守護敦煌--高模數硅酸鉀PS作為固沙劑的應用

敦煌的美在世界上是獨一無二的。當蒼茫浩翰的沙漠突然中裂，高低錯落的幾百個洞窟在陡直的巖壁上蜂窩般排開，每個洞窟中都繪滿了精美絕倫、價值連城的千年古畫，這種奇跡確實是驚心動魄的。一百年間，來自五洲的各色人等在這里頻繁出沒，中國學界更對這里蒙受的屈辱刻骨銘心。而人類的知識體系中，卻有了一門博大宏富的國際顯學--敦煌學。1987年，聯合國教科文組織鄭重把敦煌莫高窟列入世界遺產名錄。這座"沙漠上的美術館"不再只是中國的國寶，它已經成為全人類共同擁有的珍貴財富。

　　敦煌曾經是絲綢之路的噤喉和要沖。透過歷史的煙云，這里有過多少西風古道，胡笳羌笛，金戈鐵馬，商隊駝鈴。舉世聞名的莫高窟是公元366年前秦時期開始興建的。一千四百年間，經過無數能工巧匠、善男信女的歷代踵修，終于建成了龐大的佛教禪林和文化圣地。這些洞窟開鑿的原意，只是為參禪修煉提供一個靜穆的場所。大概誰也不曾料到會給后人留下一座如此遼闊而恢宏的藝術宮殿。在492個洞窟里總面積45000平方米的巨大畫卷中，無數歷史的碎片連綴出了全息的歷史圖景。這里透露著早期希臘文化、印度文化、伊斯蘭文化和中國文化融合的端倪和脈絡，這里留下了那些沒有印刷術和攝影機的年代里，社會生活各個層面的清晰投影和真實細節。無論是先民們男耕女織、漁獵桑麻、鑄造冶煉，還是飲宴歌舞、衣食住行、市井百態，乃至征戰殺伐、駐節出使、揚帆航海，墻上都有著惟妙惟肖的傳真和寫照。我們同歷史的距離從沒有象走進敦煌石窟后那樣近。在這座時間的密封倉里，除了畫家們看到中國美術千年嬗變的淵源和走向，歷史學家，考古學家，民俗學家，社會學家，建筑學家，科學史專家，音樂史專家，幾乎所有領域的人們，都能尋到自己的珍寶，找到獨特的體悟和驚喜。洞中氣象萬千的生命姿態，為我們解讀歷史提供了最確鑿的答案和證據。從這個意義上來說，敦煌百科全書般的文化價值和歷史重量是無法估計的。

　　盡管歲月流逝，朝代更迭，社會動蕩，天災頻仍，敦煌卻畢竟維持了一千多年的景氣與繁盛。后來，隨著海上航線迅速延伸，絲綢古道逐漸湮廢，敦煌也變得日趨蕭條荒寂，文史零落了。到了十六世紀初葉，明朝嘉靖皇帝為抵御異族入侵，轟然緊閉了嘉峪關大門，將敦煌徹底遺棄在管轄之外，一任星霜剝蝕和風沙沉埋。直到時序進入近代，英、法、俄、日的冒險家先后從敦煌藏經洞劫走大批典籍，接著美國人又盜取了大量壁畫，敦煌這才重新聲名大噪，并且變得更加瘡痍滿目。此時的莫高窟處處可見流沙堆積，洞穴坍塌，壁畫破損，彩塑傾倒。當二十世紀四十年代的國立敦煌研究所接過莫高窟的時候，應該說同時接到了它的病危通知。忘不了中國第一代可敬的敦煌學者們，他們為保護這些劫后余生的文化瑰寶，付出了無限的智慧和艱辛。

　　對于一位大病臨身的患者，只能靠高超的醫術挽救他的健康和生命。敦煌石窟的保護需要的是知識和科學。于是，在敦煌學的體系中，產生了文物保護這個重要分支。一批科學工作者懷才抱志，開始了畢生的探索和追尋。因為過去失去的太多，沒有失去的這部分就更加珍貴。今天如果再次失去，那將是人類和世界最后地、永遠地失去了。

