可见光谱法无损识别壁画文物矿物质颜料的研究

针对取样分析技术破坏壁画文物完整性问题,提出非接触式可见光谱法原位无损识别壁画文物矿物质颜料物质成分和粒径的方法。构建非接触式获取平台原位无损采集壁画文物表面可见光谱;通过调研和实测数据分析,制备了壁画矿物质颜料可见光谱数据库。分析数据库中的光谱数据发现：同种化学成分的颜料具有相同的吸收特性,表现为光谱曲线峰值位置和几何轮廓的相似性;在不同粒径下又呈现出不同的散射特性,表现为光谱曲线幅度的差异性。为此,构建了壁画文物矿物质颜料物质成分和粒径的可见光谱法无损识别流程和识别方法,即提取光谱曲线几何轮廓特征构建表征空间实现了颜料物质成分的识别;在此基础上,提出了矿物质颜料需进行物理特征识别的理念,并建立了光谱曲线幅度积分值与颜料平均粒径间的拟合关系,实现颜料粒径识别。以敦煌莫高窟壁画为例验证了该方法的可行性。     

拉曼光谱在文物分析中的应用

拉曼光谱技术是一种分析技术,由于它能够获得物质的分子信息而被应用于文物的分析中。特别是拉曼光谱作为无损的分析方法,应用于文物的原位分析。论述了拉曼光谱原理及近几年拉曼光谱在颜料、陶瓷、古玉、青铜器等文物分析中的应用。     

光学相干层析成像技术对壁画的检测研究

光学相干层析成像(OCT)是基于迈克尔孙干涉仪,可对物体内部微观结构进行无损、非接触检测的断层成像技术。考古文物的珍贵和不可再得性要求采用无损检测技术,光学相干层析成像的无损分析特点使它适用于对壁画等文物进行大范围检测。除了可对壁画表面颜料层成像,OCT系统也可同时对其下地仗层进行断层成像,从而弥补现有技术不能对表面下内部结构进行高分辨率成像的缺点。对光学相干层析成像技术进行介绍,并针对唐墓壁画《高髻持如意仕女图》进行了成像实验,验证频域OCT对壁画颜料层和地仗层的断层成像效果。实验表明,OCT图像能够同时提供壁画表面颜料层及其下地仗层的信息,以及壁画存在的病害信息。OCT可在壁画研究及修复中提供有效信息,并成为壁画等考古工作者的有力工具。     

太平天国侍王府壁画表面修复材料的原位无损FTIR分析

太平天国侍王府壁画是中国南方壁画的典型代表,具有重要的历史、文化和艺术价值。历史上曾对多幅壁画进行过化学保护,部分壁画表面形成了一定厚度的有机物涂层,分析研究壁画保护修复材料成分对于文物保护具有重要的理论和现实意义。由于文物的珍贵性与不可再生性,原位无损分析技术的研究和应用是未来文物分析的发展趋势,基于便携红外光谱仪的反射红外光谱技术是对文物表面材质较为理想的无损分析手段。利用反射傅里叶变换红外(FTIR)光谱对侍王府壁画的地仗层和表面修复材料涂层进行了现场原位无损分析,这在我国古代壁画及其保护修复材料分析中属首次。首先测试了无涂层壁画白色背景位置反射FTIR光谱,并与标准无机矿物光谱比对确定了壁画地仗层成分主要为方解石和生石膏。在此基础上,分析了无涂层和有涂层壁画表面的红外反射特性及地仗层化学成分对表面涂层反射FTIR光谱测试的影响,探讨了应用Kramers-Kronig(K-K)变换处理数据的可行性,确定了K-K变换的应用范围,分析了壁画涂层K-K变换后反射光谱与衰减全反射(ATR)光谱的差异,并通过显微ATR FTIR光谱和热裂解气相色谱质谱联用(Py-GC/MS)技术分析验证了原位反射FTIR光谱测试结果的可靠性,扫描电子显微镜(SEM)测量了涂层厚度,证明不同厚度涂层均能得到可解析的高质量反射FTIR光谱。最终确定侍王府壁画曾使用过聚醋酸乙烯酯、聚二甲基硅氧烷和三甲树脂三种高分子材料进行过表面加固,并得出壁画保存现状和修复材料及涂层厚度有较大关系。证明了基于反射模式的FTIR光谱技术能准确有效地获取文物表面有机物和部分无机物成分信息。该方法对表面有机涂层尤为敏感,是壁画类文物较为理想的无损分析方法,在壁画保护研究领域具有十分广阔的应用前景。同时,该研究弥补了我国壁画类文物表面有机物原位无损分析的不足,为该领域研究提供了一条新思路。     

