秦俑文物保护实验与研究述评
周 铁
一九七四年三月，秦俑破土而出，立即引起中外人士的极大关注，随后的几次大规模钻探和发掘，又大大促进了秦俑的学术研究工作，使其珍贵价值日益被人们所认识。与此同时，秦俑文物保护问题也日益严重地呈现在我们面前。十几年来，有关专家、学者曾为秦俑保护做过许多工作，取得了一定的成绩，但与历史、考古等学科的研究相比，文物保护的科学研究还是一个薄弱环节。很多影响文物长期保存的基本问题还没有得到解决，秦俑这一重要的人类历史文化遗存还不断地受到损害，为此，我们有必要借第三届秦俑学术讨论会之机，系统地分析秦俑文物保护存在的问题，总结诸问题的研究进展情况，以期勾通信息，联络力量，促进秦俑文物保护科学研究的深入发展。
一 秦俑彩绘的保护
秦俑出土时，许多俑体表面都有残存彩绘，少数俑还比较完整，但时隔不久，便出现颜色蜕变、彩绘脱落等问题，其中脱落更为严重，为了解决这些问题，有关人员先后作了许多工作，现已取得初步进展。
1.彩绘成份的分析及附着方式的研究
经分析测定，秦俑彩绘一般是由无机颜料层和有机粘结层组成，其底层为褐色有机物质，上层则为无机颜料。无机层和有机层的化学成份及物质结构已有比较精确的分析结果①。前者多为天然矿物及其简单的产品，后者则是多糖类天然树脂胶和含肽链的牲血混合物。单炜同志认为上述天然树脂胶是金合欢胶②。经过数千年的地下埋藏，有机层已经老化、变质，不能根据现有的理化指标直接断定为某一化合物。所以，金合欢胶的判定还有待于进一步考证，而该有机层定为天然树脂胶和牲血的混合物则是比较可信的。
通过对彩绘涂层的详细观察和试验研究，可以确定秦俑彩绘工艺为：先给陶质表面涂一层或两层上述有机物，然后根据所需色谱，用一种或几种矿物颜料，按不同的比例调配、混合，一次涂刷或分别多层涂刷于有机胶层之上。有机天然树胶将无机矿物颜料粘着在陶质表面。
另外，值得一提的是铠甲甲片上只有一层或两层有机涂层，它与陶俑身上其它部位无机颜料层下的有机层形成连续薄膜，化学分析表明为同一物质，其色调为褐色，象征皮质铠甲。因此，秦俑彩绘表征色彩的物质，不仅是无机矿物颜料，而且还包括有机呈色物质——天然树胶和牲血混合物③。
2.彩绘蜕变、脱落机理的探讨
造成彩绘蜕变、脱落的主要原因是什么?对于这个问题，多年来还没有人进行深入系统的研究，一般只泛泛地认为是环境剧变所致，只是在近一两年才有人进行了稍微细致的研究。
宋迪生等同志通过模拟实验得出下述结论：环境气氛(空气、N2、O2、CO2等)对颜料化学变化的影响，除CO2较大之外，其余均影响不大。紫外光幅射是影响颜色变化的重要因素。温度对颜料变化有一定地影响④。
根据实验观察，我们认为影响彩绘脱落的主要因素是湿度变化及人工风和自然风⑤。在短期内，造成颜色蜕变的主要因素不是紫外线的幅射，而是陶片含水率的变化。含水率高时，彩绘层潮湿，色调鲜艳，失水后，色调变灰变暗，室温变化对彩绘层脱落和颜色蜕变均影响不大。
3.保护措施的研究
该项研究工作，受发掘等情况的影响，断断续续进行过一些实验⑥，虽然保护效果均不太理想，但是却得到了不少的宝贵经验。三号坑发掘后，我们对彩绘脱落、蜕变机理进行了初步研究，有针对性地采取了一套综合性的保护措施，取得了初步进展⑦。保护的主要工艺如下：将出土的饱水彩绘陶片，在相对湿度大于90％的室温环境下干燥，并杜绝人工和自然风的影响。陶片失水5—10％时，用浓度为15％的聚丙烯酸酯乳液涂刷两遍，采用环氧——酮亚胺粘接剂，在陶片未干时直接进行修复，修好的陶俑在上述环境中缓慢干燥。用这种方法保护的几个陶俑，经过近一年的考验，出土时保留下来的彩绘层基本较好。
