永乐宫壁画制作材料及工艺的初步调查分析

      自永乐宫创建，历经兵火、地震及风雨飘摇之劫，期间多有修缮，在1959—1964年因三门峡水利工程需要，整体搬迁至芮城县西周古魏城遗址内[1]。搬迁中壁画经过表面除尘，使用胶矾水和团粉浆糊封护，然后被分块切割、揭取后搬迁至新址[11，12]。在之后的加固复原中，壁画再次进行了大范围的画面清洗和胶矾水封护，地仗麦秸泥层被铲去，剩余厚约1 cm的细砂泥层也经过了胶水渗透加固，又用胶水砂泥将壁画背面泥壁表面填铺平整，贴漆皮泥白布一层，漆皮砂泥一层，干透后使用紫胶粘结到对应尺寸的木框上[12，13]。壁画表层的裂缝与残洞使用纸筋砂泥填补平整，最后根据画面特点修复做旧[13，14]。目前，固定于夹层空心墙上的壁画状况大致稳定，但很多画面表层出现污染变色的问题，部分经过填补的拼接裂缝开裂起翘，局部颜料层出现起甲、脱落和粉化的状况。

      永乐宫的搬迁工程举世闻名，然而关于其原始壁画、彩塑的材料与工艺的科学研究和记录却甚少，因此对曾经进行过如此大范围修复的永乐宫来说，未经过回贴修复的壁画残块是研究原始壁画制作工艺和材料的重要资料样本。

     本次研究中，保留有表层画面或颜色信息的11块永乐宫壁画残块被挑选出来，对其进行了详细的调查、取样和分析，以期通过对壁画颜料和地仗层的综合分析获取壁画材料和工艺的原始基础信息。

样品信息与分析方法

      本次调查共收集壁画残块11块，如图1所示，其中残块YLGC-7、8、10色调单一，应该是早期外部墙皮，在此主要对其地仗层做观察记录，其余残块都展示了或多或少的颜色和画面信息。残块具体信息记录列在表1。

图1 永乐宫遗存的带有颜色信息的11块壁画残块

      表1 永乐宫壁画残块信息记录

      壁画的研究工作包括现场调查和实验室分析两部分。调查过程中首先对所选样品依次进行拍照记录，包括壁画残块表面信息、背面信息和侧面层位信息，之后根据样品的具体特征，对不同的地仗层，以及不同颜料部位进行微量取样，通过相应分析方法获取壁画层位结构、地仗层的颗粒组成和纤维含量，以及绘画材料成分等信息。分析仪器及条件如下：

      1) 粒度分析仪。济南微纳颗粒仪器股份有限公司(Winner Particle)，Winner 2308激光粒度分析仪，干法测试。测试范围：1～2 000 μm；通道数：100；分散方法：紊流分散、正激波剪切技术；准确性误差：<1%；激光器参数：氦氖激光器(主激光源)，λ=632.8 nm，P>4 mW；测量速度：<1 min/次。具体操作为：取混合均匀的待测样品若干，在干燥箱中烘干6～8 h，称取所需的样品质量≥1 g，用带橡胶头的研棒研磨，使样品充分分散，采用分析仪进行测试。

      2) 显微镜。基恩士(Keyence)有限公司VHX-1000型三维视频显微系统，配有20～200X镜头；Leica DMLP偏光显微镜，配有5X、10X、20X、50X物镜。

      3) X射线衍射仪(XRD)。日本理学株式会社(Rigaku)D/max 2500 PC X射线衍射仪。铜靶(Cu)，DS=1°，SS=1°，RS=0.3 mm，管电压为40 kV，管电流为100 mA，连续扫描，扫描范围是3°～70°。

     4) 扫描电子显微镜及能谱仪(SEM-EDS)。日本电子株式会社(JEOL)JSM-6610LV钨灯丝扫描电子显微镜；牛津仪器(Oxford Instruments)INCA X-act型X射线能谱仪。对样品预先进行喷金处理，使用二次电子及背散射探头，分析电压为25～30 kV。

结果与讨论

壁画层位结构

      据《永乐宫志》记录，各殿的墙壁一般分为三层：第一层粗泥层，为黄土内掺以麦秸及麦糠，厚约1.5～2.5 cm，挤入土坯缝内者4.0～5.0 cm；第二层为泥内掺以棉花和纸筋的细泥层，厚约0.3～0.7 cm，拌和周到，无颗粒痕迹；第三层为外表细砂泥，泥内除砂子外亦掺有少量的棉花或纸筋，外表涂刷白粉然后作画，外壁层厚度0.01～0.03 cm。后人补绘的画面，大多为粗泥层上涂一道白灰或掺灰泥，灰层厚度约0.15 cm[1]274。

