石窟寺保護關鍵科學問題及關鍵技術探討

王金華 霍曉彤

（復旦大學文物與博物館學系 上海 200433）

內容提要：石窟寺遺存面臨著風化、水患、失穩三大問題。我國的石窟寺保護工作還沒有形成完整的學科體系，概念也不規范，文物保護精細工程地質學是石窟寺保護關鍵科學問題和石窟寺學科體系建設的理論基礎。石窟寺保護亟需解決的關鍵技術難點如下：石窟寺風化病害危害程度評估標準的基礎問題、水患滲流網絡的精細探測關鍵技術問題、風化病害防治與本體修復適宜材料體系設計及應用技術效果評估問題。當前石窟寺保護工作的目標是創新工作模式，構建基礎理論，突破關鍵技術難題，實現“走出一條具有示范意義的石窟寺保護利用之路”。

一、引言

近期，國務院辦公廳印發《關于加強石窟寺保護利用工作的指導意見》（以下簡稱“《意見》”），從國家政治意識層面明確了石窟寺作為典型性文化遺產所具有的重大價值，即“充分體現了中華民族的審美追求、價值理念、文化精神”；從國家文化自信戰略層面明確了石窟寺保護利用工作的重大意義，即“事關中華優秀傳統文化傳承發展，事關社會主義文化強國建設，事關高質量共建‘一帶一路’和促進文明交流互鑒”[1]。同時，《意見》對石窟寺保護面臨的迫切問題、嚴峻形勢作出全面、準確的評估與判定，明確提出保護工作的指導思想、目標和任務。全面提升石窟寺保護工作的科技和管理水平，是未來我國文化遺產保護領域的重點工作之一。《意見》對我國文化遺產保護事業具有重大指導意義。

我國石窟寺是體系完整的文物類型，在石質文物中占主體地位，既具有人為建造、藝術創作的特點，又具有地質體的構造、結構特征，此特點決定了中國石窟寺保護工作的獨特性[2]。當前保護利用存在的難點和瓶頸問題包括“水患、巖體失穩及石雕表面風化等病害，安全風險高”“保護關鍵技術攻關難度大”“保護基礎薄弱”等。究其原因，無不與石窟寺地質結構復雜、環境條件及保存狀況差異性大、保護工作尚無標準有關，但關鍵癥結是我國石窟寺保護工作沒有形成完整的學科體系。

缺乏學科體系的支撐，石窟寺保護研究工作便會流于“救火”“搶險”的被動狀態，陷入“頭痛醫頭、腳痛醫腳”的惡性循環。其根源就在于沒有找準石窟寺保護的關鍵問題，沒有形成石窟寺保護的基本理論。

缺乏科學理論指導的實踐是盲目的，沒有理論的總結、預測和導向作用，行動便舉步維艱，結果也會事倍功半，嚴重的甚至會適得其反。

二、石窟寺保護學科體系建設問題

（一）石窟寺保護基本概念

概念的不規范是石窟寺保護最基本、最突出的問題，比如在保護中涉及的“風化”“劣化”“文物本體”“文物載體”“病害”等概念，國內至今尚未形成權威、規范、清晰的定義。

針對“風化病害”，李宏松從石質文物作為“巖石材料”這一研究視角，提出用“劣化”取代原有的“風化”概念，并將之定義為：“劣化是風化作用衍生的概念，是巖石材料在風化作用下，巖石材料的功能性能已達不到使用要求，無法完成其功能角色的臨界狀態，于是材料進入劣化狀態。”[3]但將石質文物視為“巖石材料”，尤其是將地質結構特征明顯的石窟寺視為“巖石材料”的恰當性需要商榷和斟酌，且風化的臨界狀態如何界定也缺乏評估標準的支撐。因此用“劣化”來評估石窟寺風化病害是否準確，有待進一步的探討和完善。石窟寺“風化病害”概念涉及地質學風化作用及侵蝕作用、化學老化作用、材料學劣化作用等多個學科的內涵，其定義、內涵需要準確規范。

（二）石窟寺病害類型的界定

石窟寺及石刻病害類型劃分是我國石窟寺保護學最基礎的工作，“病害”用于描述威脅石質文物安全保存的破壞現象，已成為文物保護學通用的術語。我國已發布的指南、標準、規范及已出版的相關著作對石窟寺及石刻病害類型的描述，以破壞現象、破壞方式、破壞形態為主要劃分依據，同時又考慮到病害的破壞原因。如《石質文物病害分類與圖示》（WW/T 0002-2007）采用二級分類體系，提出了8個類別20種病害類型（表一）。

