敦煌莫高窟B113窟水分蒸发特征与形成机理

王顺仁,李红寿,巩一璞,詹鸿涛,王小伟,李菲

[1. 敦煌研究院敦煌石窟监测中心,甘肃酒泉 736200; 2. 国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心(敦煌研究院),甘肃酒泉 736200;3. 甘肃莫高窟文化遗产保护设计咨询有限公司,甘肃酒泉 736200; 4. 甘肃省敦煌文物保护研究中心(敦煌研究院),甘肃酒泉 736200]

0 引 言

敦煌莫高窟是著名的世界文化遗产,至今仍保存有洞窟735个,其中保存有精美壁画的洞窟492个,壁画面积45 000 m2,彩塑2 415身,是世界上规模最大,保存最完整的佛教艺术宝库,具有极高的历史、艺术及科学价值[1]。受自身泥质材质和自然环境因素的影响,历经千年的壁画产生了酥碱、疱疹、起甲、空鼓、褪色等多种病害。为了更好地保护洞窟壁画,减缓壁画劣化过程,保存其完整性,学者专家针对莫高窟的壁画病害的形成机理和治理进行了研究。郭宏研究发现,地仗中盐分频繁的溶解-结晶是造成酥碱病害主要根源[2-3]。靳治良研究证实盐的结晶是壁画病害产生的主要原因[4]。陈港泉通过莫高窟壁画中可溶盐分的构成[5-6]、分布规律[7-9]和危害机制的研究表明,水分能将大量的可溶盐带入壁画地仗层,水分蒸发引起盐分结晶,可导致病害的形成。

众多学者研究表明,莫高窟壁画病害的产生,水分是关键因子[10-14]。在壁画劣化过程中,水分是主要参与因子和最活跃的关键元素。水分的蒸发会引起洞窟围岩及地仗层中盐分迁移和积累。与此同时,围岩体和地仗层中的易溶盐在水和水汽的参与下会发生溶解,结晶过程破坏壁画使其产生病害。郭青林对莫高窟洞窟水盐来源进行了深入研究[15];杨善龙对洞窟围岩水盐分布进了调查研究[16-17];周启友基于电阻率成像法对莫高窟墙体内水盐运移过程进行了分析[18];李红寿等通过莫高窟外围的戈壁拱棚和空调冷凝实验[19]证明在潜水埋深超过200 m的戈壁区存在潜水蒸发;并应用封闭凝结的方法对72窟、B132窟水分蒸发和来源进行了研究[20-21],专门应用氢氧稳定同位素示踪原理[22]证明莫高窟戈壁土壤和洞窟水分来自地下潜水,洞窟存在围岩水分向洞窟内的水分运移与蒸发;同时,最新研究发现地气活动对戈壁潜水蒸发的形成有至关重要的作用[33]。地气是指土壤内的空气[33],在本研究中指包括洞窟空间在内的围岩内的空气。

莫高窟壁画病害现状调查表明,下层洞窟病害最为严重,其次是上层洞窟,中间洞窟相对保存较好[3,15,26]。了解不同高度/层位的洞窟水分来源、蒸发状况,确定水分与洞窟病害的关系对壁画保护非常关键。72窟洞窟蒸发水分收集与监测表明,窟内存在来自深层的潜水蒸发。在规避太阳辐射后,日尺度上窟内水分蒸发呈线性特征[20]。莫高窟72窟位于南区下层,洞窟为覆斗状中型洞窟。本次专门选择莫高窟北区崖面中部的B113禅窟为实验洞窟,且在形状、位置、空间结构上与72窟有明显的区别。若进一步对洞窟内围岩水在年尺度和日尺度上蒸发特征及蒸发数量进行研究掌握其规律,对全面了解莫高窟洞窟水分来源与活动规律有重要意义,并将为莫高窟及其他石窟群壁画水-盐病害预防性保护提供科学基础。

