承德殊像寺室内颗粒物的空间分布初探

朱志保　王炜　张金风　陈青

摘 要：承德位于我国雾霾重灾区，该地区文物本体表面通常存在严重的积尘病害。为研究殊像寺室内颗粒物分布特征，应用SEM-EDS、XRD、离子色谱及激光粒度仪等多种方法对会乘殿内积尘颗粒物的理化性质进行分析。根据积尘颗粒物的粒径分布规律，探讨了会乘殿内颗粒物的运动轨迹及空间分布特征，所得结论可为殊像寺的保护修复工作提供依据。

关键词：殊像寺;积尘;粒径;空间分布

承德殊像寺是避暑山庄“外八庙”之一，建成于乾隆四十年（1775），是一座汉藏混合式清代皇家佛教寺院，系第三批全国重点文物保护单位。会乘殿为殊像寺主殿，面阔七间，进深五间，殿内东西长25.18m，南北宽15.56m，高10.50m（地面至天花）。殿内保存三尊金漆塑像、两座三层八角楠木塔及陈设等，为清代典范之作。承德位于我国雾霾重灾区，导致会乘殿内布满积尘（图1）。积尘具有颗粒小、比表面积大的特点，可以吸附空气中氮硫化物等酸性物质，沉降至文物表面不仅腐蚀本体，还会诱发微生物病害。近年来，文物保护工作者在博物馆和石窟开展了空气颗粒物的相关研究，包括颗粒物的元素组成、质量浓度、水溶离子浓度及季节变化、颗粒物浓度与游客数量的关系等，但很少涉及古建内颗粒物的空间分布特征。本研究对会乘殿内积尘的理化性质进行检测分析，结合采样点位置，探究殿内颗粒物的空间分布和运动轨迹，以期为承德殊像寺保护修复工作提供参考。

1 实验部分

1.1 样品信息

积尘样品取自会乘殿内陈设及塑像表面，样品经排笔直接刷取，每处采样点的面积约15cm2，样品信息及取样位置分别见表1、图2（红色箭头标注）。

1.2 分析检测方法

①pH测试分析：使用Mettler Toledo Five-Easy Plus FE28型pH计。测试前将积尘样品制成懸浊液，分别称取50mg积尘样品置于装有20mL超纯水的离心管中，即为悬浊液。

②水溶离子分析：使用Thermo-Fisher Scientific Dionex AQ-1100型离子色谱仪。制备积尘悬浊液，超声30min后过0.45μm水系滤头，所得滤液即为测试液。

③X射线衍射（XRD）分析：使用日本理学Smartlab型衍射仪。将样品研磨，在样品槽内压成平面测试，测定条件：Cu靶;功率：9kW;扫描速度：20°/min;2θ扫描范围：5°～80°;微区测试条件：Cu靶;0.8mm准直器，功率：9kW;扫描速度：2°/min;2θ扫描范围：5°～60°。

④扫描电镜—能谱（SEM-EDS）分析：使用日本Hitachi公司S-3600N扫描电子显微镜，工作电压20kV，美国EDAX公司Genesis 2000 XMS型能谱仪，测试前对样品喷金。

⑤粒径分布分析：使用丹东百特仪器有限公司Bettersize 3000plus型粒度分布仪。最后根据取样点的位置（高度、方向）探究会乘殿内的积尘分布和运动轨迹。

2 结果与讨论

2.1 积尘样品测试结果

①pH及水溶离子浓度。阴离子以SO42-、Cl-和NO3-为主，分别高达56.43mg/g、4.55mg/g和1.89mg/g，阳离子以Ca2+、Na+、K+、Mg2+为主，分别高达27.78、4.62、4.50、2.85mg/g，pH呈弱酸性。由于殊像寺临近承德市区的交通干线，且公路边的南侧有一条河，秋冬季节即为干涸状态，故积尘中的离子主要源于汽车尾气、二次污染源、土壤沙尘以及干涸的河道等。杨小菊等的研究表明，SO42-和Cl-及Ca2+、Na+、K+等离子会引起敦煌莫高窟的壁画酥解，加速破坏文物，故会乘殿内积尘中的高浓度阴离子对其殿内的彩塑和彩画等同样存在潜在的威胁（表2）。

②形貌分析及矿物组成。积尘为形态不规则的颗粒，化学元素为Si（38.5%）、Al（12.5%）、Ca（17.3%）和Fe（14.6%）及少量Na、Mg、S、K、Ba等;矿物成分为石英（SiO2，59%）、钠长石（Na2O·Al2O3·6SiO2，33.8%）、石膏（CaSO4，7.2%）。分析积尘的来源，其中石英很大程度上源自土壤颗粒，钠长石源自石材的风化，石膏则与环境污染有关。胡塔峰等的研究表明，在相对湿度高的条件下，硫酸钙细粒会溶解并渗入文物表面的孔隙内，随着温度升高，水分蒸发，这些盐会结晶，体积增大，产生应力，进而造成会乘殿内彩塑、彩画及陈设等表面的颜料层或者油饰等的开裂剥落，形成裂隙。

③粒径分布。颗粒物平均长度约1.5μm，粒径范围为0.243～1250μm，粒径小于10μm的颗粒物可达47.89%。根据多年现场工作经验，文物表面的裂隙一般在1μm～1cm不等，而这些积尘颗粒物可轻易进入文物表面裂隙，其可溶性盐的结晶、溶解、渗透和再结晶过程会进一步加速破坏文物。