　　保護敦煌石窟，必須先從掌握周圍自然環境入手。誰都很難想象，一千六百年前，先民們在敦煌選址開窟時，這里曾經是一片草木扶疏的塞外綠洲。隨著千百年荒漠化的不斷加劇，4500平方公里的羅布泊漸漸淪為完全干涸的"死亡之海"，名噪文史的陽關、玉門關、漢長城只剩下殘敗的遺址遺跡。敦煌也陷入了沙漠的包圍之中?？茖W家們所做的第一項工作，便是大尺度氣象觀測。這里常年受蒙古高壓控制，是典型的內陸氣候。溫度，濕度，降水，蒸發，風向，風速，日照，沙塵，用最先進的儀器將百萬組數據化作清晰的曲線，敦煌一年四季的氣候變化盡在掌握之中了。

　　風沙之害應該是敦煌保護中最持久而沉重的話題。當卷地而來的黃沙順著崖壁瀑布般瀉下時，這里的底層洞窟曾幾乎大半被埋。積沙還能造成窟頂巨大壓力和巖體積水。至于卷入窟內的沙礫，則象一張碩大的砂紙，無時不在對脆弱的壁畫慢慢打磨。單靠人工清沙畢竟太消極被動了。然而，敦煌處在大漠的腹地。要打贏這場人沙之戰，又需要有怎樣的非常之功！

　　當萬里長風吹過翰海，沙的起伏留下了風的形狀。每秒５米以下的風速是不會攜帶沙粒的。而每秒５至８米的風卻會激起沙海的漣漪。只有每秒８米以上的風速，才對沙物質有運載能力。經過數年監測和計算，人們終于掌握了風的來蹤去跡，繪出了風沙流向的分布圖。值得慶幸的是，在莫高窟的八面來風中，只有概率占5.6%的西南風達到每秒８米以上的等級。但它的輸沙能力卻達到71.1%。每年送上門來的積沙3000立方米。而沙的主要來源，是位于石窟西側１０００多米的鳴沙山。

　　在風沙主力的必經之路上，敦煌研究院建起了一道特殊的防線。鳴沙山腳下這排由５種沙生植物組成的防護帶，是綠色生命挺身守護敦煌的一曲凱歌。它們靠著先進的滴灌技術頑強扎根在沙山東移的通道上，地面粗糙度數百倍地增加使得風速急劇銳減。實驗表明，戈壁灘上一棵檉柳便會如同一位孤膽戰士，一年能攔截流沙2500立方米。這是多么驚人的效益和回報。植樹種草既能阻沙，又能固沙。人工植被盡快向大面積天然植被過度，也許是根治沙害的終極途徑。

　　在植物防護帶的后面，敦煌研究院與美國蓋蒂文物保護所聯手合作，設置了一張Ａ字型尼龍網。頂尖直指鳴沙山。當運載著沙塵的疾風在網前網后失掉20%的速度時，所攜帶的沙粒便紛紛墜落，終止了它們危險的旅行。這道延伸數千米的地網既能在主害風向上阻沙，又能在次害風向上導沙。根據測量，每年能擋住窟區積沙的75%，這應該是一個鼓舞人心的成功。

　　大自然的因果關系常常是奧妙而復雜的。當含沙量幾乎飽和的"渾濁之風"在防護網前后卸下沙塵變成清風，在吹過崖區時便顯出更強的風蝕作用。莫高窟巖體在地質學上屬第四紀沙泥質、鈣質半膠結礫巖，結構十分松散。風洞實驗表明，鵝蛋大的巖石樣塊在每秒20米的風速下，３分鐘便被吹掉一大半。這便是崖頂在勁風中越來越薄的原因。如不加強治理，上層洞窟終將變成露天。在這里，如何板結表面復沙和加固風蝕崖頂，便成了突出問題。

