激光清洗云冈石窟文物表面污染物的试验研究

齐 扬 ，周伟强，陈 静，叶亚云，周 萍，侯静敏，吴 鹏

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074；2.陕西省文物保护研究院，陕西 西安 710075；3.中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900）

云冈石窟位于中国山西省大同市城西约16km的武州（周）山南麓、武州川的北岸，地理位置为东经113°20′、北纬40°04′。它于北魏时期开凿，期间大致历经了近70年之久，其造像具有典型的皇家风范，涉及历史、建筑、音乐等多方面内容，是东方石雕艺术的精魂和中西文化融合的典范，代表着公元5～6世纪佛教艺术的最高成就。1961年3月云冈石窟被国务院公布为首批全国重点文物保护单位，2001年12月被联合国教科文组织批准列入“世界文化遗产”名录。由于云冈石窟文物长期暴露在空气中，空气中含有的二氧化硫、二氧化氮和粉尘等污染物在气候变化、光线辐射、生物危害等环境因素的共同作用下，会导致文物的残损风化［1-4］。同时，受人类活动的影响，各种污渍也被涂抹于文物表面。这些表层覆盖物不仅造成了视觉上的污染，而且其中的有害成分严重威胁着文物本体的保存，造成文物损毁，同时还会进一步影响保护措施的实施与实施效果，因此必须采取安全有效的技术手段对这些有害污物进行清除。

激光清洗技术是利用激光辐射在物体表面，使表面污物发生瞬间蒸发或剥离而达到对污物清除的目的［5］。激光清洗方式主要分为干式清洗和湿式清洗两种。激光干式清洗法，就是激光直接照射在物体表面，污染微粒或表面吸收能量后，通过热扩散、光分解、气化等方式使微粒离开表面。激光湿式清洗法，就是在要清洗的材料表面喷上一些无污染的液体（主要是水，有时也采用酒精），然后用激光照射，在液体介质的辅助作用下，会产生爆炸性汽化，把其周围的污染微粒推离材料表面［6］。

激光清洗技术具有选择性强、定位准确、安全度高、适用面广、绿色环保等特点。激光清洗技术是一种新型的清除技术，与文物保护中常用的机械、化学等清洗方法相比，具有诸多优势，因而在文物保护领域得到广泛的应用。目前，在国外激光清洗技术已广泛应用于石质、金属、陶瓷、壁画、纸质、木质、象牙、化石、纺织品的保护［7-10］。在石质文物保护方面，采用激光技术可清除石质文物表面的黑色表层、薄的混凝土层、粉尘、烟灰、修复处理使用过的陈旧的丙烯酸、环氧层和酪蛋白层等各类污染类型。如斯蒂芬大教堂，石浮雕，帕台农神庙的西饰带浮雕，一些文艺复兴时期独一无二的杰作如多纳泰罗的圣马可，预言者哈巴谷，讲道坛，南尼的圣菲利普、四圣徒和圣母、升天，雅各布·黛拉的欢乐喷泉，安德利亚·皮萨诺的钟楼镶嵌浮雕等诸多保护工程［11-19］。而在国内文物保护领域的激光清洗技术的研究处于起步阶段，近几年只有少量的研究工作［20-21］。

本文利用激光清洗技术对云冈石窟砂岩表面污染物进行清除。首先根据云冈砂岩的物理性质参数，进行理论计算，并进行砂岩损伤试验，得到云冈石窟砂岩在激光辐射下的损伤阈值；然后选取云冈石窟表面4种典型污染物类型制作样品进行室内激光清洗试验，并通过理论计算，得到4种典型污染物的清洗阀值；最后在云冈石窟现场进行了表面污染物清除的现场激光清洗试验。

1 云冈石窟岩石和表面污染物

云冈石窟窟区地层结构属中生界中侏罗统上部和第四系中上部地层，包括第四系中、上更新统（残积-冲洪积）、全新统（冲积-坡积）以及中侏罗统上部云冈组。云冈石窟雕刻于中侏罗统上部云冈组，其岩体主要为石英长石砂岩，根据对砂岩的主要性能测试，得到其物理性质参数见表1。

