环境因素与云冈石窟第16至第20窟损坏关系的研究

摘要：文章研究了云冈石窟所处的地理位置，以及周边生态环境对云冈石窟造成的破坏，重点阐述表面层风化、渗水、大气污染物三方面因素对石质文物的破坏作用。研究结果表明，云冈石窟第16至第20窟的损坏，不仅包括自然风化作用，砂岩风化后会变成粉状，风化产物中含有许多矿物盐，而且水作为良好溶剂，溶解部分矿物质，导致矿物质之间相互发生化学反应，进而损坏石质文物。近年来，云冈石窟受大气污染物的影响很大，其中的酸性气体以及酸性气体溶于雨水中形成的酸雨，对云冈石窟的侵蚀是导致其加速损坏的重要原因。

关键词：云冈石窟；表面层风化；渗水因素；大气污染物

第16至第20窟是云冈石窟最早开凿的五个洞窟，通称“昙曜五窟”[1]，距今已有近1600年的历史。云冈石窟所处的地理位置及周围环境的影响，加之早期对云冈石窟的保护不及时、不科学，人为破坏较多，使得石窟内许多洞窟损坏较为严重。另据史料记载，“昙曜五窟”在开凿时就出现过坍塌，加之其暴露在自然环境中的时间最长，损坏也是较为严重的。

砂岩是云冈石窟所处环境主要的岩石类型，与其他岩石相比，砂岩较软，易雕刻，也易风化。岩石在风化作用下生成的风化产物，与新鲜岩样相比，风化产物含有许多氧化物，氧化物溶于雨水中形成的溶液比普通雨水的破坏力更强。在云冈石窟中，渗水也是破坏石质文物的重要因素之一。大同市作为煤炭之都，常年开采煤炭，而云冈石窟与很多矿区距离较近，因此，煤炭在开采和燃烧过程中排放的大气污染物，对云冈石窟的雕像文物也会造成极大破坏。鉴于此，本文系统地对云冈石窟所处的地理位置及生态环境展开研究，分别从风化、降水及大气污染三个方面阐述其对于文物的破坏作用，阐明其作用机制，为研究生态因素对石质雕像文物的破坏作用及机理奠定理论基础。

一、国内研究进展及其意义

西方发达国家由于受到第一次工业革命以及建筑学迅速崛起的影响，其对于环境因素与石质文物的损坏及保护方面的研究比较成熟。其中，煤炭最早被用作第一次工业革命的主要燃料，煤炭的开采及燃烧过程会生成许多大气污染物，这些污染物排入大气后，会对许多暴露在自然环境中的文物表面造成一定的破坏。

1997年，黄继忠等学者分析了云冈石窟景区内大气粉尘中含有的无机和金属离子，发现空气中以含硫化合物为主，大气污染严重[2]。2002年，大同市政府开始对云冈石窟周围的生态环境进行整治，使污染情况得到了一定程度上的改善。2015年，赵磊等对云冈石窟内采集到的大气颗粒物进行研究后发现SO2、NO2以及其他物质的含量，与前期相比明显减少[3]。

二、云冈石窟文物及不同因素对其的损害

（一）表面层风化对石窟砂岩破坏作用的研究

1.风化形式

石窟砂岩风化，主要包括粉状风化、片状风化、洞穴状风化及板状风化[4]。粉状风化是指佛像在受到风化后，会在表面生成一层粉末状的风化产物，一般为白色，用手触摸就会有粉末掉落下来。片状风化是指佛像表面出现片状剥落的情况，剥落的薄片厚度不均，经常会有层叠，还会有一定程度的卷翘，片与片之间还会伴随白色粉末产生。洞穴状风化是指佛像表面风化后会形成大小和深浅不一的洞穴，但不是所有的砂岩都有洞穴状风化，此类型具有一定的差异性。板状风化是指在窟内形成的近乎平行于窟壁的裂隙，随着时间的推移会呈现板状脱落。其中，粉状风化与片状风化这两种形式较为普遍。

2.风化现状

据调查，第16窟佛像食指前端已残断，佛像上半部保存完好，仍能清楚地观察其形象特征，佛像下部和窟顶部分严重风化，原貌不清。云冈石窟第17窟为典型的弥勒佛，其北面的交脚式弥勒佛像脸部和手臂受到严重破坏。第18窟北壁东面的胁侍菩萨像，分别位于北面主佛东、西两侧，二胁侍菩萨由于年久失修，大部分已不复存在。第19窟西侧洞壁已倒塌。20窟为单室洞，穹顶，其外部为木质结构，前壁、顶、西壁均已倒塌，因此窟内佛像暴露在外，一般都叫它“露天大佛”。

3.风化机制及影响因素

第16窟片状风化较为严重，佛像的下部呈现薄片状剥落，且多层重叠，剥落页片出现卷翘或弯曲，粉状风化形成的白色粉末也嵌于页片间或浮于佛像表面。发生片状风化的原因是水渗入云冈石窟砂岩中，生成多种水化物。如多种碳酸盐和硫酸盐，这些盐类生成后会附着于裂缝表面。由于其质地比较坚硬，加之昼夜温差导致页片之间发生热胀冷缩，而砂岩中各个物质的膨胀系数不一，产生的力不同便形成缝隙，长期作用使得文物表面发生片状风化；或是水渗入后又自行蒸发，水分蒸发出来之后会将盐类析出，盐类逐渐聚集，使得砂岩中的缝隙被结晶盐堵住，使之后的水只能顺着石雕比较脆弱的地方流出，久而久之也会出现片状风化。