1 研究区域与洞窟概况

敦煌莫高窟位于河西走廊最西端,位于中国西北内陆干旱的戈壁沙漠区(40°02′14″N,94°47′38″E)。受到蒙古高压的影响,气候干旱,降水量少,是典型的沙漠气候特征。年平均温度11 ℃,年平均相对湿度(RH)32.2%[23]。年降水量42.2 mm,太阳辐射强度可高达1.1 kW/m2,年日照时数3 257.9 h[24],海拔1 320～1 380 m。

莫高窟开凿于大泉河河谷西岸,崖壁呈南北走向,长约1 680 m。崖体高度一般为30～45 m。洞窟分布在第四纪酒泉砾岩组成的崖体中。酒泉砂砾岩中大于2.0 mm的砾石组分约50%～60%,2.0～0.1 mm的砂粒组分约12%～30%,小于0.1 mm的粉粒约占10%～15%。砂砾石的空隙度为25%～30%[30]。砾石的分选性较差,磨圆度为次棱角状,胶结物以钙质、泥质为主[27]。该区潜水埋深超过200 m,潜水的长期蒸发使洞窟围岩0～40 cm富含盐分[16]。

莫高窟南区为礼佛区,几乎所有洞窟都有壁画彩塑。北区洞窟多为僧人生活洞窟、禅窟和瘗窟[25],除个别洞窟内含有壁画,其他无壁画。北区B113窟位于崖面中上层,窟口无门。窟内无地仗层、壁画和彩塑,是一个6室禅窟,呈对称分布(图1)。洞窟距地面约7.0 m。石窟所在的崖面呈台阶形状。由于下层洞窟较小,深度较浅,B113窟坐落于实体岩石之上。

2 研究方法

实验在莫高窟B113中室安装了冷凝除湿机(川岛ZD-8138C,除湿机最低可除湿湿度为30%)和1台5 kW空调(KFR-120LW 12568LAL-HN5),并用厚度为0.12 mm的聚氯乙烯塑料膜和瓷白胶双层封闭洞窟。当窟内湿度达到除湿机设定的工作值时(RH>30%)冷凝自动开启,冷凝水通过排水管导出洞窟,用密封的水桶袋承接,收集围岩蒸发水分。空调在试验期间为了验证温度对洞窟蒸发水分凝结的影响,2014～2015年设定工作温度为16 ℃,2020在8月设定为18 ℃。窟内温度超过预设值则自动开启。洞窟内蒸发水的冷凝收集从2014开始。2014～2016年由人工每天(9∶30)一次称重,记录统计蒸发量。在2020年时,窟门外安装了智能定时记录电子桌秤(型号为昆山巨天WN-Q20S-DS,精度0.1 g),每1 min一次对洞窟蒸发规律进行全天候监测。通过电子称自动称重,不间断实时测量和记录凝结水分的数量,即凝结量等于蒸发量。通过B113窟在2014、2015、2016、2020、2021年5年的洞窟蒸发量和洞窟温湿度变化监测,对其年蒸发和日蒸发规律进行分析。

初步推断围岩水分的蒸发主要集中在后室西壁[9,15-16,18]。因此在B113窟后室西壁中部位置直径10 cm深200 cm的钻孔中,深度20、50、100、150、200 cm和中室室内、窟外安装了S-TMB-M002温湿度传感器(美国产,工作温度为-40～75 ℃范围,在0～50 ℃时,精度±0.21 ℃,分辨率0.02 ℃;在10%～90%RH时,精度±2.5%,分辨率0.1%)和大气压变送仪(型号HD9408T,意大利产,工作温度-30～60 ℃,测量范围600～1 100 hPa,精度20 ℃时,±0.4 hPa)。钻孔内用泡沫材料填充,洞口用澄板土密封。由于洞窟围岩水分蒸发主要受温度影响,为了监测洞窟空间结构上由里到外温度的梯度变化,在窟外崖体围岩表面(A)、中室东壁围岩50 cm深处(B)、中室(C)、中室西壁(D);后室(E)、后室西壁(F)钻直径2 cm深10 cm孔洞安装HOBO(U23-002A)温湿度传感器(美国产,工作温度为-40～75 ℃范围。在0～50 ℃时,精度±0.21℃;在10%～90%RH时,分辨率为±2.5%;在25 ℃时,分辨率±0.02 ℃),并用瓷白胶封闭孔洞。通过温湿度的变化情况分析蒸发形成机理。

