壁画病害——莫高窟壁画盐害及其地质背景

　　壁画盐害(俗称酥碱)是莫高窟壁画的主要病害之一，它是指在水分参与下，洞窟围岩及地仗层中的盐分在壁画上产生表聚作用，造成壁画(包括地仗层)酥软、粉化。由于盐害的产生改变了壁画及地仗层的结构，可使地仗膨胀鼓起而脱落，或者使地仗层逐渐松散。这种病害一旦发生，就难以治理。因此，对壁画盐害要立足于预防。只要采取措施得当，就可以减缓或遏制盐害的继续发生和发展，从而达到保护壁画的目的。
　　敦煌壁画盐害很早就引起人们的注意，但长期以来未加任何措施防治，直到1949年新中国成立后，才建立了从事洞窟文物保护工作的专业队伍。1951年，莫宗江、宿白、赵正之、余鸣谦等专家来莫高窟，对包括壁画盐害在内的地质病害进行了调查，并拟定了莫高窟保护规划。自1943年起一直在莫高窟从事保护工作的孙儒僴先生，对敦煌壁画盐害进行过多次调查研究，在预防壁画盐害和其他洞窟病害方面做了大量的工作。在他发表的论文中，曾对敦煌壁画盐害进行过论述。段修业、李云鹤等在1988～1990年对壁画盐害产生机理和壁画修复方面进行过研究。所有这些调查研究工作，都为敦煌壁画盐害的进一步研究奠定了基础。
　　通过对莫高窟壁画盐害和有关洞窟地层性质的详细调查，从宏观到微观对盐害的分布规律、盐分来源及组成特征、壁画盐害产生机理等方面，进行系统地研究，其目的是为壁画盐害的预防提供科学依据。
　　(一)壁画盐害的分布
　　莫高窟存有壁画的洞窟492个，分布在西水沟西岸南北走向的陡壁上，延伸1600多米。除4个洞窟分布在北区外，其他洞窟均分布在南区，此次讨论的洞窟盐害指分布在南区的洞窟。南区洞窟分布在南北长约900m，相对高度10～45m的陡崖壁上。北起第1窟，南至第131窟，最低洞窟是位于第481窟下部的地下暗洞(第489窟)，洞底海拔高度1324.0m；最高的洞窟是161窟，窟顶海拔高度1362.0，洞窟分布最大高差38m。按洞窟在崖壁上分布的相对位置和崖壁高度的起伏变化，可将洞窟划分为上层、中层和下层。
　　本次调查洞窟459个，约有近100个洞窟存在不同程度的壁画盐害，其中有56个洞窟盐害比较严重。从洞窟的空间分布来看：上层131个洞窟中，重盐害窟有6个，占4.6％；中层洞窟193个，重盐害者5个，占2.6％；下层洞窟135个，重盐害者45个，占33.4％(图5-12)。可见，莫高窟壁画盐害在下层洞窟最严重，上层其次，中层较轻微。
　　盐害对壁画的毁坏程度在不同层位反映不一样。位于上层的1窟和3窟，壁画盐害以盐斑形式发生在洞顶局部位置；位于中层的245窟，其顶部东北角壁画盐害虽然比较严重，但影响面积小，约0.3㎡，具有明显的局部性。下层洞窟中绝大多数表现为四壁下半部壁画及地仗层因盐害而脱落，如：22，25，26，29，30，31，467，42，43，81，84，87，88，90等窟，严重者整个洞窟遭毁灭性盐害，如：48，70，75，79，80，481，483等窟。
　　除了洞窟盐害表现为上轻下重以外，下层洞窟盐害还具有连片性。25～43窟、60～92窟盐害连片的两个重灾区，两区之间的个别洞窟，也存在着严重盐害。
　　(二)壁画盐害的特征
　　1.盐分组成特征