　　不妨設想用水泥把崖頂牢牢封住，將會是什么結果。顯然，只要稍有雨水便會無法滲透，而四面匯集后流入窟區，造成種種麻煩。平時，崖體內水分不能蒸發，也勢必危害洞中壁畫。因此，固沙膠結劑不但要達到應有強度，還必須滿足良好的滲水、吸水性要求。經過反復比較實驗，科學家們終于選定了高模數硅酸鉀，即PS，為最理想的固沙劑。經它處理過的巖塊完全保持了原有滲透性和吸水率，抗壓強度大大增加。在每秒２０米的風洞實驗中，吹蝕模數幾乎為零。切不可低估高模數硅酸鉀PS之于敦煌的巨大意義。這種廉價、簡便、無毒、無害的無機膠結劑為治沙的人們增添了一件至關重要的法寶。自此，物理手段，生物手段，化學手段，已開始形成綜合的治沙體系。

　　從遠處看去，莫高窟750多個大小洞窟，分布在1700米長的山崖上，儼然一座龐大而壯觀的整體建筑。然而，這個建筑卻是根本不可能有總體規劃設計的。一千多年間，每一位后來者都是根據自已的靈感，在山崖上看中一塊空白處隨意開鑿，沒有誰去作過結構力學的論證和計算。加上后幾百年的荒廢失修，諸多洞窟出現了嚴重開裂和大面積坍塌。敦煌守護者們的又一項繁難使命，便是加固和整修這些搖搖欲墜的"危房"。用各類PS系列的漿料對大小裂隙進行灌注，用數十米的錨索將崩裂的巖石重新釘在崖體上。同時要保持天然的地形地貌。這是世上絕無僅有的高精度、高工藝的"補地"工程。

　　真正最見工夫的細活，莫過于對窟內壁畫病害的防治和修復了。如果把敦煌492個洞窟45000平方米的壁畫按２米高度首尾連接，將會綿延22.5公里之長。這是世界上最燦爛輝煌的藝術長廊。人們精心保護的洞窟和崖體，都不過是壁畫的支撐和依托。如果壁畫本身失去了光彩，敦煌石窟中的一切都將失去靈魂。

　　看到這些筆歌墨舞、曠世珍稀的佳作變成如此模樣，怎能不讓人心疼不己又心急如焚！龜裂，起甲，褪色，酥堿，空鼓，粉化，霉變，脫落……各種致命的癥狀寫滿了診斷書。翻開這些病歷記載，病害洞窟達251個，病害壁畫4250平方米。但病根在哪里？如何才能做到標本兼治。

　　我們必須首先了解這些壁畫當年是如何做上去的。在開鑿出來的粗糙巖石上，先涂一層或兩層用碎麥秸、細麻刀合好的泥，再抹上一層薄如蛋殼的白石灰加以打磨。然后便能在光潔的墻壁上縱情揮毫了。這層草泥和石灰稱為地仗層，是壁畫的直接載體。

　　面對也許茫無頭緒的多種病害，我們不妨換一個思考角度。為什么這些1600年前的作品，沒有和同時代的其他東西一起消失，而相當完好地保存到了今天？答案應該是，干燥。極端干燥的沙漠氣候是壁畫的最好保存者。反過來，尋找這些壁畫的病理學原因，便應該緊緊追蹤水的活動。

　　不用常人眼睛而用科學手段，就會發現即使在沙漠巖層中，也有一個微小而復雜的水系。敦煌獨特的硬水，順著細小的縫隙無孔不入地滲透，再把巖層中的可溶性成分溶解后四處搬運。當巖層和地仗層之間甚至地仗層內進入了水，反復發生著鹽的溶解，結晶，聚積時，就會破壞壁畫的結構。這便是諸多癥狀共同的發病機理。

　　正確的防治辦法，自然應該從改善水文環境入手。要在看不見的墻壁中，摸清水的蛛絲馬跡，然后對癥下藥。裂縫灌漿，惟幕灌漿，做防水墻，挖防水溝，窟頂修防滲層，窟內通風吸濕。只有治水的成功，才能使洞窟脫離險境。

