酒泉西沟四、五号壁画墓病害调研分析

戎 岩，李玉虎，王保东

（1陕西师范大学 历史文化教育部工程研究中心，陕西 西安710119；2咸阳师范学院 历史文化学院，陕西 咸阳712000；3酒泉市肃州区文物局，甘肃 酒泉735000；4关中古代陵寝文化研究中心，陕西 咸阳712000）

1 酒泉西沟四、五号墓保存现状

1993年，甘肃省文物考古研究所于甘肃省酒泉市果园乡西沟村，清理发掘出西沟魏晋四、五号壁画墓，墓葬编号分别为93JXM4和93JXM5，发掘后原址保存。

两座墓葬为河西走廊魏晋时期的代表性墓葬，均为“一砖一画”形式的砖室壁画墓。墓砖壁画色彩丰富，画工精巧，可为研究魏晋时期西北地区政治、经济、文化、民俗等领域提供丰富的实物资料，是研究该地区文化的“地下画廊”。墓室内有大量的彩绘砖壁画，其中西沟四号墓为双室墓，而五号墓为三室墓，通长分别为7.7m和12.24m，两座墓葬相距7 m，墓底水平相差0.8m，墓底距地表深度分别为11 m 和11.8m［1］。

墓砖壁画内容丰富，反映出农耕、养殖、采桑、宴居、出行、军事操练、狩猎等内容，是研究魏晋时期西北地区政治、经济、文化、民族、民俗及生态环境的实物资料，其中绘画方面的内容，在美术领域填补了我国魏晋时期绘画史上的空白。

然而，近20年来，由于墓室开放频次的增多及墓室环境的改变，在壁画四壁下部与画面局部发生了盐析病害和地仗层、颜料层脱落，情况日趋恶化，而“酥碱”、“疱疹”等病害又被学术界认为是壁画的“癌症”。如图1、2所示。因此，对壁画现状进行全面、详细的调查、分析，有助探明壁画墓葬水盐运移的机理，对尽快制定有效的保护措施及长期保存具有特殊意义。

图1 五号墓前室壁画表面颜料脱落Fig.1 Pigment hedding of the mural in tomb 5

图2 五号墓前室壁画表面酥碱病害Fig.2Efflorescence of the mural in tomb 5

2 水文地质调查

2.1 地表水资源

酒泉地区位于甘肃省北部，年平均气温6.9～9.4℃，平均降雨量36～83mm，年蒸发量约在3 000mm以上。两座墓葬所处的果园乡西沟村位于平原区，降水少，蒸发大。酒泉市地表水全年来水量的60%以上集中在7、8、9三个月；1～6月份是灌溉的高峰期，河道来水只有全年总来水量的20%；1月份和12月份大部分靠降雨补给的河道断流［2］。

2.2 地下水资源

酒泉市不同区域水文地质条件差异较为明显，可分为南部祁连山－阿尔金山区、北部低山丘陵区、中部走廊平原区［3］。其中平原区依据地下水成因、地理地貌等特征，又分为肃州盆地、玉门－踏实盆地、安西－敦煌盆地等，多为中新生界以来的沉降盆地，为地下水提供良好的聚集场所［4］。

2.3 壁画墓周边环境

水文地质勘查探明，在墓室附近农村居民生活用水是打井取水，一般打井距地表20～30m左右。地质岩体为砂砾岩，而墓底距地表深度为11m左右，地下水极有可能通过岩体的毛细管作用渗透至墓葬四壁及透过壁画表面，形成墓室潮湿环境。从现场考察来看，墓室距农田30～50m左右，五号墓封土西侧距农田灌溉水渠仅有十几米远（图3）。而从墓室内部的现场考察，可明显看出地表水对墓室顶部的渗漏作用（见图5、图6）。