　　为了弄清洞窟壁画盐害的盐分组成，本次调查中采集典型盐害地仗样2个，盐害洞壁围岩样3个，以及其他代表样14个，按照规范(GBJ123-88)进行了易溶盐分析，同时对岩样中溶盐CaSO4·2H2O和难溶盐CaCO3的含量也进行了测定。对易溶盐各离子含量的测定结果，按照假想盐方法可将离子含量换算成盐类质量百分比，即每100g试样中含各种盐类的质量(g)，由此得到洞窟壁画盐害的盐分组成及其含量，部分样品的分析结果见表5-1。
　　从表5-1可见，盐害地仗中易溶盐含量高达1.02％～2.11％，盐害围岩中易溶盐含量为0.41％～2.46％。相比之下，盐分在地仗层中较为集中，而在围岩中变化较大。为便于对比分析，了解盐分在洞窟壁画盐害部位的表聚程度，本次还在对应层位采了无盐害围岩样和地仗样进行了易溶盐测定(见表5-1)。结果表明，未发生盐害的地仗中，易溶盐含量略低于盐害地仗，但盐类成分有差别。无盐害的围岩易溶盐含量只有0.092％～0.228％，不到有盐害围岩中易溶盐含量的十分之一。显而易见，在盐害发生部位盐分的表聚作用是显著的。
　　盐害地仗和盐害围岩在盐分组成上比较相似，易溶盐类有Na2SO4、NaCl、MgSO4、KCl、NaHCO3。其中NaHCO3只出现在pH值偏大的碱性岩土中，且含量很少，其他四种盐类在地仗层中的含量分别是NaCl 0.34％～0.76％，Na2SO4 0.42％～0.47％，MgSO4 0.11％～0.19％，KCl 0.018％～0.035％。在盐害围岩中的含量分别为Na2SO4 0.055％～2.33％，NaCl 0.07％～0.57％，MgSO4 0.01％～0.11％，KCl 0.01％～0.09％。Na2SO4是标志大陆干旱环境最典型的盐类之一，它的出现往往与盐霜、盐斑、盐渍土联系在一起。如盐害严重的48窟围岩中Na2SO4达2.33％，占易溶盐总量的94.8％。相反，在未发生盐害的试样C(261-1)，尽管易溶盐总量高达1.463％。但却几乎不含Na2SO4，主要盐类是NaCl，MgSO4，浸出液偏中性，pH=7.80。
　　此外，在发生盐害的洞壁围岩中，中溶盐CaSO4·2H2O含量为0.42％～2.266％，难溶盐CaCO3含量为8.32％～13.77％。与未发生盐害的洞窟围岩相比，中溶盐含量偏高，难溶盐含量相当。这说明在盐害发生过程中，中溶盐也发生了一定程度的迁移表聚，难溶盐尚未发生迁移。
　　2.盐害微观特征
　　洞窟盐害导致壁画破坏的内在原因是存在于洞窟围岩、地仗层中的可溶盐在水分的参与下，不断地在岩壁发生表聚作用。也就是说，盐分在围岩与地仗层间、地仗层土颗粒间、地仗与颜料之间的孔隙内积聚，发生重结晶(图5-13、图5-14)。盐晶对地仗微孔隙的充填，改变了地仗层的结构，但颗粒间联结力减弱，导致颜料剥落、地仗疏松、掉块或散落。其作用机理有以下三种形式。
　　含水硫酸盐矿物晶体的生成，如Na2SO4·10H2O，CaSO4·2H2O，MgSO4·7H2O等。由于硫酸盐矿物晶体结构中，络阴离子SO4(2-)半径很大(2.95A)，在与半径小的阳离子Ca(2+)(1.05A)、Mg(2+)(0.75A)、Na(+)(0.98A)结合时，易在阳离子外面围上一层水分子，以形成较稳定的含水硫酸盐。当它们从围岩、地仗孔隙溶液中形成沉淀时，使大孔隙变小，小孔隙膨胀挤压相邻颗粒。这类无水矿物水化后则破坏孔隙格架，水化作用的显著特征是矿物体积增大。如：