表1 云冈砂岩的基本物理性质参数Table 1 Physical parameters of sandstones from Yungang grottoes

根据相关调查［22］，云冈石窟表面主要外源污染物的类型为粉尘、油烟 油脂、水泥、油漆、雨迹水渍、生物病害、动物病害等，其中以粉尘、烟熏黑垢为主，占整个外源污染物的91%以上，其他所占比例较小的有油漆、涂鸦刻痕（墨迹）、油污等，其典型污染物类型见图1。

图1 云冈石窟表面的典型污染物类型Fig.1 Typical contaminants on the surface of Yungang grottoes

2 室内激光清洗试验

2.1 岩石损伤试验

在激光辐射石质文物时，当激光能量和强度超过石材基底的损伤阈值时，会使石材产生损伤。这里将石材损伤阈值定义为在激光辐射过程中导致石材发生损伤时所对应的激光能量或强度。为了避免石质文物在激光清洗过程中发生损伤，必须首先测定石材在激光作用下的损伤阈值。

2.1.1 样品

将采自云冈石窟表面无污染的砂岩样品制作成尺寸为48mm×25 mm×7 mm 左右的小样品，表面抛光、洁净处理。

2.1.2 激光辐射参数

波长1 064nm，脉宽10ns，光斑面积约7mm2。

2.1.3 试验方法

为了确保激光对同一区域辐射多次时，岩石基底不会损伤，试验测试10次脉冲下石材样品的损伤阈值。利用显微观测法和精密称量法评估判断样品的损伤状况，当样品在激光辐射后表面形貌开始发生变化和质量损失量发生跳变时，认为样品发生损伤，此时所对应的激光能量为该激光下样品的损伤阈值。试验中质量损失采用高精度电子天平METTLER TOLEDO XP56（精度1μg）进行称量。显微观察采用Nikon ECLIPSE E600光学显微镜。

2.2 表面污染物清洗试验

激光清洗阈值主要用来表征激光清洗的有效性，这里将激光辐射污染物样品刚出现清洗效果时使用的激光能量定义为清洗阈值。

2.2.1 样品

将采自云冈石窟地区的砂岩制成2cm×5cm×10cm 的统一样块，作为本底样品，用于制作激光清洗试验样品。将外源污染物类型粉尘堆积（石灰）、烟熏、墨迹、油漆作为本次污染物，并模拟污染物生成过程，制备样品，样品制备方法如下：

（1）钙质结壳样品制备（石灰污染）：将岩石样块表面涂覆熟化石灰膏体后，户外存放30d以上。

（2）烟熏样品制备（烟熏污染）：将岩石样块放置于材火灶膛上方，采用麦草、玉米杆、树枝等作为燃料，熏烧2周天，户外存放30d以上。

（3）有色污染样品制备（以墨迹、油漆为主）：将岩石样块表面涂覆油漆（调和漆）、墨汁后，户外放置30d以上。

本次试验所用样品见图2和图3。

图2 激光清洗试验样品Fig.2 Testing samples

图3 激光清洗试验样品剖面图Fig.3 Cross section of testing samples

2.2.2 激光辐射参数

采用与岩石损伤试验相同的激光辐射参数。

2.2.3 试验方法

从低能量开始，对同一辐射区域以1Hz频率辐射10次，依次升高激光能量。如10mJ，辐射样品，逐渐调高能量，确定激光清洗不同污染物的能量参数。湿式激光清洗法中使用的液膜为高纯水。利用显微观测法评估清洗效果，并记录清洗过程中的现象和效果，比较干、湿两种方法的清洗效果优劣。