表一// 石質文物病害表

李宏松系統研究了石質文物病害的特征及評估方法，按照石質文物病害的現象及破壞形式，提出組群、典型類型、獨立類型的三級分類分級體系，共界定了5個組群、17個典型劣化類型、8個獨立類型，計25種病害類型（表二）[4]。

表二// 石質文物典型劣化類型

上述分類以文物本體為主體，考慮到地質結構屬性，但不能充分體現石窟寺特征，分類對象界定不夠明確，各自孤立，系統性體現尚不夠充分。石窟寺及石刻病害類型界定不系統、不規范的問題會影響文物保護技術信息的交流和學科體系的建立。

（三）石窟寺病害危害性評估體系

石窟寺存在的病害主要分為三大類，即風化病害（含生物病害）、水患、失穩。由于病害的形成機制、影響因素、材質及結構差異性較大，所以危害性分級評估，尤其是石窟寺風化病害危害性分級評估內容、評估方法、評估指標等很難形成統一的標準，故至今未形成完善的體系。

石窟寺病害危害性分級評估體系既是構建石窟寺保護理論的必要基礎，也是石窟寺保護工作實踐的迫切需求。《國家文物事業發展“十三五”規劃》提出“實現由注重搶救性保護向搶救性保護與預防性保護并重轉變”的工作方針，如何科學理解和定位“搶救性保護”和“預防性保護”，石窟寺病害危害性分級評估體系的建設與完善工作十分重要。

我國石窟寺保存狀況及病害特征、危害性分級評估與環境條件、地質構造特征、巖石結構及地質歷史背景條件關聯密切，綜合以往的研究成果和各地的實踐經驗，分區域、分類型構建完善的石窟寺病害危害性分級評估體系具備學術基礎和實踐成果支撐的條件，參見表三。

表三// 石窟寺地質背景與病害特征表

（四）石窟寺保護理論研究

石窟寺保護理論應以價值認知為核心，建構保護的理念、原則和方法，涉及自然學科與人文學科有機結合。石窟寺保護是人文科學指導下的實踐科學，在應用科學技術研究的基礎上體現保護原則與價值闡釋，但在實際保護決策及保護實踐過程中如何遵循“最小干預”“不改變文物原狀”等基本原則，實現“原材料、原工藝、原形制、原作法”“真實、全面地保存并延續其歷史信息及全部價值”等保護理念，如何體現“真實性”“完整性”，依然存在不同的理解和不同的操作方法。典型案例就是2014年完成保護修復的重慶大足石刻“千手觀音”保護工程，至今業界仍然存在不同看法，因而構建適合我國石窟寺的保護理論勢在必行。

三、石窟寺保護關鍵科學問題的探討

石窟寺保護是集地質學、地球系統科學、材料學、化學、建筑學、美術學、考古學、歷史學等為一體的綜合性學科，其人文科學領域以佛教考古、美術史、歷史學為主線，保護科學以地質學為主線。把石窟寺細微工程地質學問題作為關鍵科學問題和把文物保護精細地質學作為石窟寺保護學科體系建設的理論基礎，符合我國石窟寺保護工作的特點。

我國石窟寺存在的三大問題——風化病害、水患、失穩，與工程地質學關聯密切，但又與普通工程地質學差異很大，其問題更為細微、更為深化、更為復雜，甚至涉及物質的物理學、化學層面，但歸根結底是工程地質學的延伸、深化，屬于文物保護精細工程地質學問題。以文物保護精細工程地質學為理論基礎和科學基礎，構建石窟寺保護學科體系，開展關鍵科學問題研究是突破石窟寺保護學科體系發展瓶頸的關鍵。

（一）風化病害問題

“風化”一詞源于地質學，石窟寺保護學借用地質學風化概念并進行了深化和拓展。石窟寺保護學與地質學的“風化”內涵是一致的，都是研究在風化營力作用下巖石礦物成分、微觀結構、形貌、物理力學性質衰變演化的過程及其狀態特征，但二者研究的對象、目的、時限、狀態均有所差別（圖一）。