　　一系列修復工作不僅是最精細的手術，也是最高超的藝術。聚醋酸乙烯和聚乙烯醇是經過無數次篩選的理想修補材料。清除灰塵，注射乳膠，排除空氣，滾壓表面，一個手誤眼錯便會帶來不可挽回的后果。損失一寸畫面，就意味著這片文化圣地又丟掉一寸版圖。這是最默默無聞卻功德無量的艱苦勞動。多年來，共有三千多平方米瀕危壁畫和百余身彩塑在這里起死回生。

　　對于岌岌可危的大面積空鼓和脫落，僅靠粘合已經于事無補了，必須有"刮骨療毒"的氣概和"壯士斷腕"的決心。當然，透過畫面向巖石鉆孔一定要慎之又慎。支護，回貼，灌漿，用錨桿和有機玻璃做十字固定，和無創傷修復相比，這類辦法只能是不得己而用之，但卻在危機關頭搶救了不少藝術珍品。

　　輝煌，絢麗，繽紛，斑斕，這是敦煌壁畫天下獨美的一大特點。而如何防止顏色的退變和老化，則是又一門很深的獨立學問。這里是一個最完整的中國歷代顏料標本館。古人使用的顏料除藤黃和胭脂外，幾乎全是無機礦物顏料，首先必須對它們的品種、數量、成分進行準確地摸底和普查。于是，在科學家眼中，墻上的壁畫便不再只是生動的人文景象，而成了具有不同分子式的化合物涂層。當然，顏料還不是畫面的全部。其中的膠結材料作為至關重要的粘合劑和固定劑，其化學構成同樣必須查個一清二楚。幸虧現代科學提供了十八般武器，偏光顯微法，發射光譜法，電子探針法，Ｘ射線熒光光譜法，紫外紅外光譜法，質譜法，Ｘ線衍射分析法，高效液相色譜法，祖先們千百年間使用的繪畫配方至此全被一覽無余了。

　　而色彩退變的機理除了膠結劑老化引起顏料脫落外，還有一系列復雜的光化學反應。我們無法再用千年時間來觀察變化的進程，但科學卻能夠設計出可靠的變色模擬實驗。包括在不同取值的恒濕箱中模擬太陽光、紫外光和紅外光的照射；在二氧化碳，硫化氫，臭氧等有害氣體環境中置放。研究是在分子的層次上進行的。這里自然少不了掃描電鏡SEM分析，傅里葉紅外光譜分析等手段。于是，朱砂變黑，鉛丹老化，石黃退色等現象，便可以用硫化汞轉變了晶格，四氧化三鉛變成了二氧化鉛，硫化砷變成了氧化砷來更本質地加以表述了。

　　不少壁畫上，還明顯留下了歷代香客僧人以洞窟為家時煙熏火燎的印記。1917年沙皇帝國崩潰，一批亡命的俄國軍官流竄到敦煌，當地官府竟將他們關押在石窟中。他們除了在壁畫上涂抹各種下流圖畫文字外，還每天在洞中支鍋做飯，生火取暖，不少絕代佳作被熏成一團漆黑。

　　這些壁畫還有出頭之日嗎？顯然不能拿一塊抹布一抹了之。深思熟慮的學者們第一步先精確分析了煙熏層的化學成分。原來它的組成除了大量的碳，還有各類芳香族化合物和硫化物。必須找到一種既能夠對它們溶解和反應，又對壁畫和地仗層沒有副作用的"特效藥"。目前，萬無一失的方案正在探索和比較中。壁畫上這些涂炭的生靈終將重見天日和再放光彩！

　人們還在敦煌石窟發現這樣一個秘密。有些壁畫下面還覆蓋著另一層壁畫。有些洞窟中，壁畫疊壓達三層之多。原來唐代以降，敦煌的后來者便不再十分尊重和欣賞前人的創造。隨著鵲巢鳩占之風盛行，許多洞窟中新畫代替了舊作。尚有顧惜之心者，便順墻砌一道土坯，另起爐灶，再繪丹青。粗暴些的則在原壁畫上抹一層草泥，然后刷白重新作畫。最潦草的是直接在原作上蓋一層白粉后便取而代之。對下面這些被廢除和勾銷的作品，我們該懷著怎樣的牽掛和好奇，盼望著能夠一睹芳容！辦法遲早會有的，步驟總是先易后難。人們已經能靠模板托護，用最穩妥的整體揭取遷移技術，把有土坯隔開的兩層壁畫完好分離。魚和熊掌兼而得之，這些囚禁千年的敦煌秘版重獲新生，其價值不亞于發現了新的洞窟。

