用于文物研究的X射线成像技术开发和应用

许琼 中国科学院高能物理研究所副研究员

X射线CT成像技术可以无损地获得文物内部的三维结构信息，可用于考古预探测、文物保存状况评估、修复方案制定和真伪鉴别等方面。

中国科学院高能物理研究所（IHEP）具有丰富的文物检测分析实践经验，自主研发了多种CT成像设备，可满足多种文物样品的成像需求。比如，利用自主研发的专用CT，对战国时期的“陈璋壶” 本体与附件的连接方式及铸造工艺进行分析。对青海都兰热水墓群2018血渭一号墓出土印章文字进行辨认，对云南罗平圭山古墓出土漆盒套箱进行预探测，对国家博物馆馆藏铁质文物病害状况进行调查，为考古与文物保护方案的制定提供了科学数据支撑。

CT技术还可以和X射线荧光分析、三维扫描技术相结合，通过多维信息融合显示，形成文物的多模三维图像，应用VR技术直观形象地展示文物内外的多种物理、化学信息。中国科学院高能物理研究所最新研发的具有曲面自动导航功能的X射线微区荧光成像系统，解决了现有仪器只能对平面文物进行X射线荧光成像获得元素分布的问题，可对器物三维立体表面区域进行自动扫描获取元素的分布信息。

石窟寺保护与技术装备现状与思考——以石窟寺岩体结构探测与监测技术装备为例

陈卫昌 中国文化遗产研究院石窟及石刻（岩土）保护研究所副所长

石窟寺岩体稳定性、渗水病害和表层岩体风化是石窟保护面临的关键问题，对于这些问题的认知和解决在很大程度上依赖于保护研究装备的进步与完善。石窟寺与山体相连，洞窟形制复杂多样，岩体变形破坏机理差异大，岩体失稳模式和机理的研究离不开岩体结构及力学行为的精细化探测和监测。然而，岩体结构探测、变形监测因涉及多尺度、高精度、长时序、多场耦合以及最小干预等特殊要求而十分复杂。

在石窟寺结构和岩体探测中，技术装备上创新采用多自由度模块化研发思想，适应不同尺度复杂结构洞窟探测要求；具有智能控制系统和紧急制动功能，设置安全距离，满足安全性探测要求；可以搭载任意重量小于5千克的探测仪器，实现多重病害探测，以及病害精准定位。结合石窟岩体的多尺度监测，石窟岩体稳定性评估模型的物理参数更为精细、几何模型更符合实际状况，因此评估结果也更能客观反映石窟岩体的稳定性状态。

在开展石窟砂岩细观力学行为的研究中，通过建立砂岩力学行为不同尺度的参数关联，实现了层状岩体弹性模量的跨尺度表达，从而使研究样品尺寸缩小到毫米级，可实现最低程度扰动文物本体。另一项是石窟岩体加固的综合监测评价技术，通过利用BIM和三维激光扫描技术，构建了石窟寺病害管理平台，实现了石窟概况、病害描述、加固方法、长度和面积测量、区分高亮功能，同时还实现了指示牌系统、病害分区、加固档案管理、加固过程可视化等功能。

以石窟寺为中心，多学科、跨领域是石窟寺保护的基本特点，要求我们必须从石窟保护研究实际出发，围绕石窟特点和实际需求，思考技术装备的发展，支撑研究和解决实际问题。

基于多场耦合足尺模拟的岩土质文物劣化机理及防治技术研究

王彦武 敦煌研究院保护研究所副所长

报告主要从研究背景、多场耦合环境模拟实验室构建、边界条件的提取和加载方式、风化机理及防治技术、水分运移机理及防治技术、现场试验研究六个方面介绍基于多场耦合足尺模拟的岩土质文物劣化机理及防治技术研究。

多年来，敦煌研究院等国内研究机构对石窟寺、土遗址等遗址的病害机理、保护技术等方面进行了深入研究，但受试验样品尺寸效应和多重环境因素耦合条件难以施加的影响，研究结果和工程实践之间有效衔接尚存差距。敦煌研究院在多年研究成果的基础上，启动建设我国文物保护领域首个多场耦合实验室，并于2020年底投入运行。

实验室主要由夏季仓、冬季仓、风雨仓等构成，可实现零下30℃至60℃的温度，10%至90%相对湿度，构建了可模拟温度、湿度、日照、降雨、降雪等各种环境条件的实验室，解决了以往单因素模拟试验的不足，实现了多场耦合条件下开展足尺寸模型试验。