圖一// 云岡石窟題刻表層巖體片狀風化破壞

地質學風化現象的研究對象主要是地殼巖體的風化帶，規模尺寸為數米至數十米，甚至數百米，跨度大，而且是經過地質作用改造過的地貌形態；研究目的是解決巖體的工程性能問題，研究時限長，為地質年代演化進程中時間跨度（百萬年計）。其研究的風化營力主要是自然風化營力，即溫度、水、風、生物活動等；研究的風化狀態包括未分化（新鮮巖石）、微風化、輕度風化、中度風化、嚴重風化、全風化、殘積土全過程，無論哪個階段的狀態，都能夠通過改造滿足工程性能。

石窟寺保護學風化病害現象在巖體表層巖石的風化層，規模尺寸數毫米至數十厘米（一般20～30厘米）[5]，最大50厘米[6]，規模跨度微小、精細（圖二）。研究目的是現有狀態安全性及發展趨勢評估，維持現有狀態的穩定，或阻止、延緩風化病害演化進程，達到使文物延年益壽的目的，研究時限幾百年至千年。研究的風化營力除了自然風化營力，還有人類活動的作用，包括大氣污染、酸雨和人類活動造成的微環境改變等。例如大足石刻處于我國主要的酸雨區貴陽—重慶酸雨帶，重慶降水pH值4.38，酸雨頻率為43.6%，酸雨、酸霧（表四）等長期作用于石刻表面，會產生較嚴重的侵蝕[7]。

圖二// 大足石刻石雕像表層巖體風化破壞（1厘米）

表四// 重慶霧水Ph值(1984年—1990年)

（二）水患問題

地質工程的水患問題和石窟寺保護工程水患問題內涵相同，即水侵蝕作用誘發的工程問題；水的侵蝕機理也是相近的，即水巖作用引發巖土體的結構、物質成分變化，降低了原有巖土體的工程性能。但二者造成的影響后果差別巨大：地質工程的水患問題是水侵蝕誘發工程大規模的安全穩定性問題；石窟寺保護工程水患問題雖然不一定引發大規模安全問題，但會誘發石窟表層巖體結構、形態、成分的變化，損害、影響文物價值體現。由此可見石窟寺的水患問題是精細化、深化的工程地質學問題。

地質工程、水利工程等領域的水患問題一般是指存在較大滲流或明顯滲流的地下水現象，破壞方式是水直接侵蝕、沖刷，或水壓誘發巖土體垮塌等工程地質問題，對地下水誘發的潮濕、浸濕，或與季節相關的間斷性微細滲流不作特別關注和治理。我國石窟寺開鑿時避開了長期滲水或地下水嚴重滲流的區域，但普遍存在季節性、間接性細微滲水病害，其原因是自然地質體各種裂隙十分發育，大氣降水形成的上層滯水、裂隙水誘發形成。其特點是滲水結構細小，滲水的方式是間歇性的潮濕、浸濕、微細的滲流。即使是間歇性、微細滲流，雖然不會誘發工程安全穩定性問題，但是長期作用誘發石雕像表層結構及形態損傷，影響外觀形貌的藝術價值，是文物保護必須面對的嚴重問題。例如，大足石刻寶頂山大佛灣“臥佛”的細小的構造裂隙、沉積層理面、軟弱夾層滲水（圖三），導致大佛頭部、胸腹部產生長期間歇性滲水侵蝕病害（圖四）[8]。

圖三// 大足石刻寶頂山大佛灣“臥佛”胸腹部滲水

圖四// 大足石刻寶頂山大佛灣“臥佛”頭部、胸腹部滲水模型

（三）失穩問題

失穩問題的地質學專業術語為“不良地質現象”，包括危巖體、滑坡、泥石流、地震等，其破壞規模比較巨大，破壞方式十分劇烈。石窟寺巖體失穩問題與地質失穩問題內涵一致，都是巖體應力調整引發的結構失穩問題，但多為局部范圍巖體的結構問題，也是精細化的工程地質學問題。

古人在選擇石窟寺營造地點時考慮到安全性，一般會依托地質體工程條件較好、地質環境及載體基本穩定的巖體開鑿石窟。選址區域一般不存在大規模的地質災害現象，存在的主要失穩問題是局部巖體失穩，或石雕巖體的結構變形、失穩，以及石窟寺環境有限規模的洪水、泥石流危害和地震危害。例如甘肅天水麥積山石窟山體整體基本穩定，但歷史上多次因為地震作用誘發石窟寺巖體垮塌，對局部石窟寺造成毀滅性破壞。從有記載的一千九百多年間，地震引發的嚴重破壞15次。唐開元二十二年（734年），秦隴地區發生了強烈地震，麥積山崖面中部窟群及東崖上部大面積坍塌，使開鑿于北周天和元年至天和三年（566—568年）的七佛閣前廊柱和石雕龕檐及以下約一千平方米的崖壁震塌，窟群自此被分裂為東西兩崖，后人便有“東崖”“西崖”之稱（圖五）。