秦俑彩绘保护的科研工作，多年来一直成效不大，咎其原因主要有以下几条，第一，对彩绘脱变机理没有进行深入探讨，无法采取相应对策；第二，研究方向基本局限于保护剂的筛选和研制方面，而对防护环境诸因素影响的综合性保护措施却很少研究；第三，从出土到展出中的各环节应采取的保护措施很少研究，尤其是修复过程的保护措施研究不够。各环节的相互衔接也较差。因此，今后应加强以上诸方面的研究。
二 秦俑土遗迹风化、干裂问题
秦俑坑中的土质隔梁，坑壁及其遗迹，是秦俑遗址的有机组成部分，是陶俑群不可或缺的环境依托。因此，保护这些遗迹和保护陶俑一样重要。
秦俑一号坑发掘不久，俑坑的土质隔梁，坑壁等处就出现了许多裂缝。经过多年演变，有的已长达几十米，宽十几厘米，一些部位已岌岌可危，大有一触即塌之势。新近发掘的三号坑更是如此，仅半年多时间，裂缝已宽达十厘米左右，并以每周约1毫米的速度增宽。这些情况不但影响土遗迹的存在，而且也危及陶俑群的安全。
另外，一号坑土遗迹表面风化也不容忽视，一些重要迹象已变得越来越模糊了。
这些问题早已引起我们注意，在1986年的第二届秦俑学术讨论会上，马秀青同志曾郑重提出上述问题⑧，引起上级领导及有关专家的重视。几年来的研究进展如下：
1.形成裂缝及风化机理的探讨
秦俑坑土质属黄沙土，失水后体积收缩约30％左右，发掘后干缩和应力不均匀的作用必然会形成裂缝。裂缝一旦形成，会导致应力更加不平衡使裂缝增大，俑坑内土质结构不一致，其中有夯土、原生土、回填土等，各种结构的土干缩率不同，易在界面上形成裂缝⑨。人为引起的震动也是造成裂缝并使之加剧的主要因素之一，1987年以前，每天有几十乃至上百辆旅游车绕一号大厅的环行道行驶，震动很大。附近农民开山炸石的震动，大都超过人们有感觉的三级地震。个别裂缝的形成还可能与地壳活动有关，一号坑中部有一条横贯坑中的裂缝，且与大厅梁基裂缝相连一直通到大厅外部。
土遗址的风化主要有下述原因⑩：土壤本身不坚实，土壤颗粒之间的粘接力不大，易碎裂粉化。地下水通过毛细作用上升，蒸发后，可溶性盐沉积下来，侵蚀土遗址表面。土壤的冻、溶变化，也会造成遗迹表面松散。空气中的腐蚀性气体和灰尘中的有害成份，在水汽的作用下，与土壤表面发生化学反应破坏土遗迹。
2.防治措施的研究与实施
①SX1、SX2、SX3系列保护剂11
该系列保护剂为各种改性的有机硅树脂，其特点是防水性好，耐腐蚀，耐老化等性能优于各种有机材料，有一定的浸透性和固化性，可有效地防止灰尘粘附。SX1会使土壤颜色有一定程度加深，SX2、SX3对土壤颜色影响不大，但成本较高，给大面积使用带来经费上的困难。
②硅酸钾渗透加固剂
用模数比为3.9的硅酸钾水溶液，加入固化剂缩合磷酸铝，固化时间可根据固化剂用量调整。加固后坚实度高，土壤颜色变化不大，耐老化性好。尤其是在浸透过程中不会出现泡软现象和成本较低等优点，更适用于大面积的加固，缩合磷酸铝水解后，可与K+形成一种不溶于水的复合物，从而提高了耐水性。目前在小型遗迹上试验效果较好，中试和放大还有待于进一步实验。缺点是碱性较强。
③治理裂缝措施的实施
1988年，在还没有其它更为合适的治理办法的情况下，我们采用H型和U型钢架，对一号坑隔梁裂缝较为严重的十几个部位支撑防护，有效地防止了隔梁垮裂。随后，又对一号坑东壁进行了综合治理。取走了二层台上的三百多立方米回填土，减轻了所受压力。又参考工程加固方法，在二、三、四门道突出部位，将网状钢架卧入立面表土，底部与坑底相连，顶部从坑顶表土下与大厅看台柱或基础墙相连，从而，将一号坑东壁土质遗迹牢牢夹住，除此之外，还复原了二门洞原缺少部位及三门洞的木质结构，既加强了防护，又使人们对俑坑东壁原构筑情况一目了然。这项加固工程的实施，消除了隐患，排除了危险，是利用机械加固方法保护大型土质遗迹的一次有益尝试。
