河西走廊石窟寺群文物病害的现状、大气触发机制与预防

The grottoes in the Hexi Corridor are important historic evidences of the integration of Multi-cultures on the Silk Road. Scientific understanding of the air quality in grottoes and the mechanism of atmospheric deterioration on historical relics is the basis of preventive protection of cultural heritages. In this project, the temporal and spatial distribution of air pollutants, materials and their atmospheric deteriorations in grottoes will be systematically characterized to provide basic parameters of an environmental simulation chamber system. Physicochemical characterizations of products of atmospheric corrosive reactions and a dose-effect numerical model will be adopted to evaluate the pattern and rate of atmospheric deteriorations in the grottoes. Furthermore, microanalysis technique and a simulation model on crystallization and micro-porous mechanic will be used to quantitatively explore the transformation and triggering mechanism of deterioration under the mostly potential hazard air pollutants. The maintenance criteria and control measures based on the results of this study can be established to coordinate national strategies and to promote the preventive protection in cultural heritages.

河西走廊石窟寺群是丝绸之路上中西方多元文化荟萃交流的历史见证，科学化理解其赋存空气环境的质量及病害的腐蚀机理，是石窟文物预防性保护的基础，但相关研究鲜见。项目选择河西走廊的典型石窟为研究对象，通过对文物、病害和空气污染物时空分布的系统观测，构建石窟空气环境模拟实验体系，基于腐蚀产物的理化表征和累积剂量-病害效应数学模型，预测关键空气污染物侵蚀文物的方式和速度。进而，借助微区分析技术和结晶盐-微孔力学模型，定量阐明最具威胁污染物的转化趋势及病害触发机理，并依此提出石窟空气质量的控制建议。项目内容符合国家实施“一带一路”战略构想的历史文化需求，其成果并对推动文化遗产的预防性保护具有重要科学和现实意义。

河西走廊石窟寺群是丝绸之路上中西方多元文化荟萃交流的历史见证，对河西走廊石窟寺群的有效保护，应基于科学化地理解文物保存环境的空气污染现状及病害等的腐蚀机理。本项目基于河西走廊典型石窟寺（莫高窟、榆林窟和天梯山石窟）的外场环境气体与微环境观测，结合气溶胶单颗粒分析，获得大气气溶胶、文物表面降尘及病害产物中酸蚀、盐蚀组分和风化的观测证据，并采用微环境模拟实验舱和微区分析技术，观测强氧化性气体（臭氧）的累积暴露下，无机矿物颜料和有机粘合剂修复材料结合部肉眼无法观察到的微米、亚微米尺度变化，评估臭氧对于壁画、文物等的侵蚀速度及触发机理。获得主要研究结果包括：（1）河西走廊典型石窟寺内气态和颗粒物污染物浓度存在明显的地域和季节差异，其中酸性气体浓度水平较低，氧化性气体常年维持在较高浓度水平，潜在威胁文物修复中使用的丙烯酸类有机粘合剂。（2）石窟寺内气溶胶、文物表面降尘中存在酸性和可溶盐组分，对文物、壁画的多孔表面存在酸蚀、盐蚀威胁。病害中多种析出盐类在壁画表面的垂直分布是水盐运移与窟内微环境波动的共同结果，壁画和地仗层中地下水或地表水沿毛细管上升是最可能的水盐运移通道。（3）模拟臭氧加速老化（等效实际环境浓度下3.5年暴露）条件下，矿物颜料和粘合剂结合部有超过10%的观测点位在8个月内即可触发微米尺度的形貌和化学组成改变。因此，抑制窟内臭氧及降尘的浓度，阻隔壁画和地仗层中的毛细水运移，实现壁画材料与污染物的物理分离，应是保障石窟寺内文物、壁画等长久保存的有效措施。