　　CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O 体积增加1倍
　　MgSO4+7H2O→MgSO4·7H20 体积增加约4倍
　　芒硝Na2SO4·10H2O和无水芒硝Na2SO4受气候影响较大，当潮湿时易水化，Na2SO4变为粉末状含水硫酸钠；当温度升高(>33℃)时，NaSO4·10H2O脱水变为白色粉末的Na2SO4。它们是岩、土表面蓬松物质的主要组成，也是产生壁画盐害的重要盐类。
　　洞窟围岩，地仗层中盐分的溶解、迁移和沉淀。只要岩、土孔隙中有水分运移，必然要发生对原来盐类的溶解和迁移，并在岩、土表层、二者接触面上以及裂隙面上结晶沉淀出新的盐类。如NaCl的积累(见图5-13、图5-14)。由于孔隙溶液与岩、土间和复杂物理-化学作用关系，当芒硝被溶解后，重新形成的盐类有可能是钙芒硝CaNa2(SO4)2。这种盐分再分配逐渐积累，最终破坏了岩、土原来的结构关系。它是洞窟岩、土层中盐分在水分、气候综合作用下趋于稳定的一种不可逆过程。只有阻滞水的活动，方可减缓此过程的发展。
　　固相与液相间的阳离子交换作用。洞窟地仗层是洪积亚黏土与草、麻、毛类物质人工混合成的加筋土，其中黏粒表面带有沉积时吸附的Ca(2+)、Mg(2+)离子。当围岩孔隙溶液向外部地仗层运移时，由于碱金属离子Na(+)、K(+)通过孔隙介质的穿透能力强，Ca(2+)和Mg(2+)则易于生成碳酸盐、硫酸盐沉淀，最终在地仗层中富集Na(+)、K(+)离子。发生阳离子交换反应：
　　Ca(2+)(吸附)+2Na(+)≒2Na(+)(吸附)+Ca(2+)
　　黏粒上的二价离子被两个一价离子交换后，增大了扩散层厚度，导致颗粒间距变大而趋于分离，造成地仗层疏松、脱皮、掉块。这种碱化地层具有碱土性质，遇水易分散，干燥易收缩，对壁画的破坏性极大。
　　此外，从地仗层薄片在偏光、正交光显微镜下可见，地仗层中的孔洞有利于盐分晶体的生长(图5-15)。这些孔洞是由于其中的微生物繁殖、活动导致加筋草腐烂的结果。微生物以无机矿物颜料和有机纤维作为营养物质，它们的活动既可使地仗层酥松，又能利于溶液运移及盐分晶体的生长。
　　(三)壁画盐害形成的地质背景
　　1.莫高窟地层的沉积环境
　　莫高窟所有洞窟均开凿于中更新世酒泉组半胶结砾岩地层中。该地层由冲洪积而成，颗粒组成上砾石约占60％～80％，砂占15％～35％，泥质物占2％～10％。砾石成分主要是石灰岩，其次是千枚岩、花岗岩、石英岩、片岩等。砾石分选性较差，磨圆度次棱角，钙泥质胶结。酒泉组之下为玉门组砾岩，其上覆盖有晚更新纪戈壁组砂砾石层。由于受喜马拉雅构造旋回的影响，第四纪以来敦煌盆地处于持续相对下降趋势，接纳了来自南部山区的沉积物，盆地南部以三危山前断裂为界。莫高窟即位于盆地南部边缘，邻近三危山断裂。在早更新世，该地区气候干燥，南部山区洪水携带大量物质倾泻于敦煌盆地中，由于从山中到盆地中心，洪流水动力作用及搬运能力的变化，使盆地自南而北沉积物由粗变细。三危山当时为剥蚀区，只在一些沟谷低洼带才有洪积物堆积。早更新世末期，三危山急剧上升，山前大断裂再度活动，早期沉积地层玉门砾岩也发生折曲和断裂，但在相对下沉的盆地内继续接受来自南部山区的物质。中更新世初，气候由干寒转向温暖，南部山区冰雪融水量增加，大量风化碎屑被洪水搬运到盆地沉积下来。这一时期持续时间比较长，盆地内堆积了厚度达100～200m沉积物。莫高窟一带该套地层厚度达150m。到中更新世末，气候又出现干燥寒冷，盆地沉积间断。到晚更新世，一直处于相对下沉的盆地出现过一段时期的稳定，西水沟河流发生了改道，并下切形成莫高窟崖壁。今天我们看到的莫高窟顶部戈壁和沙山交界带的凹槽就是原西水沟的古河道。