由此可见，可溶性盐也是导致石质文物风化的重要因素之一，同时风化因素不只是单方面作用，它一般与渗水因素相互作用，共同对石质文物造成破坏。

石窟下部多呈粉状风化，在崖壁上覆盖一层粉末状的风化产物。这些粉状物大多由各种类型的盐组成，其成分大多是水化物，将这些风化产物与新鲜岩样的化学成分进行对比（表1）[5]。

（二）降雨及渗水因素对文物侵蚀作用的研究

1.液态水来源

石窟整体地形呈东高西低的特点，这就导致地下水从东北向西南方向流动。窟区的地下水主要分为两类，即孔隙水和裂缝水。石窟渗漏以裂缝水为主，石窟风化后会形成大小不等的缝隙，这些缝隙相当于蓄水区域，成为石窟地下水的来源。云冈石窟砂岩表面层的液态水可能存在四种来源：大气降水渗入石窟裂缝、砂岩多余的孔隙水、地下水通过毛细上升，还有水汽发生凝结[6]。其中，大气降水入渗是石窟内水的根本来源。尤其下雨后，潮湿的空气进入温度较低的洞窟内，就会在石雕表面凝结成水，而风化的石像表面形成多孔隙结构，凝结水极易被吸收，待空气干燥后石雕又会将表面层已经吸收的水分蒸发出来，如此反复更会加快石雕的损坏[7]。部分石窟还分有前窟和后窟，由于后窟温度更低，使得窟内返潮现象明显，造成石雕表面脱落和龟裂。

总之，云冈石窟内石质文物的损坏很大程度上都与水的作用相关。

2.渗水现状

云冈石窟位于山西大同，四季分明，属大陆性季风半干旱气候，主要表现为春天雨水较少，干旱，风多且大；夏天较热，雨量较多，并且降雨时间较为集中，大部分在7—9月。目前云冈石窟共有45个洞穴，其中21个已渗漏[8]，云冈石窟西侧就有13个渗水石窟。

3.水的作用机制

对于石质文物来说，水既是最普遍也是最严重的影响因素。水作为溶解性很强的无机溶剂，对任何形式的腐蚀因素都能起到一定的媒介作用。水可以溶解云冈石窟砂岩中的大多数矿物盐，使一些较为稳定的化合物变成离子溶剂，从而使石窟雕像产生多种病害，包括颜色变浅、石雕破裂、石窟漏水以及岩石软化等，同时水也能与空气中的酸性气体结合产生腐蚀雕像的酸性溶液。大气中的气体，主要是SO2与空气中的O2在Fe2+作用下生成SO3，降雨时SO3与水结合形成硫酸，硫酸进而与砂岩中的钙质胶结物发生反应，对石质文物造成很大的危害[9]。渗入岩石中的水会有冻融循环的现象，加剧风化裂隙变大，时间久了也会造成破坏作用[10]。因此从最根本上讲，渗水会引起多种病害相继发生，是最应该尽快解决的问题。

（三）大气污染物对文物的影响

1.云冈石窟气候环境背景

大同市位于华北地区，在黄土高原东北、大同盆地中心，属温带大陆性气候。当地最明显的气候特征是多风且干旱。大同市作为中国最大的煤炭资源基地，曾是一座以煤矿为主的工业城市。新中国成立以来，山西发现的煤矿越来越多，但由于开采、储存、利用不当，云冈石窟附近109国道的交通量与日俱增，运煤车的数量和次数越来越多，空气中的SO2、氮氧化物浓度也越来越高[11]。加之云冈石窟的风沙、运煤车的降尘、附近的工矿企业和民用燃煤等因素，使云冈石窟附近的自然环境变得越来越差，空气中的微粒含量也越来越高。洞窟中的石像不可避免地受到灰尘的污染，大量的硫化物和氮化物沉积在云冈石窟的岩壁和文物的表面，给云冈石窟带来了巨大的腐蚀和损害。

2.大气污染物对石质文物的影响

研究表明，云冈石窟的主要污染物是由粉尘引起的，其中，38.92 %严重污染、42.79 %中度污染、18.28 %轻微污染[12]。在所有洞穴中，几乎每一个可能留下的地方，尘埃都会出现，比如雕像的胸口、肩膀和大腿，还有一些平坦的地方。石像表面长期沾染大量的灰尘，颜色呈深灰色或灰黑色，轻轻一刮，露出的岩石表面就会出现一层灰黑色的硬壳。灰黑色的污垢渗透到岩层中，不仅掩盖和模糊了雕像的艺术效果，还影响了泥沙下的砂岩的原有成分，导致文物结构松散，加速风化[13]。