如上所述，秦俑土遗迹的风化和形成裂缝的机理从理论上已基本摸清，但尚缺乏定量的分析实验，今后还需开展下列工作：测定遗址土质的粘土、淤泥、沙石等含量，了解土壤团粒结构及收缩特性，确定流动性和塑性界线。监测隔梁、坑壁等大型遗迹内不同梯度的温湿度变化，绘制含水量的水平和垂直等高线图，为研究水份对形成裂缝的影响提供科学依据。测定诸因素对风化速度的影响程度，分析风化前、后土壤的化学成份和物质结构，以便更精确地了解风化机理，使治理方法的研究更具有针对性。在保护措施的研究和实施方面，机械加固已有比较成功的尝试，应认真总结经验教训，指导今后的工作。化学保护方法，虽已研制出几种保护剂，但都处于小试或实验室阶段，距大面积推广使用，还有很长的距离。今后应该加强此项工作，尤其要加强适用于大型土遗迹的防风化、加固保护剂和实施工艺的研究。
三 秦俑防震问题
我国地处欧亚和太平洋两条地震多发带上，是世界多地震国家之一。关中则属渭河平原地震带，历史上关中地区发生的地震见诸于记载的数以百计，仅大震和强震(6级以上)就有十次之多，其中最惊人的一次是明嘉靖年间(1556初)渭华大地震(12)，地震烈度达到里氏烈度8级。
秦俑遗址位于关中东部，恰好处在渭河平原地震带上，由于秦俑单体的形体结构稳定性较差，群体又是密集型排列，即使不发生大震或强震，仅中小地震或意外碰撞，就很有可能导致陶俑倾倒，并引起连锁反应，造成类似于“多米诺骨牌”式的倾倒事故，因此，秦俑的防震问题不容忽视。
鉴于秦俑一、二、三号大厅的抗震能力应均为里氏8级，秦俑的抗震能力应达到或接近这个指标。
为了解决这个问题，省文物局于1985年委托西北工业大学应用物理系进行研究。几年来，他们曾先后与陕西省地震局、清华大学力学结构实验室、同济大学古陶瓷研究室等单位取得联系，共同商议，设想采用在陶俑脚下加减震垫的方法解决。经初步测算，未加减震垫的陶俑，抗震能力小于里氏五级，加减震垫后，陶俑的抗震能力大于里氏七级。但是，上述参数为理论测算值，真正有参照价值的模拟实验还未做，而且，拟采用的减震垫规格较大(500×500×200毫米)，将会有以下两个原因影响可行性，第一，俑坑中陶俑的密度为3—4个／平方米，若给陶俑都配上减震垫，就会互相叠压而无法安装。第二，由于减震垫太厚，安装后会影响陶俑与隔梁的相对高度。若要不影响，就只有将铺地砖全部揭完，这从文物保护的原则和施工量考虑都成问题。总之，此项研究工作还没有取得多大进展。今后还应提供更多的资金、人力，加快研究进程，争取早日解决秦俑防震问题，防患于未然。
四 秦陵铜车马的保护
1980年12月，一组两乘大型彩绘铜车马在秦陵西侧出土。这是在秦始皇陵区继秦俑发现后的又一重大考古发现，它给历史、考古等领域增添了新的研究内容，也给我们提出了新的保护任务。十年来，从出土清理到修复展出，有关人员对铜车马出现的各种问题，采取了一系列的保护措施，其中主要有：
1.铜车马的整体迁移
铜车马出土后，曾采用于整体迁移技术，将两乘铜车马及其附带的充填土，在原状况不变的条件下，全盘迁入室内，变室外考古为室内考古，使细致复杂、用时冗长的清理工作，能够在室内进行。既在宏观上保证了文物的安全，又使文物避开了较为恶劣的室外环境，对文物的科学保护起到了十分积极的作用。因此，该项工作是值得肯定的。
2.彩绘的保护
铜车马彩绘的化学成份和附着方式与秦俑彩绘基本相似。有所不同的是，一个为青铜基体，一个是陶质基体。前者的彩绘图案和表现内容更繁杂，彩绘技法和艺术造诣更加成熟。铜车马出土后，也出现了彩绘脱落、蜕变现象，但与陶俑相比，则稍显轻微，这个差异可能是青铜基休不会向外蒸发水份，而未产生鼓胀力之缘故。对于铜车马彩绘脱落、蜕变问题，主要是从保护剂方面进行了研究。最早采用聚醋酸乙烯乳液涂刷加固，有一定的效果(14)。后经过对比研究，选用了效果更佳的聚丙烯酸酯乳液进行保护，较好地解决了彩绘脱落问题(15)。但对于颜色的蜕变，迄今仍没有什么好的办法，还有待于进一步研究。