针对岩土质文物浅表层劣化机理及防治技术试验研究中存在的尺寸效应问题，构建了多场耦合环境模拟实验室和便携式风蚀雨蚀装置，提出了考虑环境因子相似性的多场耦合边界条件提取和加载方法。

借助多场耦合环境模拟实验室的风雨仓、冬季仓、夏季仓，开展了土遗址浅表层劣化足尺模拟试验，揭示了土遗址浅表层土颗粒冻胀分离和起壳的风化机理，研发了集化学加固、生物矿化、软覆盖和保护棚为一体的土遗址防风化加护技术体系；利用多场耦合环境模拟实验室，开展了砂砾岩足尺砂箱模拟试验，结合长周期现场环境监测揭示了干旱环境下砂砾岩石窟寺水汽运移机制，并构建了基于架空盖板的TPO水平崖顶洞窟防渗技术；使用便携式风蚀雨蚀模拟装置，开展了现场加固效果试验评价研究，验证了防风化技术的有效性。

海洋出水木质文物研究与保护

孙键 国家文物局考古研究中心副主任

海水环境水况复杂、盐度高、生物多样等特点对水下文化遗产的腐蚀破坏作用较为严重，水下文化遗产在海洋环境下的腐蚀机理和进程是目前研究的重点。海洋中的沉船、近海遗址所出的木质文物，脱离原始环境接触到空气后，存在酸化、霉变、脱水等一系列变化，保护工作面临严峻挑战。

国家文物局考古研究中心与各科研单位，借助水下考古发掘实践，对出水木质文物腐蚀机理、提取材料和工艺、脱盐和加固处理工艺、保存环境温湿控制等方面存在的科学问题及技术开发进行了多种探索。针对脆弱文物的水下提取，开发了藜芦醛为代表的水下临时固形材料与提取技术，还开发了环氧树脂复合层临时固形材料与提取技术，适用于低能见度的深水环境和不同水温海域，而且可提取的文物种类较多，提取方式也灵活便捷。在“南海Ⅰ号”考古发掘中，使用薄荷醇对船体结构进行加固，更加容易提取脆弱船体木材，此项技术对水下考古发掘起到重要促进作用。

木材酸化是沉船保护中出现的新问题，为此，我们开展了微生物脱除材料的研究。前期实验表明，氧化亚铁硫杆菌对木材中的黄铁矿等铁质沉积物有很好的脱除效果。木质文物里面有大量的海洋微生物，有目的地选择抑菌试剂并开展防霉试验，从而对海洋出水木材所产生的霉变进行有效控制。

总体来讲，国家文物局考古研究中心运用现代分析检测设备，对各历史时期、不同海域的沉船等海洋出水木质文物，全面系统地对其成分、结构和形貌进行分析，根据其受损原因和质变规律，研究有效的保护途径。

馆藏文物生物病害检测监测技术装备发展与装备应用

唐欢 重庆中国三峡博物馆研究馆员

馆藏文物霉变的表型包括：生霉、霉斑、粘连、狐斑、变色等。馆藏文物虫霉病害往往是文物受损情况已较严重才被肉眼发现，难以在微量或痕量阶段被检测发现。

由于传统检测方法存在一定瓶颈，为了实现馆藏文物生物病害的快速感知、精准识别和有效控制，馆藏文物有害生物控制研究国家文物局重点科研基地积极探索新技术应用，开展了馆藏文物有害生物控制研究，将ATP（Adenosine triphosphate）生物发光技术、光纤光谱技术运用于馆藏文物霉变识别、鉴定以及霉变发展的监测过程，实现霉变文物的现场快速定性定量分析。

ATP生物发光技术是一种霉菌污染检测技术，可以测定活性细胞数量，普遍应用于医疗卫生和食品行业。而应用于文物保护工作，则需要根据文物行业需求，开展适用性的标准化试验。此外，博物馆展柜的霉变也可以应用ATP生物发光技术进行分析检测与处理效果的评价。

同时，将人工嗅觉技术、图片识别技术等运用于馆藏文物虫害感知与识别，为提高我国馆藏文物保存环境，生物污染的预警能力及对生物病害发生的感知能力，积累了基础研究与应用案例。

随着馆藏文物生物病害检测监测技术的发展，馆藏文物有害生物控制研究国家文物局重点科研基地树立了三个目标，提高生物病害感知的前瞻性，识别的即时性，以及评价的高效性，此外，还要进一步增强学科交叉的针对性和深入性，从宏观和微观两个方面共同努力，为国家的文物保护事业高质量发展添砖加瓦。