3 结果与分析

3.1 洞窟水分年蒸发特征与形成机理

3.1.1洞窟水分年蒸发特征 经过5年对B113窟洞窟水分蒸发量的监测,共收集了180 066.6 g。汇总5年洞窟水分蒸发量的日均值得到B113窟水分年蒸发量为61 186.3 g,日蒸发量为229.2 g,如图2所示,洞窟内水分蒸发趋势大致呈正弦波动变化。从4月开始,洞窟内就可收集到蒸发水分,6月洞窟水分日蒸发量突增,日蒸发量达到了340.1 g,随后恢复稳定。7、8月洞窟水分日蒸发相对稳定,水分蒸发总量占全年中最大,日蒸发量为336.1 g。9月开始随着气温的下降至11月底,窟内水分蒸发量呈下降趋势,一直到12月底,洞窟内水分蒸发停止。

受开启时间、停电和设备故障等影响,每年的监测并不完全,各年份的蒸发量和相应的日蒸发量如表1所示。对比同期8月蒸发量发现,空调设制在16 ℃时,与无空调开启温度较高时相比,蒸发量降低了2 097 g。说明空调降温对潜水蒸发有一定的抑制作用。在空调设制在18 ℃时,洞窟水分的蒸发量明显要高于16 ℃时的数量,增大了3 040 g。但与无空调开启温度较高时相比,蒸发量反而略有增大(增加943 g)。监测表明,18 ℃控温只对围岩浅层(20 cm)处有影响,对深层围岩温度几乎无影响,深层水汽可通过扩散和地气活动穿过20 cm温度稳定层,仍形成较强蒸发。如2020年8月份,人为开启空调将温度设制在18 ℃,但窟内平均温度仍在20.28 ℃(2016、2020、2021年洞窟同期温度见表1),较7月和9月平均值,窟内温度低了7.37 ℃,围岩20 cm低了2.09 ℃,50 cm低了0.91 ℃。但20 cm处RH升高了1.29%,50、100、150、200 cm的RH几乎不受影响。关闭空调后,围岩温度和AH又整体上升,围岩20 cm处的RH下降1.22%;蒸发量较同期空调未开启时增大了30.4 g/d。当然,蒸发量还受年际温度差异和同期地气波动程度的影响有关,空调对蒸发的影响程度还有待进一步研究。

表1 B113窟水分年蒸发/凝结量Table 1 Annual evaporation amount in Cave B113

3.1.2洞窟水分年蒸发形成机理 在B113窟封闭的条件下,通过对洞窟内外及后室西壁围岩不同深度处5年的监测,发现其年变化趋势基本一致。相较于其他几年的数据,2016年的温湿度监测数据相对较完整(未开启空调),其温度、RH、绝对湿度(AH)、气压变化分别如图3(a、b、c、d)所示。根据该代表性数据的季节变化(月份)对形成机理进行分析。

图3 2016年B113窟围岩内温度(a)、RH(b)、 AH(c)、气压(d)的变化Fig.3 Changes of temperature (a), RH (b), AH (c), air pressure (d) in Cave B113 in 2016

从2月开始,受窟外气温升高的影响,洞窟内的温度、RH和AH增大。说明随着洞窟围岩温度的升高,围岩内结合水分(吸湿吸附水分、结晶水分和膜状水)开始分解,使得洞窟RH和AH增高。此时围岩20 cm以内的温度受温度迟滞影响仍在下降,围岩不同深度的RH、AH也都在降低。