圖五// 地震誘發麥積山石窟中部區域石窟巖體垮塌

四、石窟寺保護的關鍵技術

石窟寺保護關鍵技術是石窟寺保護工作中的深層次問題，也是迫切需要解決的關鍵技術難點。經過七十余年的保護研究及實踐，我國石窟寺巖體失穩病害治理技術體系基本成熟，當前需要解決的深層次問題及關鍵技術是石窟寺風化病害和水患問題的探測、評估和治理技術研究。

（一）石窟寺風化病害評估體系的建立

石窟寺風化病害是最普遍、最直接、危害最大、治理工作最為迫切的問題。隨著科技進步和保護工作的深化，我們更加清晰地認識到，相對于搶救性的“被動保護”，防患于未然的預防性保護更為主動、更為有效、更為經濟，是保護發展的方向，由此也產生新的重大需求。安全預警和預防性保護最基礎、最核心的工作是石窟寺風化病害危害程度的評估方法、指標、標準等評估體系的構建，不但是保護工作的基礎，也是保護實踐的迫切需求。由于我國石質文物在地域、氣候、巖性、風化營力等方面差異較大，風化病害評估標準、評估指標還未形成系統、規范的認知體系。

目前石窟寺的保護工作需要以砂巖質石窟寺文物風化機理研究及危害程度分級評估為突破口，構建我國以石窟寺文物風化病害特征、風化程度及危害性評估內容、指標為框架的數據庫，梳理評估技術、方法、指標，建立規范、系統的評估標準和評估體系。以大足石刻風化病害為案例，開展高溫、潮濕環境條件下，粉末狀風化病害風化程度、風化深度及梯度、風化速度、微觀結構特征及礦物成分、風化病害程度分級等評估，以及如何制定相關評估方法、指標、標準等項系統性研究工作，建立大足石刻粉末狀風化病害危害性分級評估體系，并以此為示范，逐步建立我國完整的石窟寺文物風化病害評估體系。

（二）水患滲流的精細探測關鍵技術

由于石窟寺巖體水患滲流的微小性、復雜性、探測技術反應信號的微弱性以及石窟寺水患治理最小干擾、精準性要求，迫切需要在石窟寺水患滲流網絡、途徑等精細探測關鍵技術領域的突破及理論支撐。大足石刻“臥佛”水患的勘察評估與治理工作是我國石窟寺水患治理工作的典范，具有典型性。“臥佛”水患勘察評估及治理工作起步于20世紀60年代，六十多年間采用了地質學、地球物理學等多種技術手段，全面、詳細地查明了巖體地層巖性、結構、構造特征以及滲水的水源、途徑等，但治理工作一直沒有取得顯著效果。2017年，在更加全面、詳細的勘察評估基礎上，采用封堵—導流—排水等綜合性治理措施，取得了“情理之中，意料之外”的顯著治理效果。“情理之中”是對水患研究及治理工作持之以恒的堅持取得了收獲，“意料之外”是治理效果超出了預期的想象。但在治理技術精準科學原理等方面還沒有得到完全的清晰闡述，其中很重要的原因是現有的地質學理論和勘察技術無法像對待人體毛細血管一樣對細小滲流網絡探測、闡釋清楚。精細探測、精準評估是石窟寺細微滲流網絡、微弱滲流病害水患治理的關鍵技術難點。如坐落于大渡河、青衣江、岷江三江匯流處的四川樂山大佛，常年飽受水患侵蝕，大佛本體安全受到嚴重威脅，文物價值損害嚴重。由于缺乏精細勘察技術對樂山大佛水患滲流網絡進行精準判斷，治理工作至今未能啟動（圖六）。

