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内容摘要：敦煌莫高窟保存有大量精美的壁画，随着时间的推移，一些洞窟的壁画产生了酥碱、起甲、空鼓等病害。大量研究表明，盐分运移和富集是导致壁画产生病害的主要因素，而岩体内水汽梯度和温度梯度的存在则为盐分的运移提供了先决条件。为寻找出温度和相对湿度在岩体内部的变化规律以及它们之间的相互影响与制约关系，我们在第108窟西壁壁画脱落处钻孔安装了温湿度监测设备，开展洞窟岩体内温湿度的长期监测。本文以莫高窟第108窟西壁岩体内最近3年的温湿度实测数据为依据，通过对温湿度数据采用横向、纵向对比，得出如下结论：岩体内浅部区域，在温度增高的方向上，水汽呈减少的趋势。在垂直和水平方向上，温度变化呈周期性，相对湿度则由表向里逐渐升高，且在一定深度内达到稳定。本次研究探索了洞窟岩体内温度对相对湿度的影响以及温湿度的变化规律，为进一步分析壁画病害机制和采取防范措施提供了科学依据。
关键词：莫高窟；岩体；温湿度；变化规律
中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2012）01-0086-06
一 前言
莫高窟是世界上著名的文化遗产之一，但是，赋存环境的变化和壁画自身材质的劣化也给它带来了很多的难题，壁画盐害就是其中之一。张明泉、张虎元等[1]通过分析壁画病害机理，认为盐分在水分的作用下，运移到地仗层和壁画层以及它们的接触界面上，发生水化、离子交换和重结晶作用，从而破坏了地仗层和壁画的结构，导致了病害的发生。王旭东[2]认为，在对干旱环境中的土遗址进行保护时，多因素耦合共同作用对土遗址劣化的研究较少，尤其是温度对土遗址作用的研究更少。郭青林等[3]在对莫高窟底层洞窟的岩体进行水汽与盐分空间分布及其关系的研究中，对岩体内盐分的分布规律以及盐分与水汽的关系进行过详细的阐述，并指出，温湿度和盐分有很好的关联性。杨善龙[4]概要论证了洞窟岩体内的温度和湿度之间的关联以及它们在岩体内的分布规律。
本文以最近三年收集到的第108窟岩体内温湿度实测数据为依据，重点分析了它们在岩体内水平和垂直方向上的变化规律。作为一对耦合因素，温湿度在盐分的运移中所扮演的角色，学者们已经有过详细的阐述[5-14]。本研究对了解洞窟岩体内温湿度的变化规律，进一步研究壁画病害的产生机理，并做出相关的保护决策有重要意义；同时也为下一步研究岩体内部温湿度和洞窟内温湿度的相关性提供依据。
二 监测设置
敦煌莫高窟第108窟为五代时所建的大型洞窟，位于莫高窟南区中部偏南，属于底层洞窟。洞窟壁画产生了大量病害，以西壁最为严重，目前西壁壁画大部分已经脱落，仅在西北上部还保存有一块壁画（图1）。为研究岩体内的温湿度变化，我们在洞窟西壁壁画脱落处设置了2个钻孔，安装温湿度仪（瑞士rotronic）以监测岩体内的温湿度变化，钻孔的位置分布如图2所示。其中每个钻孔按不同深度分别布置了7个探头，探头的分布位置见图3。
三 数据分析与讨论
自2008年5月以来截止本文撰写时，洞窟的温湿度一直在监测当中，期间由于电池断电或者设备故障的缘故，个别月份或个别探头的数据存在缺失。现择其可用数据进行分析。
3.1 岩体内水平方向上的温湿度变化规律
a） 温度变化规律
上图可以看出，在一年的周期内，不同深度位置上的温度波动都呈现出各自的类正弦曲线变化。总体来说，深度越浅，曲线振幅越大，波动越明显。深度越深，曲线振幅越小，波动越不明显，可以预示的是，在岩体内部的一定深度（大于4.7m）上，温度基本处于一个平稳的状态。钻孔外P1的波动也呈现出正弦曲线变化，而且波动幅度明显比钻孔内部的波动幅度大。