3月,随着窟外气温的持续升高,洞窟中室和后室西壁围岩20 cm处的温度升高(图3a),围岩20 cm和50 cm的RH、AH升高;RH饱和的100、150、200 cm处温度还处于降低阶段。窟内AH增大,说明随着窟内温度的升高,围岩内结合水分由浅及深分解蒸发,洞窟内AH持续升高。到4月变化更为明显,此时窟内温度达到了15 ℃,围岩不同深度的温度发生逆转,浅层温度高于深层温度。与3月相比窟内温度升高了2.49 ℃,20、50、100 cm的围岩温度随着窟内温度的升高上升1～2 ℃,AH升高0.3～1 g/m3。而150、200 cm的围岩AH降低到了极低值。此时洞窟内能收集到水分,说明在窟内温度升高和热能传导作用下,围岩内结合水持续分解,蒸发水分进入洞窟,达到了除湿机开启的湿度30%。

受外界自然气温升高的影响,窟内的温度仍在持续升高,5月窟内及围岩不同深度的温度、RH、AH都在升高,窟内温度的升高促使围岩的结合水大范围分解,窟内AH增加(图3c)。6月从图2中可看到洞窟出水量剧增,这与围岩深层冬季蓄存较厚薄膜水分有关[21]。且围岩100 cm处的AH增幅要高于其它深度。7～9月围岩温湿度最高,水分蒸发处于较高水平(图2)。因此,夏季洞窟水分蒸发量最大。

9月,窟外温度下降(图3a),窟内温度、RH和AH降低,水分蒸发量减小。由于围岩温度迟滞效应(图3b、3c),围岩温度、RH、AH继续升高至全年中最大值。10月至11月,随着窟外温度的下降,窟内及围岩温度、RH、AH,由浅及深下降,水分蒸发量持续下降。至12月底到来年2月,浅层围岩温度持续下降和吸湿吸附水分,使洞窟内的RH低于除湿机开启的阈值,除湿机收集不到凝结水分。同时,从图3中可以看到,除湿机的开启和关停可引起窟内及围岩一定程度的温湿度波动。1～3月洞窟内应该也有少量的扩散水分蒸发,但湿度未达到除湿机工作的条件,未能收集到水。4月温度较低,窟内湿度处于除湿机工作的临界值附近,收集的凝结水不连续。

总之,围岩温度决定着孔内和围岩的RH和AH的高低,存在物理热力学相关机制,对蒸发量有决定性影响。

气压变化如图3d所示,窟内与围岩不同深度的气压同步波动,整体冬季较高夏季较低。大气压波动引起围岩内地气运移,地气运移引起了围岩内20 cm和50 cm的RH(图3b)、AH(图3c)的同步波动,但波动方向与大气压相反。当大气压下降时,地气上升,围岩内潮湿地气向外运移;当大气压上升时,外部干燥空气进入围岩,围岩内湿度下降。因此,围岩内湿度与大气压同步波动,波动方向相反[33]。根据蒸发量(E)计算公式[33]:

E=ΔV×AH

(1)

式中,ΔV为地气呼出量。因此,地气流量对蒸发有决定性的影响。

ΔV=tnΔP/P2

(2)

式中,n为孔隙度;t为包气带厚度;ΔP为体积V1时地气气压与体积V2时地气气压的差;P2为体积V2时地气气压。在这里洞窟围岩砂砾岩孔隙度取0.25,厚度取200 m。侧向围岩相当于地表的变形,同样存在地气活动。根据公式(2),大气压波动幅度、包气带厚度和孔隙度与地气流出量成正比。在莫高窟导致背景下,包气带厚度和孔隙度是一定的。因此,该区大气压的波动幅度决定着地气的流出数量。从图3d中看到,全年大气压波动幅度和频率全年基本一致的情况下,地气的流出数量大致相同,但因流出地气的水汽浓度不同,导致了全年蒸发量的正弦曲线变化。因此,洞窟围岩温度决定了围岩内的AH,进而主导了年正弦蒸发特征和蒸发量。

3.2 洞窟水分日蒸发特征与形成机理

3.2.1洞窟水分日蒸发特征 B113窟位于崖面上层,受外界气温和太阳辐射强度的日变化都会引起洞窟外围岩和窟内的温度变化,从而影响洞窟水分日蒸发。在封闭情况下,窟内(中室)温度相对稳定,年平均日温度变化为0.1 ℃。B113窟2020年10～12月和2021年5～9月的日水分蒸发量如图4所示(4月不连续、不稳定未计入)。