壁画制作工艺和材料光谱分析——以北京延庆花盆关帝庙壁画为例

光谱学是利用光与物质的相互作用,展示物质微观结构,提供不同化学分析方式,从而实现对物质的定量和定性分析。壁画制作工艺分析中运用了大量的光谱分析技术,该研究以北京延庆花盆关帝庙为例,通过光谱及其他技术分析壁画的制作材料和工艺。花盆关帝庙位于北京延庆区花盆村,始建于清雍正四年(1726年),是当时祭祀的重要场所,也是延庆地区关帝庙的典型代表之一。运用X射线衍射、拉曼光谱和激光粒度分析仪等一系列光谱技术发现关帝庙壁画的地仗层成分为石英、方解石和钠长石,白粉层成分为石膏,颜料层中红色颜料为铁红、铅丹和朱砂,蓝色颜色为蓝铜矿,黄色颜色为铬黄,黑色颜色为炭黑,白色颜料为石膏,绿色颜色为巴黎绿、绿土和铬绿。沥粉贴金工艺的胶结物为熟桐油和松香树脂,金箔采用含金量86.1%的赤金。拉曼光谱不仅可以辨析壁画颜料,还能通过颜料历史研究佐证和丰富壁画修复历史信息。结合文物光谱分析数据与文献资料,充分挖掘文物背后的信息,对研究和保护古代壁画有着重要意义。通过花盆关帝庙壁画同面墙不同位置的壁画地仗层制作工艺的差异,说明壁画制作材料和工艺受位置影响。期待日后研究者通过研究壁画制作材料和工艺差异,发现符合规制的典型壁...     

颜料层微观形貌对古代壁画褪色及显现影响

文物壁画在自然环境下产生褪色现象具有复杂性,严格意义上讲,人们无法重现自然环境下这种褪色发生的条件,但这并不妨碍人们研究其褪色原因的可能性和途径。通过实验来验证所提出机制的合理性,这也符合自然科学普遍采用的研究方法。提出颜料层微观形貌变化是引起壁画褪色的一种重要原因。胶料作为颜料层的连续相,当胶料分解时,颜料层微观形貌必然产生变化,为证明这种变化会引起颜料层褪色,而非颜料变化所致。建立了以具有较高热稳定性的赭石为颜料,以明胶作为粘接剂制成模拟的壁画颜料层。然后通过加热处理使胶料发生氧化分解,从而造成颜料层微观形貌发生变化,但赭石颜料依然稳定,期望证明在颜料赭石不发生变化时,由于颜料层微观形貌变化也可引起颜料褪色。实验通过煅烧壁画颜料层模拟样获得胶料降解的壁画模型,分别以SEM及多角度反射率光谱等技术,考察模拟样胶料降解前后表面微观形貌和光学性质变化。结果表明：壁画模拟样煅烧后,颜料层表面产生空隙结构,样品表面多角度反射率光谱表明煅烧后样品颜料层对可见光的反射增加而吸收降低,并观察到模拟样颜色淡化。以无色,难挥发,且不与颜料层发生化学反应的离子液体涂覆褪色样品表面,以上述技术表征涂覆处理前后颜料层表面微观形貌和表面光学性质变化,结果表明：离子液体填充了褪色样品表面颗粒间空隙,检测到样品表面对可见光的反射降低而吸收增加,观察到褪色样品的颜色加深。以上实验结果证明了推测合理性,即微观形貌变化确实会引起颜色变化。依据此原理以唐代墓室褪色壁画为例,进行了显现修复应用研究,其颜色显现效果显著。     