另外，7个探头所处位置上温度的波动幅度是逐渐降低的，直至达到一定深度（大于4.7m）上温度变化趋于平缓，根据热力学第一定律可知，岩体内浅部区域正在源源不断的接受来自洞窟内部的能量传递，换言之，洞窟内温度的变化影响着岩体内浅部区域的温度变化，且这种影响随着钻孔深度的增加，越来越小。
在岩体内部同一位置上，每年12月到次年5月，随着深度的加深，温度呈现降低的趋势， 6月到11月这种趋势正好相反。同一位置不同月份之间的温度存在梯度差，且由浅到深逐渐降低。
图上还反映出这样的事实：每年的6月到11月，在岩体浅部大约0.3m的深度区域内，其温度比洞窟内岩体温度还要高。如果把P2、P3、P4、P5、P6、P7以及P1探头所赋存的环境分别看做是两个系统的话，壁画地仗层以及颜料层则充当着两个系统之间气体交换的介质，这种介质的孔隙度是否均匀分布，也影响着两个系统之间能量传递的效率，而地仗层及颜料层的物理化学性质究竟如何影响着能量传递的效率，值得进一步研究。
b） 相对湿度变化规律
图5表明，水平方向上深度越深，相对湿度越大，约在2.5m的深度上达到100%，说明在该位置及更深的位置上，當波动的温度达到水汽的露点时，就有出现凝结水的可能性。总体来看，浅部位置上的相对湿度波动很明显，说明在岩体内浅部（表面至2.5m深度范围），水分的波动幅度较岩体深部区域大，而水分的大幅度波动，增加了盐分不断地结晶和重结晶的危险，从而造成壁画病害周而复始的发生[15]，给修复工作带来巨大挑战。
同时，在岩体浅部区域，相对湿度在12月到次年5月间总是比6月到11月间的波动幅度大。由图4可知，12月到次年5月间岩体内浅部温度低于深部温度，而此时浅部相对湿度的变化较6月到11月间更剧烈，由此可以认定，正是岩体内浅部和深部存在着温度差，才导致了水分朝岩体浅部区域运移，促使浅部区域内水分含量及波动幅度和6月到11月间的相比，都有较大的提高。即在岩体浅部的一定区域内，水汽在水平方向上是朝着温度降低的方向运移的。这种结论曾亦键等[16]已经论证过。 另外，洞窟内相对湿度的波动趋势，在6月到11月，呈凸函数变化，且在7、8月份达到顶峰；12月到次年5月呈凹函数变化，在1、2月跌入低谷。综合以上叙述，可以推断出，洞窟内的水汽变化受洞窟岩体内部水汽变化的影响不大。考虑到洞窟大气和窟外大气相连通的事实，窟外大气中水汽的变化在窟内水汽呈现凸凹函数变化的规律中扮演着不可或缺的角色。
3.2 岩体内垂直方向上温湿度变化规律
选取两钻孔同一深度上若干探头的温湿度实测数据作图，以获取岩体内部在垂直方向上的温湿度变化规律。
a） 温度变化规律
岩体内，不仅在水平方向上存在温度高低的交替变化现象，在垂直方向上，情况也类似，不同的是，这种交替越往深处越不明显，甚至于消失。从上图可以看出，在0.3m、0.8m、2.5m的深度上，温度也呈现出类似正弦函数波动，即以半年为半周期交替变化。在一年中的6月到11月，位置高的地方温度高，位置低的地方温度低，从12月到次年5月间，这种现象正好相反，而且从6月到11月间，高低位置上的温度差比12月到次年5月间的温度差要明显得多。然而在4.7的深度上，全年的温度都是位置高的地方比位置低的地方高，说明在该位置上，温度随时间而交替变化的现象已消失，表现为位置越高，温度就越高。
b） 相对湿度变化规律