（四）云冈石窟石质文物损坏现状

受自然和人为因素影响，云冈石窟里的雕像已遭到一定程度的破坏和损毁。虽然历史上曾进行过多次大规模维修，但由于早期对云冈石窟的保护不完善，加上自然环境因素的作用，文物仍在缓慢地损坏，尤其是受大气污染的影响，云冈石窟文物风化加速[14]。大部分文物的岩体已发生剥落和形变，还有的洞窟内出现局部坍塌现象，雕像表面脱落，部分雕像表面已经出现纹饰模糊、粉化、剥落以及裂缝等。除了少数几个洞窟中的雕像和壁画还保持完好，其余洞窟都受到不同程度的风化和人为损坏，极大降低了石窟的艺术价值和观赏价值。引起云冈石窟石质雕像文物损坏的原因多种多样，且都不是孤立存在的，各种影响因素相互作用、相互促进，共同加速文物的破坏和消失。

三、对云冈石窟的保护建议

（一）风化管理

云冈石窟历经1600多年的时间，洞穴崩塌使得很多岩石都处于危险之中，随时都有可能崩塌。新中国成立后，石窟管理部门相继采取化学灌浆、锚杆加固等一系列措施，使洞窟崩塌问题得到较好解决。对几乎暴露在外部环境中的造像，可通过建造洞顶来阻止风沙和雨水的冲刷，并合理选用防侵蚀材料。考虑云冈石窟受日光影响，因此，选择的保护试剂应具备抵御紫外线干扰等特点。

（二）防水保护

云冈石窟的主要风化是由于雨水及其入渗所致，云冈石窟的顶部有很多高低不平的洼地，容易产生积水，故应加强云冈石窟的防水保护。此外，还可以在壁画和小洞窟上涂上防水材料，在涂布时，必须保证油漆本身不会干扰云冈石窟的色彩和外观。在涂覆防护试剂时，可以选用硅胶作为原料。在洞外温度、湿度变化较大的情况下，还应考虑增设通风措施。

（三）大气环境治理

对云冈石窟周围的环境状况进行检测，减少云冈石窟地区的大气污染遗留问题，主要包括工厂排放废气时，SO2排放量必须达标；大型锅炉设备要安装脱硫器；大同作为煤炭之都，更要合理地开采和燃烧煤炭，减少居民燃烧原煤，尽快实现附近居民冬季集中供暖；云冈石窟附近煤矿企业应尽量使用洁净的燃油，以防止燃煤电厂等排放造成的环境污染。

在日常预防性维护之外，也可以开展数字化保护，利用三维激光扫描、3D打印复制、VR影像展示等，为数字化研究、保护和开发提供一条新途径。在实物保护基础上，建立云冈数字博物馆，并与高校、科研机构合作，对文物进行数字化处理，使修复工作更科学、更精细。

参考文献：

[1]齐扬.云冈石窟砂岩文物表面污物激光清除机理及应用研究[D].中国地质大学，2015.

[2]黄继忠，解廷藩，张莉.云冈石窟大气粉尘中无机离子的分析[J].文物季刊，1997（03）：87-91.

[3]赵磊，耿红，张润平，等.云冈石窟大气细颗粒物化学成分的单颗粒分析[J].环境科学与技术，2015，38（04）：138-143+182.

[4]任建光，黄继忠，任志伟，等.云冈石窟盐类析出物与石雕表面风化破坏形式的关系研究[J].文物保护与考古科学，2021，33（06）：47-51.

[5]邓云，王金华.云冈石窟风化特征与风化产物研究[J].遗产与保护研究，2019，4（03）：1-5.

[6]董佩，王旭升，万力，等.云冈石窟覆盖层特征及其对石窟渗水的影响[J].科技导报，2013，31（10）：62-66.

[7]许飞.云冈石窟砂岩裂隙发育特征及其对水分聚散的影响[D].中国地质大学（北京），2013.

[8]牛春.云冈石窟第3窟保护设施（窟檐）建设设想[J].东方收藏，2023（11）：94-96.

[9]Liu Chenchen，Liu Yibiao，Ren Weizhong，et al．An adaptive prediction method for mechanical properties deterioration of sandstone under freeze·thaw cycles：a case study of Yungang Grottoes[J]．Heritage Science，2021-11-29．

[10]郝滋行.云冈石窟14号窟渗水病害评价与防治[D].沈阳建筑大学，2018.

[11]王颖红.大气污染物（SO2、NOx）影响云冈石窟风化的实验室模拟研究[D].中国科学技术大学，2016.

[12]刘仁植，张秉坚，魏国锋，等.云冈石窟的污染物病害调查研究[J].文物保护与考古科学，2016，28（02）：101-110.

[13]石美风.云冈石窟石雕表面黑垢的作用及其清除研究[D].复旦大学，2011.

[14]胡早，王俊斌.云冈石窟在以十倍速度风化[N].山西日报，2004-04-20.

作者简介：

湛润生（1979—），男，汉族，山西右玉人。硕士研究生，副教授，研究方向：生态环境学。

范锦荣（1993—），女，汉族，山西临汾人。西北大学在读硕士研究生，研究方向：生态环境学。