程進行推測。

墓葬頂部滲水時，水滲透到壁畫表面形成水滴，當水蒸發后形成乳釘狀鈣質沉積核；隨著沉積物的不斷沉積，最終形成了乳釘狀粒狀結殼。當水沿著壁畫側壁緩慢流下時，由于壁畫表面粗糙，有一部分水會留在壁畫表面，水分蒸發后，便在壁畫側壁形成了片狀鈣質沉積核；隨著沉積物的不斷沉積，最終形成了片狀結殼。水逐漸蒸發時，水表面的方解石容易析出，在沉積核表面便形成含石英顆粒較少的方解石層，而沉積內部則形成含石英顆粒較多的石英層。當墓葬再次滲水后，在沉積核的表面形成新的沉積，如此往復，形成具有分層現象的結殼。

圖一一　粒狀結殼形成圖

圖一二　片狀結殼形成圖

兩種結殼形成過程分別如圖一一和圖一二所示。

另外，本次檢測的片狀樣品有較為明顯的三層石英層，說明在將軍墓存續的時間段內，墓葬至少受到三次洪水或長期降雨的影響，導致墓葬長期緩慢滲水。明萬歷年間至1980年，這300多年里，忻州地區的洪澇災害近10次[7]，其中特大洪澇災害有三次[8]。墓葬很有可能受到了這些洪澇災害的影響，最終在壁畫表面形成大量具有分層現象的結殼。

五、結殼清除建議

對壁畫表面的結殼污染物進行清除時，應遵守“最小干預”和“保持現狀”的原則，在清除污染物的同時不能引入新的或潛在的文物病害。

通過對壁畫表面的粒狀和片狀結殼進行元素分析及物相分析可知，結殼為含有粘土的鈣質沉積。結殼內部廣泛分布著碳酸鈣，并與壁畫表面結合十分牢固，使堅硬的結殼粘結在壁畫表面。同時壁畫的石灰層疏松，強度差，給結殼的清除工作帶來困難。

結殼中的碳酸鈣作為膠結物將結殼與壁畫膠結在一起，同時，由于結殼形成時受到各種因素的影響，使結殼的層與層之間產生了一些孔隙。因為這些孔隙的存在，所以可以采用機械法對結殼進行清除。

李文怡等[9]曾提出，在清洗壁畫表面的泥污時先選用合適的試劑對其進行軟化，之后用刀將軟化后的泥污刮除。而選用恰當的清洗劑是非常重要的。早期就有人研究了以前用在壁畫和石質文物表面的清洗劑，提出應避免使用強腐蝕性試劑，強腐蝕性試劑不僅會使壁畫表面彩繪層受到嚴重腐蝕，還會在文物表面形成坑洞溶蝕，甚至坍塌[10] [11]。

由于地仗層的強度不高且為石灰材料，在清除比較薄的結殼時，應避免使用酸性試劑，防止酸性的清洗劑與石灰發生反應，損傷石灰層。清除比較薄的結殼時，可采用機械法，用刀小心地將結殼剔除干凈；但因機械法會對壁畫表面產生物理損傷，需仔細操作[12]。在清除較厚的結殼時，可以先采用弱酸性具有揮發性的清洗劑去除結殼內部作為膠結物的碳酸鈣，使結殼松散，之后用蒸餾水對結殼進行貼敷軟化，將可能殘留在結殼表面的酸去掉，防止含酸的清洗劑對壁畫產生污染；之后用刀小心地將結殼剔除干凈。

六、結論

通過對九原崗輔國將軍墓壁畫表面的粒狀結殼和片狀結殼進行元素分析、物相分析及偏光顯微鏡分析后，得到以下結論：

1.黃色結殼主要含Si、Ca元素，主要物質為石英和方解石。此墓葬地處黃土高原，歷史上經歷了多次洪澇災害，結殼中的元素及成分應與當地的土質和水的活動有關。

2.鏡下觀察到，方解石作為膠結物廣泛分布在結殼中；結殼內石英顆粒的分布范圍及粒徑大小有所差異，可能是水的活動形態及水流動速度不同造成的。結殼內可見孔隙，說明結殼內部沒有完全連接緊密。

3.結殼的形成是由于墓葬長期緩慢滲水所致。本次檢測的片狀樣品有較為明顯的三層石英層，說明在將軍墓存續的時間段內，墓葬至少受到三次洪水或長期降雨的影響。明萬歷年間至1980年，忻州地區的洪澇災害近10次。墓葬很有可能受到了這些洪澇災害的影響，發生了長期緩慢滲水過程，最終在壁畫表面形成大量具有分層現象的結殼。

4.結殼中碳酸鈣分布廣泛，碳酸鈣的廣泛分布導致結殼堅硬、不易清除。結殼內可見孔隙，說明結殼內部沒有連接緊密，說明可以采用機械法清除結殼。對于壁畫表面的結殼污染物的清除，應本著“最小干預”和“保持現狀”的原則進行，同時在清除過程中要避免新的污染物的引入。根據結殼的特點可以采用化學法和機械法相結合的方式對結殼污染物進行清除。

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[1][12]牟煒《對兩件石質文物的表面清洗》，《碑林集刊》2009年，425~428頁。

[2][5]林瑞超《礦物藥檢測技術與質量控制》，北京:科學出版社，2013年，434頁。

[3][4]王德滋、謝磊《光性礦物學（第三版）》，北京:科學出版社，2008年，55頁。

[6]汪習軍《黃河水土保持生態工程建設管理》，鄭州:黃河水利出版社，2002年，245~246頁。

[7]山西省忻州市地方志編纂委員會《忻縣志》，北京:中國科學技術出版社，1993年，5~46頁。

[8]山西省史志研究院《山西通志》第10卷，《水利志》，北京:中華書局，1999年，108~130頁。

[9]李文怡、張群喜、羅黎等《壁畫的表面清洗》，《文物保護與修復紀——第八屆全國考古與文物保護（化學）學術會議論文集》，2004年，282~287頁。

[10]SaraBianchin,MonicaFavaro,PietroAlessandroVigato, et al. The scientific approach to the restoration and monitoring of mural paintings at S. Girolamo Chapel - SS. Annunziata Church in Florence [J]. Journal of Cultural Heritage.2009 (10): 471-479.

[11] Gaspar P. A topographical assessment and comparison of conservation cleaning treatments [J]. Journal of Cultural Heritage.2003,4(1):294-302.

（作者工作單位：李碧薇，中國科學技術大學科技史與科技考古系；劉晚香，太原市文物考古研究所；黃繼忠，山西省文物局；龔德才，中國科學技術大學科技史與科技考古系）