如图10、11、12、13所示，岩体内浅部区域，相对湿度在垂直方向上，总是表现为位置越低，相对湿度越高。在岩体内2.5m、高度为0.5m的地方，相对湿度已经率先达到100%，这种趋势，在深度为4.7m的地方已经变得统一，二者的相对湿度都处于稳定的100%，进一步证明了3.1.b）中“在岩体内部2.5m及更深的位置上，当温度适宜时会出现凝结水”的结论。
按照3.1.b）的结论和图6、7、8、9所示，浅部区域的水汽在6到11月是由高处向低处运移的，表现为6到11月间低处的相对湿度比高处要高，这在图10、11、12、13中得到了证实。同时，从12月到次年5月，水汽则是由低处向高处运移，考虑到实际情况，水汽垂直往上运移与其水平运移相比，还需要克服重力作用，加上水汽运移在垂直方向上还要受到砾岩颗粒的阻力，所以在12月到次年5月，水汽由低处向高处的运移并不明显。
另外，上图也一致反映出，岩体内浅部区域的相对湿度在12月到次年5月间的波动幅度明显增加，表现为相对湿度的曲线大幅度的剧烈振动。这是因为这些位置受到了水平方向上的水汽运移补给。这在3.1.b）中可以得到印证。
3.3 同一位置上的温湿度相关性
由图14、15、16、17可以看出，在岩体内0.3m和0.8m的位置上，温度和湿度呈现出一定的相关性，即温度降低，相对湿度也随之降低，温度升高，相对湿度则随之升高。然而在2.5m深度上，相对湿度的波动趋势明显降低，而温度则是正弦曲线变化。到了3.5m的深度，相对湿度达到100%，保持水平不变，温度依然以正弦曲线变化。说明同一位置同一时刻的温湿度在岩体浅部的一定范围（2m之内）内有相同的波动趋势，但这种波动趋势之间并没有必然的联系。
四 结论
（1）在寻找壁画病害的成因时，不应忽略岩体内温度差的存在，在相当程度上，温度差在水汽乃至盐分运移的过程中扮演着推动力的角色。
（2）岩体内浅部区域的温度都是呈类似正弦曲线波动的，从12月到次年5月，温度由浅到深逐渐升高，6月到11月这种趋势正好相反。浅部区域的温度直接受洞窟内温度的影響，其波动幅度都由浅到深逐渐减小，且到了一定的深度位置，温度的波动趋势就会消失，即温度基本趋于稳定。
（3）岩体内4.7m深度的区域内，水汽由浅到深逐渐增加，不同深度上水汽的波动趋势不同，在一定深度上，当温度达到露点时，有出现凝结水的可能性。随着季节交替，温度周期性波动，水汽总是朝着温度降低的地方运移，而水汽波动在12月到次年5月间最为活跃。从理论上讲，这个时期也是壁画遭受来自岩体内部威胁最严重的时期。鉴于每年6到11月是敦煌地区强降水期，因此，和洞窟外部的降水对壁画赋存环境的威胁相比，壁画遭受来自岩体内部的威胁要弱得多。
（4）岩体内浅部区域的一定位置上，在同一时刻的温湿度波动趋势是相同的，同减同增。但这种相同的波动趋势之间并没有必然的联系。
参考文献：
[1]张明泉，张虎元，等.莫高窟壁画酥碱病害产生机理[J]. 兰大大学学报（自然科学版），1995，31（1）：96-100.
[2]王旭东. 中国干旱环境中土遗址保护关键技术研究新进展[J] .敦煌研究，2008（6）：7.
[3]郭青林，王旭东，薛平，等.敦煌莫高窟底层洞窟岩体内水汽与盐分空间分布及其关系研究[J] .岩石力学与工程学报，2009，28（增2）：3773-3774.
[4]杨善龙. 敦煌莫高窟崖体中水、盐分布现状初步研究[D].兰州：兰州大学硕士学位论文，2009：25-30.
[5]李最雄.丝绸之路石窟壁画彩塑保护[M].北京：科学出版社，2005.
[6]孙儒涧.莫高窟壁画保护的若干问题[J].敦煌研究，1985（2）：169-171.
[7]段修业.对莫高窟壁画制作材料的认识[J].敦煌研究，1988（3）：43-45.