图3 墓葬西侧农田灌溉水沟Fig.3 Irrigation ditch in the west of the tomb

图4 墓道塌陷部位Fig.4 Local collapses surrounding tomb

图5 墓葬渗漏水情况Fig.5 Leakage water in the inner of the tomb

图6 墓葬顶部渗漏水情况Fig.6 Leakage water in the top of the tomb

3 盐害实验分析

3.1 实验仪器

ICS－1500离子色谱仪 （美 国戴安公司）；D／Max2550VB＋／PC全自动X射线衍射仪（日本理学公司）；Quanta 200环境扫描电子显微镜（CFEI公司）；Mastersizer 2000激光粒度分析仪（英国马尔文仪器公司）；PB－10pH计（美国Sartorium公司）；DDS－11A电导仪（上海大普仪器有限公司）；LP－100D型数显式土壤液塑限联合测定仪（上海路达实验仪器有限公司）。

3.2 测试方法

通过在西沟四、五号壁画墓前室、后室及墓道等部位采集已酥粉脱落土样并在相应未脱落位置取样，经四分法分样并研磨过20目筛待测。分别取过20目筛的各样品50g，准确至0.01g，置于广口瓶中，按土水比例1∶5加入超纯水（已去除CO2），振荡30min，减压过滤，用离心机3 000r／min分离制备。浸出液一部分贮于细口瓶中，一部分低温蒸干得到白色晶体，进行下一步分析。

3.2.1 土壤含水率、pH、电导、易溶盐测定以及液限、塑限测定 将采集的原土样在105℃下烘干至恒重测定其含水率［5］，制备的土样浸出液按照GB7859－87操作规程进行酸碱度测试［6］，同时参照国家标准GB／T 11007－2008的方法进行土壤浸出液电导测试测试［7］，参照国家水土试验规程SL237－063－1999对土壤可溶盐含量测定［8］。参照土工试验方法标准GB／T50123－1999对液限、塑限进行测定［9］。

3.2.2 离子色谱测定 将取得的酥粉土样磨细过100目筛子后放在烤箱内105℃下烘烤至恒重，用铅箔纸称重，用去离子水溶解土样，然后放于摇床震荡1h，将溶液离心后后过0.45μm水系过滤器，将待测溶液稀释后过0.45μm水系过滤器注入离子色谱仪测试。

3.2.3 X射线粉末衍射（XRD）测定 取一定量原状土样和土样浸出液蒸干得到的结晶样品研磨至全部通过200目分析筛，用XRD多晶粉末衍射仪测量10°～80°的衍射数据。

3.2.4 环境扫描电子显微镜（SEM）观察及EDS能谱分析 将采集的泛白原状土样用小刀切成小块，保持其表面的原始状态，用双面胶将样品固定在金属载物台上，在低真空下进行SEM观察［10］。

3.2.5 激光粒径测定 将已过筛的西沟四、五号墓酥粉土样与未酥粉的原状土进行烘干处理，用激光粒度仪测定酥粉前后土样的粒径分布。

4 结果与讨论

4.1 土壤性能测试

通过酒泉地区的水文地质资料可知，该遗址所处地区气候干旱，蒸发量较大，遗址土体中含有较多的可溶盐。土壤电导率测试结果显示（表1），土壤电导率随高度的升高有减小的趋势，也与表1中土壤含盐量的变化趋势相对应。pH测试结果（表1）显示该遗址土壤pH值介于7.8～8.4之间，可知该遗址的土壤以碱性为主，结合离子色谱测试数据可判断出该区域土壤为硫酸盐渍土。塑性指数小于10，该地区土质应为砂土，土壤颗粒组成中砂粒含量较高，该土种通透性强，通气良好，土壤疏松，土壤毛管作用强，水分运行快。

含水率随高度的升高有减小的趋势，液态形式的水进入土壤孔隙结构中，主要通过毛细作用和静水压力机理发挥作用［11］，而毛细吸力是非饱和渗流的原动力。该地区属于典型的大陆性干旱气候，降水较少，因此水盐运移主要由地下水的毛细吸力提供驱动力，这也与所测数据相对应。土壤的盐渍化与水分在非饱和带土壤中的运动密切相关，壁画地仗层土壤由粗细不同的毛管孔隙连通在一起，进而组成较为复杂的毛管体系，“盐随水来，水走盐留”，水分从地下水位面沿土壤毛管上升，土壤内的盐分随着水分的运动迁移到上层，致使上层土的含盐量较下层土高。长期的温湿度交替变化，在地下水毛细作用和水分蒸发作用的长期影响下，土壤内部和矿化的地下水中的盐分在表层富集，造成了遗址的泛白和酥粉的产生。可溶盐经历溶解－结晶－再溶解－再结晶的反复循环过程，使得壁画本体表面遭受严重的破坏。