　　进入全新世，敦煌盆地气候一直干燥，南部山区冰雪融水及降水逐渐减少，盆地中心湖泊日益萎缩干涸，盆地周围山口风蚀作用加剧，丘陵地带逐渐形成沙山，这种状态一直到现在仍在持续。
　　2.洞窟地层盐分及成因
　　莫高窟地层是气候相对干燥环境条件下的沉积物，以含较高可溶盐为其特征，盐分主要存在于细粒物质(<0.1㎜)或泥钙质胶结物中。据九层楼崖体地层剖面可溶盐含量分析结果(表5-2)，自崖底地面起往上0～20m内，易溶盐含量在0.051％～0.771％，平均为0.299％；20～45m层段，易溶盐含量0.538％～0.977％，平均为0.688％。显然上部地层含盐高于下部。这与中更新世的沉积环境是相吻合的。
　　莫高窟地层中主要盐类及其含量平均值为NaCl 0.185％，Na2SO4 0.148％，MgSO4 0.011％，Ca(HCO3)2 0.032％，KCl 0.02％，中溶盐CaSO4·2H2O 0.348％；难溶盐CaCO3 6.956％。主要易溶盐NaCl、Na2SO4在地层剖面上的变化特征与总盐量一致(图5-16)。曲线上含盐量较高段代表着干燥寒冷沉积环境，较低段代表着较为湿润的沉积环境，从窟顶戈壁三个探坑取样分析结果(表5-3)可见，盐分含量呈上重下轻(图5-17)，这种特征代表着干燥寒冷气候下的盐分表积特征。在戈壁表层0～30㎝范围内，易溶盐含量普遍高达1.0％～6.8％，形成以食盐、芒硝、石膏为主的板结层(图5-18)。这说明白晚更新世以来，莫高窟地区一直处于干燥寒冷气候，伴随固体颗粒沉积的孔隙溶液经蒸发、浓缩依次析出碳酸盐、硫酸盐、氯化物盐类。沉积地层中盐分来源主要有：①上游洪水本身所含离子成分；②洪流中细粒表面吸附的盐类阳离子及洪流携带的盐分颗粒；③沉积、成岩过程中水对岩石、矿物的溶解。
　　3.裂隙及水的参与
　　莫高窟地层普遍含盐较多，具备了壁画盐害发生的盐分条件。但若没有水的参与，盐害则不能形成。如许多洞窟尽管地仗层中含盐较多，但未遭受水的作用，至今壁画完好无损。水在壁画盐害形成中，扮演着溶解、运载、积累盐分的角色，是最为活跃的因素。水的来源，地层的透水性能是决定盐害发生、发展的关键因素。
　　莫高窟砾石层本身的透水能力较差。据钻孔试验资料，该套地层的渗透系数一般小于5.0m／d，窟顶探坑渗水试验表明，垂向入渗速度在0.1～0.22㎝／min之间。再加上当地气候干燥，年降水量一般小于40mm，因此，降水入渗作用以及降水入渗引起的地层盐分迁移十分微弱。但由于洞窟开凿和地震造成的裂隙(主要有平行崖面的卸荷裂隙和斜切崖面的构造裂隙，二者产状陡倾或直立)为降水下渗提供了通道。沿裂隙下渗的水使地层中的盐分发生溶解和迁移，造成上层洞窟顶漏水，裂隙部位出现局部盐害，如1窟、3窟和94窟等。个别中层洞窟，如245窟，因前部洞身外伸，降水的入渗也造成洞内局部壁画盐害。