      本次收集到的11块残块展示了两层非常明显的地仗层位结构：分别为含有麦秸、麦糠的粗泥层以及含有棉质或者纸筋纤维的细泥层。因壁画残块的不完整性，无法推断原始粗泥地仗厚度，但清晰可见添加大量的麦秸纤维和棉絮/纸筋的两层结构与文献记录相符，但细泥层厚度范围为0.3～1.0 cm(表1)，而前人记录中的第三层(外表细砂泥层)未观察到(图2)。

图2 永乐宫壁画残块侧面视图

      在进一步的显微镜观测中发现，部分包埋样品显示在地仗层之上的粉层(准备层)包含有一层明显的土黄色层，区别于下层地仗与上层白色底层，疑似文献中所描述的第三层细砂泥层或者掺灰泥。但这一层并不是分布于整个墙体表面的，如图3所展示的3个来自颜色区域鲜明的壁画残块YLGC-5的样品剖面。显微镜观察可见3个样品结构简单且一致，层位分布依次为粗泥层—细泥层—白色粉层(或者准备层)—颜料层(图3左列)，但相应剖面却显示蓝色与红色颜料层的下方有两层，包括厚度约25 μm的土黄色层以及5～30 μm厚的白色粉层(图3右列上、中)，而黄色颜料层下方仅有25～80 μm厚的白色粉层存在(图3右列下)。

     同样地，壁画残块样品也显示白粉层并不是统一使用且均匀绘于整个墙面的。如图4中的两个样品同来自残块YLGC-1，相应的剖面显示深绿色区域壁画层位结构依次为地仗层—颜料层(三层：绿色颜料层—黑色层—绿彩色混合颜料层)(图4左列)，而另一样品则显示层位结构为地仗层—白色粉层—浅蓝色颜料层(蓝色与白色混合颜料)(图4右列)。

图3 壁画残块YLGC-5样品及剖面显微镜照片

图4 残块YLGC-1部分样品剖面显微镜照片

      综上所述，永乐宫原始壁画的层位结构及其作用可以简单概括为泥坯墙体支撑体的构建—掺杂粗糙切割麦秸的粗泥地仗抹平修饰墙面—混有大量棉质或者纸筋纤维的细砂泥层使墙面更加平整光滑—细腻白色或者其他颜料修饰打底，使墙面表层更加适宜做画—最后构图作画。各层用料厚度应视具体墙面状况及需要的画面效果而定。结合文献记录[11]及本次调查的观察结果，不考虑挤入支撑体的泥层部分，各层的情况为：粗泥层的厚度在1.5～2.5 cm；细泥层的厚度在0.3～1.0 cm，多集中于0.6 cm左右；颜料层的总厚度多集中于0.01～0.02 cm，单层一般小于100 μm。

地仗层

      为了解壁画地仗的颗粒组成及纤维含量，从颜色信息明确且能满足分析样品量要求的残块YLGC-1和YLGC-11上取得了包含壁画残块粗泥层、细泥层的地仗样品。分别对地仗层颗粒组成及纤维含量进行测试，结果如表2所示。分析结果表明：两个壁画残块地仗样品粗泥层组成类似，麦秸纤维用量约9%，土质部分以粉粒(75～5 μm)为主，含量在90%左右，细砂(250～75 μm，约5%)其次，粘粒(<5 μm)含量极少；细泥层的棉质纤维含量为6.6%，土质部分同样以粉粒为主，粉粒和砂粒含量分别为79.6%和20.4%，但不含粘粒。地仗的粒度范围多集中在10～100 μm之间，地仗中粗泥层的粉粒含量明显高于细泥层。

      表2 永乐宫壁画残块地仗样品组成材料比例分析结果

      粗泥层和细泥层的微观结构对比在扫描电镜下清晰可见：细泥层纤维直径<10 μm，纤维表面相对光滑，而粗泥层麦秸纤维表面粗糙，可见最大直径在500 μm左右(图5)；细泥层地仗颗粒呈鳞片状层状分布，质地较细腻但结构松散，粗泥层地仗颗粒明显大于细泥层地仗，大小形状皆呈不规则分布，但颗粒结合紧密，空隙明显小于且少于细泥层(图6)。

图5 地仗层纤维纵面显微照片

图6 地仗层扫描电镜照片

      由此可推测永乐宫壁画地仗粒度集中于10～100 μm之间，细泥层细砂含量较高，粒度分布较粗泥层均匀，棉质或纸筋纤维细腻且含量少于粗泥层，但微观结构松散，粘结性较差，密度和强度都弱于下层粗泥地仗。

粉层与颜料层

     针对永乐宫壁画残块的特点，在不同色彩区域微量取样进行绘画材料鉴别和粉层与颜料层结构分析，主要分析手段为X射线衍射分析(XRD)和显微观测分析，部分样品用树脂包埋、打磨后，采用SEM-EDS观察壁画剖面分层信息。