[8]段修业，孙洪才.莫高窟第108窟酥碱起甲壁画的修复报告[J].敦煌研究，1990（3）：93-94.
[9]郭宏，李最雄，宋大康，等.敦煌莫高窟壁画酥碱病害研究之一[J].敦煌研究，1998（3）：153-157.
[10]张明泉，张虎元，李最雄，等.敦煌壁画盐害及其地质背景[C].敦煌石窟文集.兰州：甘肃民族出版社，1993：356-362.
[11]陈港泉，苏伯民.莫高窟第85窟壁画地仗酥碱模拟试验[J].敦煌研究，2005（4）：62-66.
[12]靳治良，陈港泉，钱玲，等.莫高窟壁画盐害作用机理研究（I）[J].敦煌研究，2008（6）：50-53.
[13]David Watt&Belinda Colston，Investigating the effects of humidity and salt crystallisation on medieval masonry[J]. Building and Environment，2003，35（8）：737-749.
[14]B.Lubelli&R.P.J&van Hees，C.J.W.P.Groot，Sodium chloride crystallization in a“salt transporting” restoration plaster[J]. Cement and Concrete Research，2006，36（8）：1467-1471.
[15]李最雄. 敦煌石窟保护工作六十年[J].敦煌研究，2004（3）：17.
[16]曾亦键，万力，等. 浅层包气带地温与含水量昼夜动态的实验研究[J]，地学前缘，2006，13（1）：56.
关键词：莫高窟；岩体；温湿度；变化规律
中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2012）01-0086-06
一 前言
莫高窟是世界上著名的文化遗产之一，但是，赋存环境的变化和壁画自身材质的劣化也给它带来了很多的难题，壁画盐害就是其中之一。张明泉、张虎元等[1]通过分析壁画病害机理，认为盐分在水分的作用下，运移到地仗层和壁画层以及它们的接触界面上，发生水化、离子交换和重结晶作用，从而破坏了地仗层和壁画的结构，导致了病害的发生。王旭东[2]认为，在对干旱环境中的土遗址进行保护时，多因素耦合共同作用对土遗址劣化的研究较少，尤其是温度对土遗址作用的研究更少。郭青林等[3]在对莫高窟底层洞窟的岩体进行水汽与盐分空间分布及其关系的研究中，对岩体内盐分的分布规律以及盐分与水汽的关系进行过详细的阐述，并指出，温湿度和盐分有很好的关联性。杨善龙[4]概要论证了洞窟岩体内的温度和湿度之间的关联以及它们在岩体内的分布规律。
本文以最近三年收集到的第108窟岩体内温湿度实测数据为依据，重点分析了它们在岩体内水平和垂直方向上的变化规律。作为一对耦合因素，温湿度在盐分的运移中所扮演的角色，学者们已经有过详细的阐述[5-14]。本研究对了解洞窟岩体内温湿度的变化规律，进一步研究壁画病害的产生机理，并做出相关的保护决策有重要意义；同时也为下一步研究岩体内部温湿度和洞窟内温湿度的相关性提供依据。
二 监测设置
敦煌莫高窟第108窟为五代时所建的大型洞窟，位于莫高窟南区中部偏南，属于底层洞窟。洞窟壁画产生了大量病害，以西壁最为严重，目前西壁壁画大部分已经脱落，仅在西北上部还保存有一块壁画（图1）。为研究岩体内的温湿度变化，我们在洞窟西壁壁画脱落处设置了2个钻孔，安装温湿度仪（瑞士rotronic）以监测岩体内的温湿度变化，钻孔的位置分布如图2所示。其中每个钻孔按不同深度分别布置了7个探头，探头的分布位置见图3。
三 数据分析与讨论
自2008年5月以来截止本文撰写时，洞窟的温湿度一直在监测当中，期间由于电池断电或者设备故障的缘故，个别月份或个别探头的数据存在缺失。现择其可用数据进行分析。
3.1 岩体内水平方向上的温湿度变化规律
