引用本文
蒋祎, 潘皎, 段鸿莺. 紫禁城东北崇楼彩画材料的科学分析[J]. 光谱学与光谱分析, 2025,45(7): 1953-1960.
JIANG Yi, PAN Jiao, DUAN Hong-ying. The Scientific Analysis of Materials of Polychrome Paintings From Northeast Chonglou of the Forbidden City[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2025,45(7): 1953-1960.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2025)07-1953-08  
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紫禁城东北崇楼彩画材料的科学分析
蒋祎1, 潘皎1, 段鸿莺2,*
1.北京科技大学科技史与文化遗产研究院, 北京 100083
2.故宫博物院古建部, 北京 100009
*通讯作者 e-mail: hyduan@hotmail.com

作者简介: 蒋 祎,女, 1998年生,北京科技大学科技史与文化遗产研究院硕士研究生 e-mail: jiang_yi_2020@163.com

收稿日期: 2024-06-09 修回日期: 2025-02-18 接受日期: 2025-02-18
基金: 国家重点研发计划项目(2020YFC1522402)资助
摘要

东北崇楼位于紫禁城外朝区域, 是紫禁城三大殿院落独有的建筑, 是外朝建筑群中的重要组成部分。 东北崇楼始建于明代永乐时期, 后因遭遇大火而被重建修缮, 内檐现存的建筑彩画属于清早期雅伍墨旋子彩画, 保存状况良好, 是研究清早期彩画的重要样本。 通过使用金相显微镜、 激光拉曼光谱仪、 扫描电子显微镜-能谱仪、 X射线衍射分析仪、 热裂解气相色谱质谱仪多种分析仪器, 对取自东北崇楼的10个彩画样品和1个红色油饰样品进行了科技分析。 结果显示, 东北崇楼内檐建筑彩画符合清早期官式彩画的特征, 结合文献查阅结果, 推测后期没有进行重绘修缮。 彩画所用颜料分别为碱式氯化铜、 石绿、 铅白、 白垩, 有机颜料靛蓝, 以及炭黑颜料。 绿色颜料由碱式氯化铜与石绿混合而得, 白色颜料由铅白和白垩混合而得。 油饰中的红色颜料为朱砂、 铁红, 铁红在朱砂下方起衬色作用。 地仗工艺采用单批灰的做法, 以砖灰作为无机填充材料, 混合有机粘结材料熟桐油, 覆盖在木基层表面, 而后颜料与熟桐油混合, 绘制于地仗之上, 绘制工艺符合清式彩画由深色入浅色的工艺顺序。 本研究为首次对紫禁城东北崇楼建筑彩画的综合分析, 不仅为其后期的保护修缮提供了基础信息, 亦为清早期的官式建筑彩画研究提供了宝贵材料。

关键词: 官式建筑彩画; 东北崇楼; 拉曼光谱; 材料分析
中图分类号:K879.4 文献标志码:A
The Scientific Analysis of Materials of Polychrome Paintings From Northeast Chonglou of the Forbidden City
JIANG Yi1, PAN Jiao1, DUAN Hong-ying2,*
1. Institute for Cultural Heritage and History of Science & Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China
2. Department of Architectural Heritage, the Palace Museum, Beijing 100009, China
*Corresponding author
Abstract

The Northeast Chonglou is located in the Outer Court area of the Forbidden City and is a unique building among the three main halls of the Forbidden City. It is an important component of the outer court architectural complex. The Northeast Chonglou was first built during the Ming Dynasty Yongle period, but was later rebuilt and renovated after being affected by the fire. The existing architectural polychrome paintings on the inner eaves belong to the early Qing Dynasty YawumoXuanzi polychrome paintings, which are well preserved and an important sample for studying early Qing Dynasty polychrome paintings. This study sampled 10 architectural polychrome paintings and 1 red oil decoration from Northeast Chonglou. Using various analytical instruments such as a metallographic microscope, a laser Raman spectrometer, a scanning electron microscope-energy spectrometer, an X-ray diffractometer, and a pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry to conduct scientific analysis on the samples. The results indicate that the polychrome painting conforms to the characteristics of the early Qing Dynasty. In combination with the findings from literature review, there has been no repainting or restoration of the polychrome paintings in the later period; The pigments used for polychrome painting are copper trihydroxychlorides, malachite, lead white, chalk, organic pigment indigo, and carbon black; The green pigment is obtained by mixing copper trihydroxychlorides with malachite; The white pigment is a mixture of lead white and chalk. The red pigments are cinnabar and hematite, and hematite plays the role of interlining color under vermilion. The plaster layer uses brick ash as an inorganic filling material, mixed with cooked tung oil to cover the surface of the wood. Then the pigment mixed with cooked tung oil was painted on the plaster layer. The drawing process follows the sequence of Qing Dynasty style polychrome painting from dark to light colors. This study is the first comprehensive analysis of Northeast Chonglou. It provides basic information for its later conservation and restoration,as well as valuable materials for studying the official polychrome painting of the early Qing Dynasty.