应用红外摄影研究木梯寺烟熏壁画

壁画作为我国最古老的绘画艺术形式之一,是极为重要的文化实物遗存。这种通过图像和色彩表达作者设想、装饰建筑、宣传思想、宗教崇拜的绘画存在于历史生活中的各个层面和角落。因历史上宗教活动、生产生活使用等人为因素干预,多处壁画表面存在烟熏,壁画内容被覆盖,常规方法无法识别绘画内容与风格。国内外至今没有无损且有效的技术手段完全清除烟熏层,致使此类壁画信息无法显现并解读。由于壁画绘制所使用的各类颜料对红外光吸收性存在差异,在红外光源的照射下,各物质形成反差,从而实现区分。利用红外光这种具有"穿透物质表层"的特性,可探测烟熏下壁画内容。红外摄影技术很早便在大型佛教石窟壁画的研究中有所运用,但未能广泛地应用于古代壁画研究,尤其是中小型石窟壁画。应用红外摄影技术对甘肃陇东南的小型石窟代表木梯寺石窟的烟熏壁画进行了研究,清晰识别可见光下无法观察到的画面主题、底稿墨线,甚至修改痕迹等信息,帮助推断壁画绘制年代。获取影像后,通过调整红外摄影图片容差和色阶,进一步获取画面更为丰富的局部细节。此次研究成果弥补了红外摄影技术在中小型石窟烟熏壁画研究领域的缺失,同时可以作为壁画当前保存状况的详细资料,为壁画的保护修复提供帮助。红外摄影作为一种非接触、无损、快速并直观的方法,对于研究古代烟熏壁画有着重要意义,可在石窟寺和寺观殿堂壁画的研究上进行推广,发挥其应有之用。     

无损光谱技术在彩绘陶质文物分析中的应用进展

彩绘陶质文物拥有丰富的信息内涵,对于研究我国古代历史文化、经济商贸、科学技术发展起到极其重要的作用。但由于彩绘陶质文物的珍贵性和不可破坏性,普通分析技术难以满足其测试要求,近年来无损光谱技术被引入文物分析检测领域并逐渐得到应用。本工作从彩绘颜料分析、陶胎分析以及器物信息提取等三个方面阐述了激光拉曼显微光谱、激光诱导击穿光谱、能量色散X射线荧光光谱等无损光谱技术应用的现状、方法原理、特点及局限性,并对无损光谱技术在彩绘陶质文物分析中的应用进行了展望。     

受干扰光谱信息中矿物颜料粒径信息的获取

矿物颜料的准确配色是实现文物壁画高品质修复,颜色高保真还原的关键技术。矿物颜料颗粒的粒径大小是影响矿物颜料颜色信息和光谱反射率信息的一个重要因素。准确获取壁画表面的矿物颜料光谱反射率信息,是实现颜料颗粒粒径信息识别的有效途径。但是,由于壁画表面矿物颜料部分采样点的光谱信息受到了干扰,无法与不同粒径的矿物颜料的光谱数据库准确匹配,因此也无法从采集的光谱信息中获取有效的粒径信息。针对受干扰的颜料光谱信息,提出利用比值导数法对其进行处理。把光谱信息从光谱反射率空间转换到比值导数光谱空间进行匹配,降低光谱中的干扰信息,增强矿物颜料颗粒本身的光谱特征信息。以壁画中常用的不同粒径的石青和石绿矿物颜料为实验对象,制成色块样本,以基底和白色颜料为主要影响因素,对文中提出的方法进行测试。光谱角度量的结果和光谱曲线图的匹配结果显示,在比值导数光谱空间,获得了满意的光谱匹配精度。验证了文中提出的分析方法可以解决实验中受干扰颜料光谱匹配不准确而无法获得粒径信息的问题,能够为壁画修复过程中矿物颜料的配色提供准确的粒径信息参考。     

无损光谱技术在文物保护中的应用进展

无损光谱技术是文物信息提取的重要手段,可原位获取文物相关历史、艺术信息,识别文物的保存与损害状况及前修复痕迹。该技术为文物保存环境条件的评估、病害机理的探讨、负载信息的研究及制作材料与工艺技术的探索提供科学依据。介绍了X射线荧光光谱(XRF)、激光诱导击穿光谱(LIBS)、 X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(RS)、红外光谱(IR)、漫反射光谱(DRS)、多光谱(MSI)及高光谱成像(HSI)技术在文物无损分析中的应用。针对文物的种类、大小以及保存状态的不同,便携式和固定式仪器在文物无损分析中各具优势。便携式和显微XRF用于文物定性、定量分析,广域XRF可分析多层结构,获取成像图案的元素分布及隐藏信息。LIBS可检测XRF不能检测的锂、碳等低原子序数元素,对文物进行深度和剖面分析。XPS可获取文物表面元素的化学态与含量,确定元素的存在方式。RS可从物相结构上分析文物组成,判断劣化情况,评估保护效果。共振RS对具有RS活性的芳香族化合物敏感,可检测纺织品、纸张上的有机染料,表面增强RS可对传统RS无法识别的谱峰进行分析。IR中,近红外光谱的应用已从有机质文物扩展到无机质文物,红外反射...     