3.修复中的有关保护问题
铜车马出土时，破碎相当严重，只有加以修复，才能完整地体现其价值，更好地进行保护工作。
清理工作展开不久，就开始了修复的筹备工作。在准备期间分析了二号铜车马质材的化学成份和金相结构(16)，测定了彩绘的化学成份及组成物质(17)，研究了铜车马的质地现状及其理化特性(18)，弄清了各部件的组合情况，为修复工作和科学保护工作提供了必要的资料。在广泛调查研究的基础上，经过模拟实验和局部直接试验，制定了综合利用粘接、焊接及机械连接等工艺方法的修复方案。
粘接和焊接是修复中的两个主要工艺过程，因而，粘接剂及焊料的筛选或研制，便成为能否修复好，保护好铜车马的关键。
在粘接方面，选择了适合修复青铜文物的粘结剂及其粘结工艺(19)。其优点为粘结强度较大，粘接剂成份和固化过程不会对文物造成新的腐蚀，胶接后不会产生应力集中现象，施工温度低(80℃左右)，耐老化期长等。因此，不会损伤文物的断口铜质及表面彩绘，有利于修复后长期存放。
焊接中，则根据不同部位的具体情况，筛选或研制了三个温度梯度的焊料及其相应工艺(20)。其中Zn—Cd焊料，具有一定的强度，焊接温度也不太高(300℃左右)，既保证了文物所需强度，又对青铜质材及其表面彩绘影响不大，从而，避免了高温(700℃左右)银焊烧损面积较大所造成的不良影响。
经过近两年的努力，成功地修复了秦陵二号铜车马，随后，在认真总结二号铜车马修复经验的基础上，又开始了一号铜车马的修复工作。
修复过程中，仍采用了上述粘结剂，但对粘结工艺作了进一步改进，使粘结过程在室温下进行，结果对彩绘的保护更加有利。
焊接方面，则研制成功了新的焊料及其焊接工艺(21)。该焊料为Sn—Pb—Cu—Cd四元合金。焊接温度200℃左右，强度大于Zn—Cd和Sn—Pb焊料，焊接工艺也比较简便，因而，无论从焊接温度、强度以及保护彩绘和青铜质材的角度来讲，都更加适宜青铜文物的修复。
秦陵铜车马的修复，由于采取了正确的方案，周密选择的材料、科学可靠的技术措施，不仅使修复中的损失较小，而且为以后的科学保护工作打下了良好的基础。
4.展出后的保护问题
二号铜车马展出后，经过一年多的观察，发现驭手俑、马等部位出现轻微锈斑，银器发灰变暗，彩绘脱落、蜕变等现象。经分析探讨，我们认为产生这些问题的主要原因是环境不适宜。铜车马展柜密闭性差，室内温湿度变化比较大，观众流量最多达6000人次／日，呼出大量的CO2气体，加上空气中SO2等有害气体在湿热条件下，易对金属和彩绘造成危害。所以，要解决这些问题，就必须给铜车马创造一个无害的、有利于保存的小环境。
为此，我们曾征求有关专家的意见，决定采用密封展柜充入惰性气体的方法进行保护。后来由于密封技术不过关及国内尚无大规格(2500×5000／10毫米)有机玻璃板材，实验没有成功。
1989年，一、二号铜车马合展时，汲取了以前的教训，制作了密闭性较好的展柜，我们给展柜内放置了干燥剂和气相缓蚀剂，使展柜内小环境有了明显改善。一年多来，展柜内相对湿度为33％—54％，日变化小于5％，而展柜外的相对湿度则为24—88％，日变化最大达20％，甚至有时每小时△RH>70％。展柜内的温度变化也比较平缓。虽然，该柜还不能隔绝空气中CO2、SO2等有害气体进入，但这些有害气体是在较高的温湿度下，才有一定的破坏性，而展柜内比较干燥，再加上气相缓蚀剂的作用，也就大大减弱了有害气体的影响。经过详细观察，不仅铜质表面没有发现新的锈斑，而且最易受侵蚀的银质构件亦无明显变化，彩绘也未见脱落。