图4 洞窟水分蒸发凝水量日变化Fig.4 Diurnal changes in the amount of water evaporation and condensation in the cave

洞窟水分日蒸发量为229.2 g,水分蒸发与窟内温度变化趋势一致。7∶00～12∶00迅速上升,12∶00～23∶00下降,夜间也有持续水分蒸发,它们是深层围岩水汽通过湿度梯度扩散来实现蒸发的,蒸发量大致呈正弦曲线变化规律。洞窟围岩和窟内温度日变化如图5a所示,具体蒸发形成机理分析如下。

图5 B113窟崖体围岩窟内温度、RH、AH、凝水量日变化(A的数值按次Y轴变化)Fig.5 Daily variations of temperature, RH, AH, condensation amount in surrounding rock of Cave B113

3.2.2洞窟水分日蒸发形成机理 B113窟在封闭的状态下,窟内的温度会随着窟外温度以及洞窟崖体围岩太阳热辐射能量传导而呈现稳定的周期性变化。洞窟内水分日蒸发的能量主要来自于通过崖体围岩向窟内传导的太阳热辐射。洞窟处于一个南北走向的西部崖面上,早晨受太阳的直接辐射,午后处于崖面的荫影之中。太阳的直射高度不同,太阳热辐射的能量也有差异,从而使窟内日温度发生变化。

选取2021-6-25至2021-7-1的数据进行统计,图1中监测位置的温度、RH、AH、气压及同期凝水量如图5所示。

从图5a中可以看到,洞窟东壁围岩表面在太阳的直接辐射下,围岩温度随着时间的变化存在明显的规律性变化。从7∶00～13∶00温度迅速上升至最大值,随后开始下降,下降幅度较大。到凌晨6:00逐渐降至最低。洞窟中室东壁厚度约1 m,在其深度50 cm处监测发现,中室东壁温度在7∶00～14∶00一直呈上升趋势,围岩热能传导是一个缓慢的过程,此时中室东壁主要是受窟内温度的影响而变化。中室室内温度从7∶00～13∶00时呈上升趋势,变化幅度约0.3 ℃,然后开始下降至凌晨6∶00,与窟外围岩温度变化相似,但总体温度受窟内温度的升高变化呈上升趋势。中室西壁和后室室内温度与中室东壁同样受窟内温度的影响呈上升的趋势。后室西壁的温度变化(图5a)和窟外围岩表面温度的变化一致。温度变化对比中,中室室内温度高于其他各壁,从空间结构上对比,从前往后依次降低,温度变化对洞窟围岩水分蒸发有很大影响。

从图5b、5c中可以看到,随着东壁围岩表面温度的升高,围岩表面RH降低,AH增大。在其深度50 cm处RH、AH同时增大。中室室内、西壁和后室的RH由于除湿机的工作,变化相对稳定,但AH都增大。后室西壁的变化较为明显,受东壁围岩表面温度变化影响,温度升高,RH、AH降低。温度降低,RH、AH增大。从图5中看到,东壁围岩表面和后室西壁的RH、AH变化存在明显的规律性变化。从空间结构上对比,洞窟内RH、AH,从前往后整体依次增大,表明西壁向内存在水汽向外(除湿机)流动的湿度梯度。

因此,洞窟内靠近崖面的围岩整体温度和AH随太阳辐射的增强而升高,随日辐射的减弱和消失而降低,呈周期性变化。而大气压呈较为典型的双峰型变化,2020年的气压日变化如(图6)。