文物研究与保护中的无损分析技术

文物信息的提取与研究对于揭示古代遗物内涵的人类社会、文化等历史信息有着举足轻重的作用。一方面可以了解古代的工艺技术特征,探寻文物制作技术起源及其发展历程;另一方面可以进行病害调查分析,为保护文物提供有效信息。由于文物不可再生的珍贵性,探索和应用现代无损分析技术进行文物研究和保护尤为重要。该文细致梳理了目前主要在文物研究与保护中的无损分析方法及其应用现状：用于文物内部和表面影像分析的X光照相技术、红外成像技术、CT技术、多光谱成像技术和三维激光扫描技术;用于文物表面微观形貌观察和显微结构分析的光学显微镜和电子显微镜;用于文物化学组成分析的X射线荧光光谱和激光剥蚀等离子体质谱分析技术;用于文物物质结构分析的微区XRD、反射式红外光谱和显微激光拉曼光谱分析技术。同时,对这些无损分析技术的优势和局限性进行了初步分析,预期随着科技研究水平的不断提高,这些无损分析技术未来将向着小型化、自动化和便携化的方向发展,在文物研究和保护中有着十分广阔的应用前景。     

庙底沟遗址出土仰韶文化彩陶的科学研究

彩陶文化作为新石器时期的重大发明,改变了远古先民的审美方式,而著名的仰韶文化以其彩陶的优美造型、绚丽色彩和丰富的纹饰揭示了原始的艺术特征,承载了史前时期重要的社会文化信息。而利用现代光谱分析技术准确、无损和微损的特点,可以为文物保护的研究提供更科学的技术支撑。研究应用相位辅助光学三维扫描、多光谱成像、X射线荧光、激光拉曼光谱分析技术,对河南省陕县庙底沟遗址出土的新石器时代晚期仰韶文化彩陶碗进行面、点相结合的综合分析,获得了较为完整的文物物理和化学信息。利用三维扫描技术所构建的彩陶碗数字化模型对样品进行了几何尺寸的非接触测量和虚拟修复,利用多光谱成像技术所获得的灰度图像对样品表面化学特征相似区域进行了区分,结合X射线荧光和激光拉曼光谱分析技术对彩陶残片的分析结果,确定了所分析彩陶样品的主要化学成分特征和颜料物相组成。综合研究结果,提出了建立彩陶文物多源信息数字化模型的构想,为这类文物的数字化保护和展示提供了基础科学信息。     

微区光谱分析技术在文物颜料保护中的研究进展

颜料是彩绘文物的重要物质组成和艺术表现形式,文物颜料的保护一直是文化遗产保护领域的热点和难点。文物具有不可再生的特性,文物颜料的原位、无损、微样本的准确分析是该类文物保护的重要工作。随着各种微束技术的进步,微区光谱分析技术以精准微区定位、快速光谱扫描的工作方式,在文物保护研究中具有独特的优势,因而其应用得到了快速发展。从颜料成分分析、颜料降解褪色分析、保护效果评价等方面探讨了微区X射线荧光光谱分析（μ-XRF）、微区激光诱导击穿光谱分析（μ-LIBS）、微区拉曼光谱分析（μ-Raman）、微区红外光谱分析（μ-FTIR）、微区X射线吸收近边结构光谱分析（μ-XANES）、微区时间分辨光致发光光谱分析（μ-TRPL）、微区褪色测试（μ-FT）等技术在彩绘文物颜料保护中的应用、特点及技术难点,并从消除测量干扰、改进测量装置、研发联合装置等方面展望了微区光谱技术的发展趋势。其中,μ-XRF,μ-LIBS,μ-Raman和μ-FTIR是目前颜料成分分析常用的微区光谱分析技术,而且μ-Raman和μ-FTIR在保护效果评价中应用广泛,μ-FTIR和μ-XRF还可用于颜料降解分析。常用微区光谱技术联用并结合PCA分析和相关分析技术不仅可以鉴别文物颜料,还能为文物产地、文物断代及其真伪鉴别提供科学依据。特别是μ-XANES,μ-TRPL和μ-FT等方法属于国际领先的文物颜料分析技术,对文物颜料降解产物鉴别和分布可视化分析、颜料的起源和历史、颜料粒子迁移相关的降解现象、颜料的耐光性等研究起着关键作用。然而,目前这些方法在国内文物保护领域应用很少。因此,该研究对于推动我国文物分析及文物保护的发展具有重要意义,为文物颜料的鉴定、保护和修复提供科学指导。     