　　每天清晨第一縷陽光照進幾座洞窟深處時，另外的洞窟卻可能繼續沉睡不醒，甚至終日處于黑暗之中。1600年間，不同朝代開掘的700多個洞窟大的如同禮堂，小的一米見方，高低、深淺和形制更是彼此迥異。洞中小環境自然也會千差萬別了。外界大環境歸根結底通過窟內小環境起作用。壁畫和彩塑的每種病害，幾乎都和窟內小環境有直接關系。因此，觀測和控制窟內小氣候，便成了科學工作者們又一項艱巨繁難的常規性工作。

　　在每個洞窟的不同位置精心布下各種探頭，讓這些靈敏的傳感器在不同梯度上捕捉日照的強弱，溫度的升降，濕度的波動，氣流在洞內行曲走折的循環路線。全天候跟蹤監測的數據對壁畫安全有著至關重要的作用。溫、濕度變化振幅過大，會加劇巖壁表層周期性收縮膨脹；壁畫的顏色本來靠光的照射來顯現，但光卻又會奪去它昔日的鮮艷。更何況這些洞窟不是與世隔絕的。它們輪番接待著一批批參觀者。由此帶來的小氣候變化就更為復雜了。這里也需要用數據來說話。當40人進入一個中型洞窟，停留37分鐘，監測結果表明每人每小時呼出水21克，二氧化碳4.7升，窟內氣溫平均上升4.5度。此后，溫度、濕度、二氧化碳濃度的半衰期分別為0.25小時，１小時和３小時。高溫、潮濕和酸性氣體對文物的損害是眾所周知的。如何控制觀眾流量，并保持良好的空氣交換條件，已成了越來越需要認真面對的問題。

　　怎樣才能將燦爛的敦煌文化永久保存下來，這是每一代敦煌學者苦苦探求的課題。當數字化浪潮涌進二十世紀末期的一切領域時，保護敦煌的人們捷足先登，開始了大規模計算機存儲與再現系統的研究。將近景攝影測量技術獲得的高精度立體照片進行幾何糾正和色彩還原，經過數字掃描建立起龐大的數據庫，于是，汗牛充棟的圖片文字便全部溶化在二進制數碼的海洋中；墻上和洞中的千般姿態，萬種風情也都能在瞬息之間化作一串串神奇的"比特"，供人們長程傳播，無損復制和隨意檢索查詢。最近與美國梅隆基金會的合作將把數字技術提高到全新水平。觀眾將在虛擬的洞窟中，從任何距離和角度，鑒賞到高清晰、高保真的三維圖景。這應該是敦煌信息存儲技術史上真正意義的革命。

　　但一想到幾百座石窟的無限風光將被壓縮進幾塊小小的芯片，慰籍與驚嘆之余，不由涌起難以言喻的復雜感情。任何先進完美的存在形式，都永遠代替不了我們深深愛著的敦煌。最可寶貴的，永遠還是這里墻上真真實實的每一層泥土和每一寸筆墨。盡管我們知道，萬事萬物都是時間的函數。在不可抗拒的自然法則面前，也許沒有任何東西可以永恒。但我們卻能夠用百倍的智慧和努力，盡量讓敦煌美麗的生命青春常駐，益壽延年。

　　為了守護墻上的這些人類記憶和文明遺蹤，幾代優秀的中國人在這片沙漠中耗盡了畢生的心智和才華。今天，我們的眼睛是幸福的，一個生機勃勃的敦煌正在我們懷抱之中。而我們對敦煌的一切珍惜和善待，都是為了讓遙遠的子孫仍然能繼續擁有這種幸福。我們將盡到這一代人不能回避的歷史責任！