秦陵铜车马出土以后，曾采取了一系列保护措施，取得了较好的效果，但还存在着不少问题。今后，应该进行彩绘蜕变机理和保护方法的研究；认真总结修复工作中的成功经验，特别是一号车修复工作的总结；开展铜车马最佳保存环境的研究；继续进行大型密封展柜充惰气实验工作；以使铜车马这一稀世珍品得以长存。
五 秦俑遗址小气候研究
秦俑遗址小范围气候变化规律的研究及其环境质量评估，是开展文物保护科学研究的基础。
秦俑馆建馆至今，还没有人进行过这些方面的研究工作。近年来，我们对个别指标进行了监测，取得了一些十分必要的资料。
1986年至1988年，我们在一号坑内设置了一个温湿度监测点，并连续监测，根据所取资料，张志军同志对温湿度变化影响文物的情况作了初步探讨，1988年以来，在继续保留原监测点的同时，我们又在秦俑馆广场，铜车马展室，三号坑、一号坑各设一监测点，使我馆的温湿度监测形成网络系统，对各文物点的温湿度变化情况有了比较详细的了解。这对我们的保护工作帮助很大，尤其是对探讨文物损害的机理以及防护措施的研究等方面，这些资料是必不可少的。
今后，我们应投入更多的经费和技术力量，对大气成份，日光照度，紫外线含量、风速飘尘等重要理化指标进行专题测量，调查地下水位、水质及降水量等，开展秦俑小气候变化规律的研究、环境质量评估等专项科研工作，为秦俑文物保护的科学研究打下坚实基础。
有关秦俑保护问题，除上述之外，还有陶俑防盐潮湿和防风化，陶俑及各种遗迹霉变、炭化遗迹的加固。陶俑修复工艺的更新等等。这些问题，有的已基本解决，有的刚刚开始探讨，有的还未着手，由于篇幅所限，在此不一一赘述。
纵观秦俑文物的科学保护工作，十几年来，经过多方面、多学科的其同努力，现已取得许多成果，但是从发展进程来看，仍处于起步阶段，为了加快文物保护研究的步伐，取得更大的成果，我们必须逐一分析秦俑保护存在的问题，统一筹划，列出专项研究课题，按其轻重缓急制订研究规划。加强与有关科研机构，大专院校的合作，乃至国际间的合作。同时，还要增强我馆的实验手段和科研力量，逐项研究解决上述课题。
①②单炜、赵西晨《兵马俑彩绘成份初探》，《考古与文物》，1988年1期，P104。
③张志军《秦俑彩绘质地浅析》。
④宋迪生等《影响秦俑颜色变化的因素初探》，《全国考古及文物保护化学学术交流会论文集》1989年，P103。
⑤⑦周铁、张志军《秦俑彩绘的保护与研究》未发表。
⑥(24)单炜《秦俑坑的保护》，《陕西省博物馆学会会刊》1985年10月
⑧马秀青《浅谈秦俑文物保护》，秦俑第二届学术讨论会论文，未发表。
⑨⑩刘林学等：《古文化遗址风化机理及其保护的初步研究》，《文博》1988年6期，P71。
(11)张红等：《土遗址保护初探》，《全国考古及文物保护化学学术交流会论文集》， 1989年，P81。
(12)左忠诚：《试论1556年华县大地震》，《考古与文物》丛刊第三号，P281。
(13)(14)铜车马修复组《秦陵二号铜车马修复简报》，《考古与文物》丛刊第三号，P62。
(15)张志军：《秦陵一号铜车马彩绘的保护》，《文博》，1987年6期，P74。
(16)夏文干《秦陵二号铜车马主体材料的化学成份》，杨玉芳：《秦陵二号铜车马质材分析》，《考古与文物》丛刊第一号。
(17)赵雨亭等：《秦陵二号铜车马的涂层和胶粘剂初析》，《考古与文物》丛刊第一号，P139。
(18)杨玉芳：《秦陵二号铜车马质材分析》，《考古与文物》丛刊第一号。
(19)夏文干：《青铜文物胶接复厚技术研究》，《考古与文物》丛刊第一号。
(20)李兰等：《使用钎焊技术修复铜车马的总结》，《考古与文物》丛刊第一号。
(21)拙文：《青铜文物修复用低温高强焊接技术的研究》，未发表。
(本文原发表于《文博》1990年第5期)
秦俑学研究/秦始皇兵马俑博物馆编．—西安：陕西人民教育出版社，1996.8