我国X射线光谱现场分析技术研究进展

X射线光谱现场分析技术是在现场工作条件下对待测目标体中元素进行快速定性和定量分析的仪器分析技术,被广泛应用于一些大型分析仪器和化学分析方法所不能直接应用的领域。该文回顾了近二十年来我国X射线光谱现场分析技术的研究进展。从现场原位分析和现场取样分析两个角度,评述了现场X射线光谱仪的研究进展和主要技术特征;探讨了X射线光谱现场分析数据处理的关键技术问题,概括了X射线仪器谱解析方法的创新性和演变规律;介绍了我国现场X射线光谱分析在地质普查、环境污染调查、文物现场鉴定、合金分析中的重要应用;评价了国际上X射线光谱现场分析仪的研究现状和进展。提出了X射线光谱现场分析技术的研究方向,以期在更多的应用领域得到长足发展。     

光谱分析技术在彩绘文物颜料分析中的应用

对颜料进行准确、无损或微损分析是文物保护领域研究的热点与难点。随着文物保护研究的不断开展及多学科技术的广泛交叉、融汇,各种光谱技术逐渐被应用到彩绘文物颜料的分析之中。从元素分析、结构分析、微区与形貌分析三方面探讨了X荧光光谱分析法、激光拉曼光谱法、光导纤维反射光谱法等常用光谱分析技术在彩绘文物颜料分析中的应用、特点、局限性及应用前景。     

基于高光谱成像的纸质文物“狐斑”检测方法研究

受保存条件影响,很多纸质文物表面会形成狐斑（foxing）,如果不能进行有效监测和科学判断,会进而影响纸质文物安全。纸质文物狐斑病害检测存在滞后性、主观性等问题,对于书画藏品被墨色、颜料及印章等覆盖的区域更是难以通过肉眼进行识别,因此,基于文物的预防性保护理念,亟待开发对于狐斑高效、精确识别的无损检测技术。可见光-近红外高光谱图像结合了光谱和图像,包含丰富的空间信息与光谱信息,可以实现无损批量地平面采集样本光谱信息。该研究提出一种基于高光谱成像技术检测纸质文物狐斑的快速识别方法,获取模拟纸质文物在360～970 nm的高光谱图像,因360～450 nm受噪声影响过大,所以选择剔除这部分光谱数据;选取感兴趣区域并获取相应的平均光谱反射率,比较健康区域与被狐斑感染区域,发现两者的光谱曲线存在差异;在450～600 nm附近,受狐斑影响区域比健康区域的光谱反射率偏高,并在600 nm附近出现波峰形态;而在600～900 nm范围内,被感染区域与健康区域的光谱都趋于平稳,两者之间差异逐渐减小。选取从特征波长对应的图像中提取的特征信息建立图像识别模型,运用波段运算观察狐斑图像特征,狐斑的大小和分布情况都能清晰地显示,但与印章和墨迹重叠部分,狐斑被印章和墨迹遮盖,难以识别;利用最小噪声分离,虽然不同部分有重叠,但能发现仅凭肉眼难以识别的隐藏的狐斑;180条高光谱数据（450～970 nm）建立狐斑判别模型,随机地分为120条数据为训练集,60条数据为测试集,应用K-近邻法与BP神经网络建立纸质文物狐斑光谱判别模型,总体上两种方法对狐斑判别率分别达到73.3%和85%;BP神经网络相较于K-近邻模型,总体判别率更高,识别效果也更好。结果表明,利用高光谱成像可高效准确识别纸质文物狐斑,为后续研究狐斑分布发展提供可靠的技术手段,也为博物馆馆藏文物的保存提供指导意见。