2.3 激光清洗试验结果与分析

激光清洗试验测得的云冈石窟砂岩损伤阈值和污染物清洗阈值见表2。

2.3.1 墨迹清洗效果及分析

干式激光清洗法清除墨迹污染物的清洗效果见图4。由图4可见，随着激光能量的增大，墨迹清洗的效果越明显，当能量达到60.8mJ时，5～6次脉冲即可将该污染物去除。

表2 砂岩损伤阈值和污染物清洗阈值Table 2 Damage threshold of sandstone and cleaning threshold of contaminants

图4 不同能量的激光辐射后墨迹样品的显微照片Fig.4 Microphotograph of the surface of samples with black ink after different energy laser irradiation

此外，利用湿式激光清洗法进行清洗试验，得到同一块墨迹样品，在同一激光参数下，干式和湿式两种激光清洗方法清洗效果的对比图，见图5。由图5可见，湿式激光清洗法的清洗效果更明显。

图5 墨迹样品在同一激光参数下干式和湿式激光清洗法的清洗效果对比图Fig.5 Microphotograph of the surface of samples with black ink after dry and wet laser cleaning

2.3.2 烟熏清洗效果及分析

干式清洗法清除烟熏污染物的清洗效果见图6。由图6可见，20.5 mJ为烟熏样品的清洗阈值，随着激光能量的增大，当能量达到46.6mJ时，砂岩基底露出。此外，利用湿式激光清洗法进行清洗试验，得到同一块烟熏样品，在同一激光参数下，干式和湿式两种激光清洗方法的清洗效果差别不大。

图6 不同能量的激光辐射后烟熏样品的显微照片Fig.6 Microphotograph of the surface of samples with smoked dirt after different energy laser irradiation

2.3.3 油漆清洗效果及分析

干式清洗法清除油漆污染物的清洗效果见图7。由图7可见，当激光能量达到清洗阈值时，油漆样品表面开始出现油漆脱落的现象，具体表现为随着激光辐射，油漆层逐层脱落。由于油漆层很厚，因此当激光能量为48mJ时，有少量的砂岩本底露出；当激光能量为64.3mJ时，5～6次脉冲即可使砂岩本底露出。此外，用湿式激光清洗法进行清洗试验，得到同一块油漆样品，在同一激光参数下，干式和湿式两种激光清洗方法的清洗效果差别不大。

图7 不同能量的激光辐射后油漆样品的显微照片Fig.7 Microphotograph of the surface of samples with paint dirt after different energy laser irradiation

2.3.4 石灰清洗效果及分析

干式清洗法清除石灰污染物的清洗效果见图8。由图8可见，当激光能量为49.5mJ时，石灰样品表面开始出现石灰脱落的现象，具体表现为随着每一次激光辐射，有大量的石灰粉尘溅出。但是由于石灰层厚度较厚，当激光能量较低时，10 次脉冲不能将石灰层完全清除，当激光能量为192.3 mJ时，可露出砂岩本底。

此外，用湿式激光清洗法进行清洗试验，当激光能量为33.5mJ时，石灰污染物开始脱离表面，而将石灰层完全去除所需要的激光能量为81.2mJ。通过比较干式和湿式两种激光清洗方法的清洗效果（见图9）可见，同一块石灰样品，在同一激光参数下，湿式激光清洗法的清洗效果更明显。

图8 不同能量的激光辐射后石灰样品的显微照片Fig.8 Microphotograph of the surface of samples with lime dirt after different energy laser irradiation

图9 石灰样品在同一激光参数下干式和湿式激光清洗法的清洗效果对比图Fig.9 Microphotograph of the surface of samples with lime dirt after dry and wet laser cleaning