XRD分析

      在壁画残块样品中选取颜色信息明确的部位微量取样，本次共有15个颜料样品进行XRD物相分析，分析结果如表3所示。调查的永乐宫壁画残块获取颜料主要包括红、棕、蓝、绿、白五色。结果表明：永乐宫壁画残块使用的红色颜料包括朱砂、铅丹；棕色主要成分为铅丹；绿色颜料检测为氯铜矿、副氯铜矿；蓝色颜料为石青；表层白色颜料为水白铅矿和硫酸铅矿。多个样品检出含有一定量的高岭石、石英和生石膏，应为颜料层中用以调色的掺加材料，或者是取样过程中混入的部分下层白色粉层。

      表3 永乐宫壁画残块颜料样品XRD物相分析结果

显微分析

      本次调查采用SEM-EDS进一步对样品剖面进行观测，从而对壁画结构、材料分析定性，主要关注点为剖面显微观测中发现的土黄色准备层或粉层的定性，以及部分调和色彩的使用特点。

     以含红色颜料的样品YLGC-5-2为例，如图7所示，光学显微镜和SEI图片都显示土黄色层位(第三层)与上层白色(第二层)及下层地仗(第四层)的明显区别。结合XRD以及SEM-EDS(表4)二者的分析结果可以发现：样品第一层为朱砂与铅丹混合颜料层，含少量高岭石与生石膏；第二层以高岭石为主要成分，本层渗入或者掺加有铅丹颜料；第三层材料质地细腻，与上层白色类似，但明显不存在含铅元素颜料，与第四层地仗相比，Al、K元素信号增强，Ca元素信号弱于地仗层，推测其主要组成成分为高岭石混合少量泥土；第四层为泥土质地仗层，Al元素信号极弱(图8)。

     表4 残块YLGC-5红色颜料区域样品(YLGC-5-2)剖面的SEM-EDS分析结果

图7 残块YLGC-5红色颜料区域样品(YLGC-5-2)剖面的显微照片

图8 残块YLGC-5包埋样品(YLGC-5-2)的EDS分析谱图

      关于壁画中调和色的使用，本研究选取来自残块不同蓝色区域的样品来展示一些调和色的使用特征。三种不同蓝色区域样品的剖面结构显示了以不同比例的蓝色与白色颜料调和形成的色彩变化(图9)。其中，由蓝白两色调和成的浅蓝色颜料层在SEM-EDS分析所得的元素分布图中可分为两部分：主要以石英、高岭石调色的上半层，以及主要以铅白修饰底色层映衬调色效果的下半层(图10)。

图9 样品YLGC-6不同蓝色区域的样品剖面显微照片

图10 样品YLGC-6-3剖面Si、Pb元素面分布图(SEM-EDS)

 结 论

      本次对永乐宫壁画残块的调查分析推进了对永乐宫壁画制作工艺、材料的研究，为永乐宫壁画的深入研究和保护提供了相应的基础资料。根据调查分析的结果，可推测永乐宫壁画制作顺序为：在土坯建筑的支撑墙体上，先用掺有粗糙切割麦秸的泥层填充墙体缝隙，修饰平面，再施以掺有大量棉质或者纸筋纤维的细砂泥进一步使墙面平整光滑，并根据需要在表面涂抹以高岭石为主的白粉层打底，之后在其上作画。

     壁画地仗的粗、细泥层粒度都集中在10～100 μm范围之间，粗泥层粒度分布相对集中，砂粒明显少于细泥层，颗粒结合紧致，而细泥层粒度分布相对均匀，但松散的层状结构使其孔隙度明显高于粗泥层，密度和强度也相应弱于粗泥层。

     壁画作画时多选用白色打底，但是白色粉层(准备层)并不是均匀应用于整个墙面的，视墙面具体状况或颜料性质而定。个别残块样品局部观测到两层准备层：高岭石混合泥土层和单一高岭石为主的白色粉层。

     通过本次调查分析可确定使用的颜料包含有朱砂、氯铜矿、副氯铜矿、石青、铅丹、高岭石等。有大量混合颜料使用，例如朱砂和铅丹混合使用的红色颜料，石青掺加不同比例的高岭石或者铅白形成的不同蓝色色调。

     针对残存壁画残块的研究虽然为考古信息资料收集和壁画材料工艺调查提供了一定的信息基础，但因壁画残块的不完整性以及其来源地的不确定性，并不能准确揭示永乐宫不同大殿内壁画材料工艺的使用特征。后期调查修复过程中尚需对具体的相关壁画工艺做进一步研究。另外，因为壁画颜料层修复过程中使用过大量的有机类保护材料，画面存在明显的表层有机质材料老化变黑的状况，建议进一步对有机材质进行取样分析，并正确评估其老化状况。