2.2 空间分布

会乘殿内正中供奉三尊金漆塑像（中间为骑青狮的文殊，西侧为骑犼的观音，东侧为骑白象的普贤），佛像前为六张供桌，供桌东西各有一座八角三层楠木塔，两壁各置一经橱。为研究殿内颗粒物的空间分布，对采样点高度、方向进行分析。

①采样点的高度。样品为西侧楠木塔的东立面第一层1～5阶佛龛内平面处的积尘（图3、图4）。研究发现：殿内西侧楠木塔，其东立面的第一层佛龛平面处积尘的颗粒物粒径相关数据与取样点位置高度呈正相关，而中值粒径的变化相反。根据图5中1～5阶颗粒物的粒径分布可知，随取样点高度增加，颗粒物粒径的正态分布由20μm向10μm过渡，致使中值粒径逐渐变小，这符合颗粒物的自然干沉降规律。而最大粒径的逐渐增大，可能由于蛛网、纤维等将小粒径颗粒物团聚成大颗粒。

②采样点方位。为研究颗粒物与采集点方位关系，选取西侧楠木塔4个方向的佛龛（第一层第4阶的东南西北），收集龛内平面积尘样品。研究发现：北侧PM10含量较高，由于仅小粒径颗粒可到达楠木塔北侧，故北侧颗粒物的比表面积值亦最大。积尘中最大粒径值及SO42-、NO32-和Cl-浓度值均呈现东、南侧>西、北侧，故推测3种阴离子主要集中于大粒径的颗粒物中（图5，注：“PM10%”指粒径≤10μm的颗粒所占百分比;比表面积为粒度分析仪所测理论值，颗粒以规则球体计算，仅做参考）。

③颗粒物的运动轨迹。会乘殿坐北朝南，东西为封闭墙体，南北两侧的隔扇门窗虽长期关闭，但其门窗的六角菱花所形成的孔洞并无遮挡物（图6），南北隔扇门窗孔洞成为颗粒物输入的主要通道。并且殊像寺目前尚未对外开放，可以忽略游客等人为扰动的影响，故会乘殿室内积尘分布的主要影响因素为大气对颗粒物的运移作用。

查阅承德当地气候条件，冬季12～2月以偏北风为主，夏季6～8月以偏南风为主，年平均风速为1.4～4.3m/s，最大风速可达26m/s，且基本出现在月初和月末。故夏、冬两季是会乘殿内颗粒物沉降和积尘堆积的主要时期，而春、秋两季相对次之。南北隔扇门窗孔洞面积比约为2∶1（图7），并且殿内北侧因塑像背光等阻挡，颗粒物难以由北侧门窗进入殿内，故两侧隔扇门窗中，南侧为颗粒物的主要输入口，北侧为次要输入口。

综合以上因素，推测出会乘殿内空气中颗粒物的平面运动轨迹（图8）。①主要路径：颗粒物经南侧隔扇门窗进入（分东、中、西三部分，南侧绿色粗实线箭头），一部分进入殿内后便沉降至供桌及地面;中部遇塑像和背光后，东西两部遇楠木塔、柱子等陈设后，大部分颗粒物（以大颗粒为主）受阻挡而沉降，剩余颗粒物向两侧运动，沉降至楠木塔北侧、经橱附近，甚至可进入殿内北侧角落和背光北侧区域（南侧细实线箭头）;②次要路径：颗粒物经北侧隔扇门窗进入，大部分颗粒物（大颗粒为主）遇北侧塑像背光而沉降至地面，小部分颗粒物可绕过背光进入殿內，落在楠木塔北侧、经橱附近（北侧虚线部分）。南北两侧输入口按照对会乘殿殿内积尘贡献值大小排序：区域1（南侧中部的红色区域）>区域2（南侧东、西部的黄色区域）>区域3（北侧蓝色区域）。

2.3 建议和措施

①自然因素。减少在大风天气的开门频次，尤其夏、冬两季;选择合适材料安置于会乘殿南北两侧隔扇门窗的六角菱花及缝隙处，阻断造成彩塑、彩画积尘污染和运移的途径。

②人为因素。殊像寺对外开放后，应控制游客数量，减少会乘殿内的人为扰动。地面清洁时可通过洒水等方式增加地面湿度，以降低殿内空气中颗粒物的浓度，进而减少殿内文物表面的颗粒物沉降。

3 结语

在对承德殊像寺的会乘殿内积尘综合分析后，根据颗粒物的理化性质（粒径分布等）初步探讨了其空间分布特征，并给出相应的防治措施和建议，以期为承德殊像寺的保护修复工作提供参考，同时给文物保护领域研究积尘病害提供借鉴。

参考文献

[1]李华，胡塔峰，杜维莎.秦兵马俑和汉阳陵遗址保存环境之比较[J].文物保护与考古科学，2019（2）：53-60.

[2]徐瑞红，武发思，汪万福，等.敦煌莫高窟大气可吸入颗粒物的化学元素特征[J].干旱区地理，2020（5）：1231-1241.

[3]杨小菊，武发思，徐瑞红，等.敦煌莫高窟大气颗粒物中水溶性离子变化及来源解析[J].高原气象，2021（2）：436-447.