圖六// 樂山大佛飽受大氣降水和地下水的侵蝕破壞

（三）石窟寺文物修復材料體系設計及適宜性材料

修復保護材料，尤其石窟寺文物本體修復保護材料，是關鍵保護技術中的關鍵。目前，石窟寺本體修復保護材料研究是以問題為導向，以需求為目標，工作模式還是“東一榔頭西一棒槌”的“游醫郎中式”，沒有“同仁堂藥庫”，缺乏修復材料體系的系統設計。多年的保護實踐證明，材料除了有效性、耐久性外，其匹配性、安全性更為重要，目前針對修復保護材料在需求指標、需求體系設計等方面均顯薄弱。眾所周知，奉先寺“盧舍那大佛”是河南洛陽龍門石窟寺造像藝術的精品和代表作，高超的雕鑿工藝與藝術審美將神性與人性的結合完美體現，被譽為“東方蒙娜麗莎”“世界最美雕像”。遠處仰望，大佛莊嚴中透著神圣與威武，卻又不乏溫婉與慈祥。若走到近處細細觀察，大佛表面覆蓋一層灰土，細小坑槽布滿臉部，日曬雨淋留下的斑駁水痕猶如幾行清淚，其所受之苦無以言說。表面病害影響佛像的藝術呈現，而且此種狀態還在進一步惡化。但大佛本體病害的修復保護工作一直未能啟動，其中一個重要原因就是還未能研發出適合它的本體修復材料，無“藥”可用，不敢著手治理。

五、石窟寺保護深層問題解決路徑

如何破解石窟寺保護深層次問題，實現關鍵技術的突破？解決路徑除了國家層面重大科技計劃研發、重點課題研究的全力支持外，重視基礎科研工作的積累，動員社會力量，整合行業資源，發揮社會人力、智力、科技資源，聯合攻關是必須的。事關全局性問題，采取多途徑加強培養和培訓基層單位年輕科技人員，既是國家層面保護管理政策的補充，也是我國石窟寺保護工作的實際需求。

（一）創新機制，共謀發展

充分發揮中國巖石力學與工程學會古遺址保護與加固工程專業委員會、中國古跡遺址保護協會石窟專業委員會、石窟寺科技創新聯盟等行業協會、科技協會的平臺作用，聯合遺產地、高等院校、科研院所和相關企事業單位，聚焦中國石窟寺保護的深層次問題，整體設計、科學籌劃，夯實科研基礎，聯合攻關、重點突破；高度重視和加快推進石窟寺文物保護智庫建設，加強頂層設計，制訂跨區域文物科技的發展戰略與中長期規劃，完善我國石窟寺保護理論體系和技術規范，形成技術和材料研發、成果轉化與推廣、人才培養等產學研用優秀科技示范模式；針對石窟寺保護的科技需求和成果轉化之間存在的瓶頸，建立科技成果評價機制，加強技術的安全性、有效性和適用性評價，實施一批科技創新成果應用示范工程；利用高校、科研院所和高新技術企業的人才資源，采取符合自身需要和特點的合作方式，壯大石窟寺保護科學研究力量。

（二）以保護材料研發為切入點，實施石窟寺關鍵技術研發突破計劃

保護材料一直是石窟寺保護的關鍵技術，也是保護工作的重點和難點，保護材料的發展水平基本上代表了我國石窟寺保護水平，保護材料的技術突破將提升石窟寺保護的能力。要結合石窟寺本體保存特點和特殊需求，構建石窟寺修復保護材料體系設計，指導行業發展。

石窟寺文物大多歷經千年，已十分脆弱，加之石窟文物的稀缺性、脆弱性、不可復制性，材料的匹配性、適應性、安全性是保護的首要原則，其次是材料的有效性、耐久性、無衍生破壞等要求。在幾十年保護實踐的經驗和教訓基礎上，石窟寺保護材料現以無機硅酸鹽材料或無機及有機復合材料為優選方向和發展趨勢。

目前我國石窟寺保護實踐迫切需要在石窟寺滲水病害治理工程灌漿新材料、失穩加固工程灌漿新材料、修復加固新材料、風化病害防治新材料等方面有所突破，并構建我國石窟寺保護材料體系設計，指導保護材料的研發。

（三）以教材編寫為抓手，加強基礎理論研究

制訂石窟寺學科體系建設發展規劃，通過組織編寫石窟寺保護教材，逐步完善石窟寺保護基礎工作、基礎理論，構建以文物保護精細工程地質學為理論支撐的學科體系。如從保護科學入手，籌劃編寫我國石窟寺特點、石質文物類型學、石窟寺病害概念及類型學、石窟寺精細工程地質學基礎、勘察技術、石窟寺病害精準探測技術及評估、石窟寺文物保護材料、石窟寺保護技術等具有針對性、系統性的專業教材。同時，總結近現代我國石窟寺保護史、研究成果，凝練關鍵科學成果，探尋關鍵技術難點，關注案例的評估分析，扎實做好石窟寺保護基本概念、基本理論、基本原則的闡釋，引導行業健康發展。