表1 五号壁画墓不同层位土壤性能测试Tab.1 Properties of the soil from different locations in the tomb 5

4.2 物相分析

根据X射线衍射结果（图7、图8）可知，酒泉西沟四、五号壁画墓的土样主要成分为石英、钙长石及硫酸钠等。不难看出，该墓中主要可溶盐为硫酸钠及硫酸钙，在硫酸盐晶体结构中，易在外围结合一层水分子，形成较稳定的含水硫酸盐。当盐分周围水分较少时形成过饱和溶液，盐晶体从土遗址孔隙溶液中结晶析出，占据了较大孔隙空间，对孔壁产生挤压，使土壤挤压相邻颗粒。通过与环境中水分相互作用，土体内含水量增加时，已结晶析出的可溶盐晶体又会再次地溶解在水中，孔隙挤压力减小，孔壁回缩。在这种结晶、溶解、结晶的循环过程中，使得壁画含盐地仗始终处于“活动”状态，土壤的孔隙结构遭到破坏，遗址表面发生酥碱破坏，表面土体成粉末状脱落，最终导致壁画逐渐产生劣化。

随着墓道中湿度的变化，壁画地仗层土体中的硫酸钠不断经历结晶－溶解过程，盐类矿物结晶膨胀，体积产生较大变化，而造成对土壤围岩的挤压崩解，土体结构不断疏松，引起壁画地仗层土体的破坏，致使壁画文物本体表面崩解、开裂，对壁画本体造成不可挽回的损失。

对西沟四、五号壁画墓表面酥粉土样进行XRD物相分析（图7、图8）可知，墓室壁画表面酥粉土样内的可溶盐主要是Na2SO4和CaSO4，此外还含有微量的镁盐和氯盐（图9、图10）等。可溶盐极易破坏土壤的团聚结构，其中氯盐的溶解随温度变化较小，吸湿保水性较强，易使土体变得软化；硫酸盐则随温度的变化而极易膨胀，易使得土壤产生挤压收缩，从而使土体变得疏松。

图7 四号壁画墓酥粉土样XRD物相Fig.7 XRD pattern of the powdery soil sample from the tomb 4

图8 五号壁画墓酥粉土样XRD物相Fig.8 XRD pattern of the powdery soil sample from the tomb 5

图9 五号壁画墓酥粉土样XRD物相Fig.9 XRD pattern of the powdery soil sample from the tomb 5

4.3 离子色谱分析

通过实地调研，发现西沟四、五号壁画墓的盐害主要发生在距墓室底部高约1m处至墓室底部的纵向范围内，因此取样也主要针对该范围内。测试结果（表2）显示，该墓葬遗址土样中阳离子主要为Na＋、Ca2＋，阴离子主要为、Cl－。因此不难推断，可溶盐主要为硫酸钠、氯化钠等，并含有部分微溶盐CaSO4，同时还可以清楚地看到遗址内有一定含量的离子，这可能与壁画墓顶周围环境有农田耕种有关，土壤内的有机氮通过微生物的硝化作用转化为无机盐形式。

图10 五号壁画墓酥粉土样XRD物相Fig.10 XRD pattern of the powdery soil sample from the tomb 5

表2数据显示，纵向上，硫酸根离子变化较为明显，随着距墓室底部高度的增加，硫酸根离子浓度有所减小，而氯离子恰好相反，在距墓室底部较高处，离子浓度较大。其余阴、阳离子随高度变化的规律不甚明显。而按照可溶盐成盐计算规则可知［12］，该遗址所取土壤可溶盐中氯盐主要是氯化钠，硫酸盐主要为硫酸钠。由不同高度的离子含量的变化规律，可看出混合盐溶液在地仗层内进行毛细迁移时，毛细前锋为氯盐的富集结晶，而亚前锋则主要为硫酸盐的富集结晶。

表2 四号墓不同位置土壤提取液离子含量测试Tab.2 The ion contents extracted with water from the soils at different locations in tomb 4 mg／kg