a） 温度变化规律
上图可以看出，在一年的周期内，不同深度位置上的温度波动都呈现出各自的类正弦曲线变化。总体来说，深度越浅，曲线振幅越大，波动越明显。深度越深，曲线振幅越小，波动越不明显，可以预示的是，在岩体内部的一定深度（大于4.7m）上，温度基本处于一个平稳的状态。钻孔外P1的波动也呈现出正弦曲线变化，而且波动幅度明显比钻孔内部的波动幅度大。
另外，7个探头所处位置上温度的波动幅度是逐渐降低的，直至达到一定深度（大于4.7m）上温度变化趋于平缓，根据热力学第一定律可知，岩体内浅部区域正在源源不断的接受来自洞窟内部的能量传递，换言之，洞窟内温度的变化影响着岩体内浅部区域的温度变化，且这种影响随着钻孔深度的增加，越来越小。
在岩体内部同一位置上，每年12月到次年5月，随着深度的加深，温度呈现降低的趋势， 6月到11月这种趋势正好相反。同一位置不同月份之间的温度存在梯度差，且由浅到深逐渐降低。
图上还反映出这样的事实：每年的6月到11月，在岩体浅部大约0.3m的深度区域内，其温度比洞窟内岩体温度还要高。如果把P2、P3、P4、P5、P6、P7以及P1探头所赋存的环境分别看做是两个系统的话，壁画地仗层以及颜料层则充当着两个系统之间气体交换的介质，这种介质的孔隙度是否均匀分布，也影响着两个系统之间能量传递的效率，而地仗层及颜料层的物理化学性质究竟如何影响着能量传递的效率，值得进一步研究。
b） 相对湿度变化规律
图5表明，水平方向上深度越深，相对湿度越大，约在2.5m的深度上达到100%，说明在该位置及更深的位置上，當波动的温度达到水汽的露点时，就有出现凝结水的可能性。总体来看，浅部位置上的相对湿度波动很明显，说明在岩体内浅部（表面至2.5m深度范围），水分的波动幅度较岩体深部区域大，而水分的大幅度波动，增加了盐分不断地结晶和重结晶的危险，从而造成壁画病害周而复始的发生[15]，给修复工作带来巨大挑战。
同时，在岩体浅部区域，相对湿度在12月到次年5月间总是比6月到11月间的波动幅度大。由图4可知，12月到次年5月间岩体内浅部温度低于深部温度，而此时浅部相对湿度的变化较6月到11月间更剧烈，由此可以认定，正是岩体内浅部和深部存在着温度差，才导致了水分朝岩体浅部区域运移，促使浅部区域内水分含量及波动幅度和6月到11月间的相比，都有较大的提高。即在岩体浅部的一定区域内，水汽在水平方向上是朝着温度降低的方向运移的。这种结论曾亦键等[16]已经论证过。 另外，洞窟内相对湿度的波动趋势，在6月到11月，呈凸函数变化，且在7、8月份达到顶峰；12月到次年5月呈凹函数变化，在1、2月跌入低谷。综合以上叙述，可以推断出，洞窟内的水汽变化受洞窟岩体内部水汽变化的影响不大。考虑到洞窟大气和窟外大气相连通的事实，窟外大气中水汽的变化在窟内水汽呈现凸凹函数变化的规律中扮演着不可或缺的角色。
3.2 岩体内垂直方向上温湿度变化规律
选取两钻孔同一深度上若干探头的温湿度实测数据作图，以获取岩体内部在垂直方向上的温湿度变化规律。
a） 温度变化规律
岩体内，不仅在水平方向上存在温度高低的交替变化现象，在垂直方向上，情况也类似，不同的是，这种交替越往深处越不明显，甚至于消失。从上图可以看出，在0.3m、0.8m、2.5m的深度上，温度也呈现出类似正弦函数波动，即以半年为半周期交替变化。在一年中的6月到11月，位置高的地方温度高，位置低的地方温度低，从12月到次年5月间，这种现象正好相反，而且从6月到11月间，高低位置上的温度差比12月到次年5月间的温度差要明显得多。然而在4.7的深度上，全年的温度都是位置高的地方比位置低的地方高，说明在该位置上，温度随时间而交替变化的现象已消失，表现为位置越高，温度就越高。
b） 相对湿度变化规律