图6 B113洞窟内大气压日变化Fig.6 Changes in daily atmospheric pressure in Cave B113

在大约5∶00～10∶00大气压升高时,窟外大气通过围岩进入窟内,此时东壁围岩内的高湿水汽带入窟内被除湿机吸收。10∶00～17∶00大气压下降,西壁潮湿地气流出,导致西室湿度(图5b、5c)随地气波动,造成蒸发量并没有随东壁午后剧烈温度的下降而迅速减小,而随地气流出仍保持较高的蒸发水平(图5d)。17∶00～23∶00,中室室内和后室西壁的RH与AH变化随地气气压的升高而降低,即窟内干燥空气在压力作用下进入围岩,蒸发量急剧下降;24∶00～6∶00,当气压降低时,潮湿地气流出,部分被除湿机吸收,部分被温度下降的围岩(主要是外围的东壁围岩)吸收,围岩吸收的水分用于次日升温蒸发。因此,窟内存在一个水分内循环。也就是,若无地气活动影响,仅靠围岩水汽扩散,蒸发量将完全随东壁温度和AH变化;若无日温度波动影响,蒸发量将完全随地气活动。温度决定AH,即水汽浓度,大气压波动幅度决定地气呼出的气体数量(ΔV),根据计算公式(1),它们的共同作用决定着蒸发量。从图5b、5c中可以看到,由于外部干燥大气的进入,使通常随温度上升RH和AH都上升的围岩出现了RH随着温度的升高而降低的现象,从一个侧面说明地气的影响。

单独对每个月的日蒸发量进行分析,发现其各有差异。受地球自转和公转变化影响,不同月份的日太阳的高度角也都不同,从而决定了地面及崖体太阳热能量的多少,因此窟外温度变化和洞窟崖体围岩所承受的太阳热辐射量的不同,从而引起洞窟水分日蒸发量略有不同,但总体的变化趋势相一致。从图5中可以看到,12月崖面受太阳热辐射的影响最大,对蒸发量的影响更为明显(图4)。因此,温度和大气波动共同导致年/日蒸发量呈正弦曲线变化。

4 讨 论

莫高窟B113窟能收集水,说明洞窟水分蒸发具有普遍性,水分蒸发主要在4～12月,1～3月也可能有微弱的蒸发。72窟与B113窟相比,72窟位于崖体下层,且有前室较强缓冲和保护,窟区前有树林,遮阴较强,因此72窟日蒸发呈直线型变化,无昼夜波动。这也表明窟前高大树木遮阴可有效降低洞窟水分活动量,有益于壁画保护。另外,当时未发现和考虑大气活动的地气影响。而B113窟位于崖体中层,洞窟较小,太阳热辐射较强,水分蒸发会随着太阳热辐射强度和窟外大气温度的变化而变化。因此,洞窟所处的层位、大小对洞窟水分蒸发有重要影响。

通过5年的实验数据累计,14～15 ℃可能是洞窟内水分蒸发水分可冷凝收集的临界温度。洞窟内温度的升高,会增大洞窟内水分蒸发,不利于洞窟壁画的保护。洞窟内稳定的环境是壁画长久保存的关键,因此要保持温度稳定。同时,如何规避围岩地气的通过量对洞窟壁画的保护十分关键,将进一步对其开展研究。

5 结 论

通过对B113窟封闭洞窟约5年的蒸发水分冷凝收集和洞窟内温度、湿度和气压监测,揭示了莫高窟崖面中层小型洞窟在年尺度和日尺度上蒸发水分的数量、蒸发规律和形成机理:

1) 洞窟围岩水分年蒸发量为61 189.9 g,在年尺度上呈正弦曲线变化,当温度升高,洞窟围岩的水分蒸发增加。6～8月洞窟的蒸发量较大。当温度降低,洞窟围岩蒸发量减小,从9月开始洞窟蒸发量开始减小。从12月中旬至次年3月收集不到冷凝水分。

2) 洞窟围岩水分蒸发日尺度平均蒸发量为229.2 g,7∶00～12∶00迅速上升,12∶00～23∶00下降,夜间也有持续水分蒸发,随着窟围岩温度的变化也大致呈正弦曲线变化。

3) 温度和大气压波动对洞窟水分蒸发形成机制具有决定性的影响。温度决定蒸发的水汽浓度,大气压波动幅度决定地气呼出的气体数量,它们的共同作用使年蒸发量和日蒸发量都呈正弦特征变化。围岩温度的差异导致洞窟内存在水汽小循环。