　　在盐害严重的下层洞窟，盐害表现为四壁下半部壁画及地仗因盐碱而脱落，它是地表水、地下水、凝结水综合作用的结果。流经崖前的西水沟流水系南部盆地地下水溢出汇集而成，平均流量0.11t／s，是当地地下水的主要补给源。尽管地下水埋深为20.64m，毛细水上升高度危及不到壁画，但由于灌溉水和地下水能够以气态形式运移至下层洞窟地层，加之莫高窟温差大(最大日温差28.3℃，年温差34.8℃，而洞窟地层温差小，湿度较大。因此在下层洞窟地仗及围岩中可形成凝结水。水的形成，一方面使黏粒表面扩散层变厚，粒间距增大，另一方面溶解易溶盐类或使无水盐水化膨胀，其结果疏松地仗层，破坏壁画。莫高窟在大规模加固保护前，底层一些洞窟曾被风沙掩埋，这些洞窟四壁盐害上限与积沙天然休止角相当，说明盐害发生还与积沙中凝结水有关。
　　水质对盐害的影响主要通过人为活动反映在地仗层中。据西水河水质分析，矿化度2.39g／L，pH=7.25,[Ca(2+)]=7.0998meq／L，[Mg(2+)]=7.062meq／L，[Na(+)]、[K(+)]20.036meq／L，[HCO3(-)]3.918meq／L，[C1(-)]13.066meq／L，[SO4(2-)]17.158meq／L，属于Na2SO4型SO(上2-下4)—Cl(-)—Na(+)水。用这种沉积的亚黏土(澄板土)作地仗层土料，又用这种水搅拌成泥，必然使地仗层中含盐较多。高含盐量的地仗层，也是壁画盐害发生的因素之一。
　　(四)结论与建议
　　1.结论
　　盐害是对莫高窟壁画危害最严重的病害之一，现存洞窟中约有20％的洞窟的壁画遭受不同程度的盐害侵蚀，约12％洞窟遭受严重盐害。盐害的分布表现为上层、中层洞窟较轻，具有局部性，下层洞窟较重，具有连片性。
　　壁画盐害的盐分组成主要是Na2SO4、NaCl、MgSO4、CaSO4·2H2O，Ca(HCO3)2。易溶盐总量达1％～2％。盐害对壁画的破坏机理是洞窟围岩和地仗层中的易溶盐类在水分参与下发生溶解、迁移、阳离子交换和重结晶作用，使地仗层颗粒之间联结力减弱，导致颜料层剥落，地仗层疏松、掉块或散落。
　　壁画盐害产生的地质背景是：①莫高窟地层是干燥气候条件下形成的，易溶盐含量高，可达1.7％～2.5％，尤其是洞窟顶部戈壁表层，存在有约30㎝厚的盐壳层，易溶盐含量高达9.18％；②地仗层采用的是窟前西水沟流水沉积的澄板土，本身含盐量较高；③切穿中、上层洞窟的裂隙为降水下渗和盐分溶解迁移提供了通道；④当地唯一的地表水——西水沟属矿化度较高的河流，其洪流曾经对下层洞窟围岩产生过入渗渍盐作用；⑤当地气候温差大，在下层较潮湿的洞窟可产生凝结水，能够使洞窟围岩中的盐分缓慢地向洞壁表面迁移。
　　总而言之，水分是莫高窟壁画盐害产生的最关键因素。尽管莫高窟地层、壁画地仗层含盐量高，但是，只要无水分参与，壁画盐害就不可能产生。相反，则必然发生盐害。因此，对莫高窟壁画来说，无水则安，有水则患。
　　2.建议
　　(1)对上层洞窟顶部裂隙采用柔性材料作防渗处理。
　　(2)选用沥青、油毛毡或其他防渗防潮材料，在窟前修筑防渗墙，切断包气带水分向底层洞窟方向的运移。
　　(3)对薄顶洞窟窟顶进行加固。
　　(4)对窟前雨水下水道采取工程防渗措施。
　　(5)进一步研究窟前绿化灌溉对洞窟的影响。