如图10、11、12、13所示，岩体内浅部区域，相对湿度在垂直方向上，总是表现为位置越低，相对湿度越高。在岩体内2.5m、高度为0.5m的地方，相对湿度已经率先达到100%，这种趋势，在深度为4.7m的地方已经变得统一，二者的相对湿度都处于稳定的100%，进一步证明了3.1.b）中“在岩体内部2.5m及更深的位置上，当温度适宜时会出现凝结水”的结论。
按照3.1.b）的结论和图6、7、8、9所示，浅部区域的水汽在6到11月是由高处向低处运移的，表现为6到11月间低处的相对湿度比高处要高，这在图10、11、12、13中得到了证实。同时，从12月到次年5月，水汽则是由低处向高处运移，考虑到实际情况，水汽垂直往上运移与其水平运移相比，还需要克服重力作用，加上水汽运移在垂直方向上还要受到砾岩颗粒的阻力，所以在12月到次年5月，水汽由低处向高处的运移并不明显。
另外，上图也一致反映出，岩体内浅部区域的相对湿度在12月到次年5月间的波动幅度明显增加，表现为相对湿度的曲线大幅度的剧烈振动。这是因为这些位置受到了水平方向上的水汽运移补给。这在3.1.b）中可以得到印证。
3.3 同一位置上的温湿度相关性
由图14、15、16、17可以看出，在岩体内0.3m和0.8m的位置上，温度和湿度呈现出一定的相关性，即温度降低，相对湿度也随之降低，温度升高，相对湿度则随之升高。然而在2.5m深度上，相对湿度的波动趋势明显降低，而温度则是正弦曲线变化。到了3.5m的深度，相对湿度达到100%，保持水平不变，温度依然以正弦曲线变化。说明同一位置同一时刻的温湿度在岩体浅部的一定范围（2m之内）内有相同的波动趋势，但这种波动趋势之间并没有必然的联系。
四 结论
（1）在寻找壁画病害的成因时，不应忽略岩体内温度差的存在，在相当程度上，温度差在水汽乃至盐分运移的过程中扮演着推动力的角色。
（2）岩体内浅部区域的温度都是呈类似正弦曲线波动的，从12月到次年5月，温度由浅到深逐渐升高，6月到11月这种趋势正好相反。浅部区域的温度直接受洞窟内温度的影響，其波动幅度都由浅到深逐渐减小，且到了一定的深度位置，温度的波动趋势就会消失，即温度基本趋于稳定。
（3）岩体内4.7m深度的区域内，水汽由浅到深逐渐增加，不同深度上水汽的波动趋势不同，在一定深度上，当温度达到露点时，有出现凝结水的可能性。随着季节交替，温度周期性波动，水汽总是朝着温度降低的地方运移，而水汽波动在12月到次年5月间最为活跃。从理论上讲，这个时期也是壁画遭受来自岩体内部威胁最严重的时期。鉴于每年6到11月是敦煌地区强降水期，因此，和洞窟外部的降水对壁画赋存环境的威胁相比，壁画遭受来自岩体内部的威胁要弱得多。
（4）岩体内浅部区域的一定位置上，在同一时刻的温湿度波动趋势是相同的，同减同增。但这种相同的波动趋势之间并没有必然的联系。
参考文献：
[1]张明泉，张虎元，等.莫高窟壁画酥碱病害产生机理[J]. 兰大大学学报（自然科学版），1995，31（1）：96-100.
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[8]段修业，孙洪才.莫高窟第108窟酥碱起甲壁画的修复报告[J].敦煌研究，1990（3）：93-94.
[9]郭宏，李最雄，宋大康，等.敦煌莫高窟壁画酥碱病害研究之一[J].敦煌研究，1998（3）：153-157.
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[13]David Watt&Belinda Colston，Investigating the effects of humidity and salt crystallisation on medieval masonry[J]. Building and Environment，2003，35（8）：737-749.
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[16]曾亦键，万力，等. 浅层包气带地温与含水量昼夜动态的实验研究[J]，地学前缘，2006，13（1）：56.