壁画地仗层的土体是多孔介质，随着水分的蒸发，地下水在土壤孔隙的毛细作用下向上运移，水在毛细作用下沿土体中的毛细管上升。同时，溶解在水里的盐分也随之发生移动，当盐溶液到达遗址表面或者距表面一定深度后，水分蒸发散失到外界环境中而盐分就会富集，同时大气中的酸性气体以及水汽也会和土壤表面的矿物成分发生复杂反应，生成一些盐分。对比不同高度的离子浓度，可看出毛细前锋为氯盐的富集结晶，而亚前锋则主要为硫酸盐的富集结晶。

4.4 SEM 分析

通过低真空条件下，高倍显微观察，对比未酥粉与酥粉土样的SEM和EDX图谱（图11—14），不难看出在遗址土壤的表面或填充于土壤孔隙之间有盐分析出。当这些盐分晶体析出在遗址的表面时，遗址土壤失去原来的外观，出现酥粉等病害。当这些微溶、可溶盐填充在土颗粒之间时，一方面由于物理作用，通过反复的溶解－结晶过程，引起的体积变化对周围的土壤孔隙产生挤压；另一方面通过化学作用，即空气中水和二氧化碳以及一些酸性气体与土壤中的盐分和土壤矿物发生复杂的化学反应，遗址土壤中的可溶盐易与水分结合形成水合盐，在干旱情况下，又易失去结晶水；通过化学、物理等协同作用的影响，导致土壤的团聚力降低导致表面产生酥粉、脱落等病害。

图11 壁画表面未酥粉土样SEM图谱Fig.11 SEM image of the mural soil samples without pulverization

图12 壁画表面未酥粉土样EDX测试Fig.12 EDX spectrum of the mural soil samples without pulverization

图13 壁画表面酥粉土样SEM图谱Fig.13 SEM image of the mural soil samples with pulverization

图14 壁画表面酥粉土样EDX测试Fig.14 EDX spectrum of the mural soil samples with pulverization

4.5 激光粒度测试

由粒径概率分布图和积累分布图（图15）可看出，酥粉土样的粒度集中在30μm左右，未酥粉土样的颗粒度集中在45μm左右，土壤内团粒结构遭到破坏从而导致遗址表面的稳定性降低发生粉化和脱落现象。

图15 五号墓酥粉与未酥粉土壤粒径分布图Fig.15 Particle size distributions of the mural soils with and without pulverization

5 结论

（1）在上世纪90年代，考古学者拨开该墓的神秘的面纱。随着进行深入的考古发掘后，墓室内有利于壁画保存的微环境由封闭体系转为开放体系；特别是开放次数频繁及几十年间墓室环境的改变，土壤内部盐分在地下水毛细作用、水分蒸腾作用以及地表水的入渗等共同作用下在壁画表面富集，产生明显的泛白现象。而停留在干湿交界面的盐分则在外界水汽和地下水的作用下产生溶解收缩－结晶膨胀－溶解收缩的过程，导致遗址表面产生了酥粉和脱落。

（2）通过XRD、离子色谱等分析手段对壁画墓土样的分析检测，可看出硫酸钠和硫酸钙在酥粉盐害土样中含量较高，是导致该墓葬表面颜料层脱落、墓葬砖石开裂等病害的最关键因素。为探明该墓葬酥粉病害机理，采用扫描电子显微镜观察的手段对酥粉土样进行观察，微溶性盐硫酸钙类沉积于遗址土壤表面，填充于遗址土壤颗粒之间，造成遗址的泛白和遗址土壤的酥粉、脱落等病害。

（3）激光粒度分析测试结果不难看出，易溶盐硫酸钠及微溶盐硫酸钙含量的增多，土壤颗粒结构遭到破坏，较未发生严重酥粉病害的土壤颗粒度整体偏小，团聚力减小，使得酥粉土样更容易从遗址本体表面脱落。

（4）上述病害均对壁画表面信息造成了不可挽回的损失，有必要及时采取有效的保护方案及对策，及时抢救珍贵的文化遗产。对于西沟四、五号壁画墓而言，应及时采取防水、隔水措施，对壁画表面颜料层脱落较为严重的区域进行抢救性保护。

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［8］SL 237－063－1999，土工试验规程——易溶盐试验［S］.北京：水利水电出版社，472.

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