2.4 激光清除不同污染物的清洗阀值和激光能量使用范围

采用激光清除砂岩表面污染物有很多独特的优势，在安全阈值范围内对文物几乎是无损伤的，并且可以达到需要的清洗效果。通过上述的室内试验，我们已经得到激光清洗砂岩的损伤阈值和清洗不同类型污染物的清洗阈值。激光清洗文物，其使用的激光能量必须在损伤阈值以下，因此从理论上讲，激光清洗文物表面的污染物的激光能量范围为清洗阈值之上，损伤阈值以下。由于需要遵循文物保护原则，即对文物采取的保护修复措施必须是安全的，不对文物造成危害，文物修复保护过程中的任何技术措施不应妨碍对文物的再次处理，或对以后实施保护修复措施造成影响，所以定义应用激光清除砂岩文物的激光能量上限为砂岩损伤阈值的80%，从而得到了激光清除砂岩文物不同污染物的激光能量使用范围，详见表3和图10。而实际上激光清洗砂岩文物的方式主要是湿洗清洗法。

表3 激光清除砂岩文物不同污染物的清洗阈值和激光能量上限（mJ）Table 3 Cleaning threshold and maximal energy of laser for different contaminants

如图10所示，图中柱1、2、3、4分别表示去除墨迹、烟熏、油漆、石灰污染物的清洗阈值，柱5、6分别表示清洗时使用的激光能量上限和砂岩基底的损伤阈值。分析数据可知，清洗使用的激光能量上限为砂岩基底损伤阀值的80%，而清洗使用的激光能量上限均高于不同污染物清洗阈值的2～3倍，且从清洗阈值到激光能量上限的能量范围远高于激光清洗机的能量不稳定度的波动范围，因此利用激光清除砂岩文物表面的墨迹、烟熏、油漆、石灰污染物是安全有效的。

图10 激光清除砂岩文物不同污染物的激光能量使用范围Fig.10 Energy range of laser cleaning for different contaminants

3 现场激光清洗试验

基于上述室内试验，本研究在山西大同云冈石窟对云冈石窟西43窟墨迹和烟熏黑垢进行了现场激光清洗试验。

图11为云冈石窟西43窟岩体上墨迹污染物的清洗效果。由图11 可知，经干式激光清洗法清洗后，墨迹污染物清除效果明显，但与无污染区［见图11（b）］相比，仍有少量墨迹污染物残留［见图11（c）］；而经“纯水+乙醇湿式清洗法”清洗后，墨迹污染物清除效果良好，且基本无污染物残留［见图11（d）］，说明湿洗清洗法清洗效果好于干式清洗法。

图12为云岗石窟西43窟岩体上烟熏黑垢污染物的清洗效果。其中，图12（a）中的的1、2、3、4 依次为采用“干式清洗法”、“乙醇湿式清洗法”、“纯水+乙醇湿式清洗法”和“纯水湿式清洗法”清洗后的清洗效果，4个清洗区中可以明显看到清洗区与未清洗区的交界线，说明清洗效果明显；图12（b）给出了区域4的清洗区与未清洗区效果对比放大照片，不仅可以明显看到清洗区与未清洗区的对比效果，而且在清洗后仍保留了岩石本底的原始轮廓，如红线框中所示，说明激光清洗安全有效；图12（c）是对洞窟顶部一尊佛像远程清洗的效果。

图11 云冈石窟西43窟岩体上墨迹的清洗效果Fig.11 Cleaning effect of dry and wet laser cleaning on the test area with black ink in cave No.43of Yungang Grottoes

图12 云冈石窟西43窟岩体上烟熏黑垢的清洗效果Fig.12 Cleaning effect of dry and wet laser cleaning on the test area with smoked dirt in cave No.43of Yungang Grottoes

4 结论

利用激光清洗技术，对云冈石窟砂岩表面污染物进行了岩石损伤试验和污染物清除的干式清洗和湿式清洗试验，分别得到了砂岩的损伤阈值和清除不同污染物的清洗阈值。为确保文物安全，归纳出激光清除不同污染物可使用的激光能量范围。室内和现场激光清洗试验表明，1 064nm 波长的激光可有效清除云冈石窟石质文物表面典型的污染物，且安全可靠，可用于石质文物保护。本研究是国内首次将激光清洗技术应用于石质文物表面污染物的清除，这对激光清洗技术在文物领域的应用起到很好的促进作用。

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