古建筑木材评估保护技术与装备应用

周海宾 中国林业科学研究院木材工业研究所研究员

古建筑木材特征特性的精准评估是古建筑科学保护的前提基础。根据古建筑的采材信息和识材信息，能够还原古建筑的建造技艺和历史发展轨迹，对古建筑历史文化研究具有非常重要的价值。

古建筑木材材种、树龄等基本信息对古建筑营造技艺挖掘和木材维修替换有重要参考价值。通过树龄和径级确定平均年轮宽度，在古建筑的结构分析当中，年轮宽度与力学性能有显著性的关系，所以在古建筑材料替换时应非常关注年轮宽度的指标，年轮宽度是修缮用材适用性重要评价指标之一。

古建筑木材间摩擦性能是计算古建筑抗震能力的必要指标。对摩擦系数测定需要使用现代木材进行测试，通过微雕仪对现代木材表面进行微雕，并进行形貌学的特征参数分析，确定现代木材的试样，然后用摩擦系数测定仪进行测试，实现不同接触界面摩擦参数的测试。

古建筑木材病害作为木构件安全性评估的重要内容，可通过应力波、超声波、阻抗仪和雷达等装备联用和交互定位算法确定病害类型、大小、位置以及程度。古建筑木材相较于当代木材两者差异较大，这与老化深度和形貌特征关系密切，而木材燃烧性能对防火措施选择和消防力量配置有重要指导作用，为此，将古建筑木材分为老化区和非老化区，对其燃烧性能进行系统研究，可实现古建筑的精准保护。

对于腐朽和虫蛀木材，应采用先消杀后防护的处理程序，原位包覆式蒸汽处理装置可达到菌虫绿色消杀的效果。同时，中国林业科学研究院木材工业研究所研发的自适应靶向注液装置，可以实现自动检测病害的位置，与装置实现连接，将药液准确打入到生物所在位置，可实现高效防护的目标。

文物保护修复科技装备研发及应用与修复实验室整体建设

马维理 郑州枫华实业股份有限公司董事长

郑州枫华实业股份有限公司是国家文化产业示范基地，自2000年起发挥产学研用深度融合的技术创新模式，与文博单位、高等学校、科研院所以及其他科研企业合作取得重要成果。根据故宫博物院、中国国家博物馆、内蒙古博物院对文物修复的不同需求，针对性地对文物保护修复科技装备进行研发生产、应用推广、迭代创新等，有效解决了纸质文物的快捷修复保护、金属陶瓷文物的自动化修复和干旱环境下纸质文物、丝织品的修复保护等。在首都博物馆形成的高像素数字化采集装备被广泛使用。同时，积极参与文物保护修复科技装备技术供给、科技成果产业化，参与标准和规范制定工作。

经过20余年的持续努力，目前，郑州枫华的文物保护修复技术与装备研发涵盖青铜、陶瓷、字画、古籍等方面，结合互联网大数据的分析，文物的预防性保护，形成了技术研发和设备制造的迭代升级。

文物科技装备助力大足石刻的保护修复

蒋思维 大足石刻研究院院长

随着科技创新理论研究和实践的不断深入，石窟寺保护修复理念、工艺与材料研发、技术和方法也在不断创新发展。为充分发挥科技装备在石窟寺保护修复工作中的推动作用，近年来，大足石刻研究院立足自身实际，坚持“文物保护要靠科技”的理念，加大科技装备研发和推广应用，在大足石刻保护修复工作中开展了大量有益的探索和实践，并取得了初步成效。

大足石刻的科技保护是随着保护工程的不断深入而不断提升与整合的过程。比如在大跨度平顶窟的加固工程中，基于实际情况和不断的验证，我们在顶上后坡的山体旁边建梁，而在洞口的内部反向吊锚杆，既保护了洞窟，也基本不影响艺术观赏；在圆觉洞抢险加固工程前期及施工勘察中，通过微极距高密度电法、超声波CT和水平定向钻探、钻孔内三维激光扫描、超声波探测和DRMS贯入阻力测试等综合勘察技术，查明了裂隙空腔填充条石的几何特征和支撑状态，以及围岩裂隙、弱层和空腔的结构特征，分析了圆觉洞的受力变形特点和破坏机制，研究影响圆觉洞顶板稳定性的主要因素和发展趋势，为川渝地区石窟寺洞室顶板稳定性分析及评价提供可靠的参考依据。宝顶山大佛湾水害治理工程一期卧佛区域治水则是大足石刻治水工作中的一个缩影。

大足石刻在文物保护工作中取得了一定成果，展望未来，我们需持开放的态度和理念，建立跨学科、跨行业的合作，进一步提高文物保护的技术和方法，不断推动文物保护走上新台阶。

（整理：李瑞）