Keyword: Official architectural polychrome painting; Northeast Chonglou; Raman spectroscopy; Material Analysis
引言

彩画常被形容为“ 木衣锦绣” , 是木构建筑的重要组成部分, 它能够保护木构件、 区分显示建筑等级, 并起到装饰和美化的作用。 紫禁城作为世界上规模最大、 保存最完整的木结构宫殿建筑群, 其建筑上的明清官式彩画蕴含着丰富的历史信息, 具有极高的文化、 艺术和科学价值。 然而, 彩画由于自身原材料较低的耐老化性能及易受外界环境影响等因素, 其保存状况相比木、 石、 砖瓦等构件差。 为了保护古建筑木构件, 保持古建的完整面貌, 彩画常常需要重绘。 相比之下, 部分建筑的内檐彩画由于环境较为稳定, 还能保留初始绘制时的原状。 因此, 现存的明代至清初的官式建筑彩画案例较少, 能历经数年保留至今尤为难得, 是十分珍贵的实物资料。

崇楼作为外朝建筑群的重要组成部分, 创建于明永乐时期, 后因明永乐朝、 嘉靖朝和万历朝的大火, 崇楼被波及致毁, 于明天启末年间随三大殿的重建而被重建, 清顺治年间将崇楼用作宫廷库房[1]。 东北崇楼位于紫禁城太和、 中和、 保和殿院落东北角后左门东侧, 如图1所示。 东北崇楼建筑内檐彩画属于清早期雅伍墨彩画。 雅伍墨彩画不沥粉、 不退晕、 不贴金, 颜色上一般只有青、 绿、 黑、 白四色, 是一种简单素雅的旋子彩画, 虽在旋子彩画中级别最低, 但以其素雅明快的图案和规格著称。 现有对雅伍墨彩画的研究基本针对形制和纹样[2, 3], 有关其颜料及工艺研究的文章则很少。 杨红等[4]对东华门内檐雅伍墨彩画的颜料成分鉴定采用的是偏光显微分析, 但由于条件限制, 对黏接材料的判断仅到蛋白质层面。 除此以外, 尚无文献对其制作材料的全面研究, 因此, 本文对清初雅伍墨彩画具有重要的研究价值。

图1 东北崇楼在太和殿区域的位置[1]Fig.1 The location of Northeast Chonglou in Taihe Hall area

本研究利用剖面显微分析确定了彩画层次关系, 通过扫描电子显微镜-能谱分析、 激光拉曼光谱分析、 X射线衍射分析、 热裂解气相色谱质谱分析, 对东北崇楼10个建筑内檐彩画颜料及地仗材料进行了分析鉴定。 本分析结果为后期研究和保护修缮等工作提供参考依据。

1 实验部分
1.1 样品信息

选取了东北崇楼建筑内檐西次间彩画样品10个, 取样信息如表1所示, 内檐彩画现状如图2所示, 设色青绿相间, 主要纹饰旋花为青或绿色的花瓣。 为获取红色颜料的信息, 同时对东北崇楼明间内檐垫栱板的红色油饰进行取样与分析。

表1 东北崇楼建筑彩画取样信息表 Table 1 Samples information of Northeast Chonglou polychrome painting

图2 东北崇楼内檐彩画现状Fig.2 The status of Northeast Chonglou polychrome paintings

1.2 仪器和方法

(1)剖面显微分析

将样品用丙烯酸固化树脂镶嵌后, 使用不同目数的砂纸和抛光布对样品进行打磨和抛光, 直至打磨出镜面效果。 剖面样品制备完成后, 在底部放置橡皮泥, 粘在载玻片上, 用压平器压平, 在试块表面滴一滴矿物精油并盖上盖玻片, 于Leica 4000M金相显微镜下观察。

(2)激光拉曼光谱分析

使用 Renishaw-inVia型激光共聚焦显微拉曼光谱仪(英国雷尼绍公司), 激发光源波长532和633 nm, 分辨率4 cm-1, 测量范围100~4 000 cm-1。

(3)扫描电子显微镜-能谱分析

对样品表面进行喷碳处理后, 使用捷克TESCAN公司场发射扫描电子显微镜, 配备美国EDAX公司ELECT Plus型X射线能谱仪, 使用背散射探头, 分析电压为25 kV, 能谱分辨率为125.3 eV。

(4)X射线衍射分析

使用美国布鲁克公司D8 Advance X射线衍射仪, 扫描范围为3° ~70° , 电压为40 kV, 管电流为40 mA, 扫描速度为8° · min-1。

(5)热裂解气相色谱质谱分析

使用日本前线实验室(Frontier Lab)热裂解仪PY-3030D和岛津(Shimadzu)气相色谱质谱仪GC/MS-QP2010Ultra, 色谱柱型号为DB-5MS UI (Agilent J& W)。 裂解温度590 ℃, 裂解时间为12 s。 质谱仪采用EI电离, 电离能为70 eV, 质荷比的扫面范围35~700, 循环时间为0.5 s。

2 结果与讨论
2.1 剖面显微分析

图3列出了不同颜色彩画和油饰样品的取样照片和剖面结构信息。 结果显示, 东北崇楼清早期雅伍墨彩画基本构造从下到上依次是: 木基层— 地仗层— 颜料层, 无重绘痕迹。 其中, 地仗层为棕黄色, 混有一些白色和灰色的颗粒矿物。 不同颜色的彩画颜料层厚度信息略有差别, 青色颜料层厚度在22~200 μm之间; 绿色颜料中可见一些较大的矿物颗粒, 颜料层的厚度在26~221 μm之间, 下方为黑色合操层, 合操层平均厚度约为30 μm; 白色颜料涂刷在绿色颜料之上, 颜料层厚度在26~80 μm之间。

图3 不同颜色样品取样照片和剖面显微图Fig.3 Sampling position and cross-section image of different polychrome painting samples

油饰样品红色颜料层下方有一层橙色层, 红色颜料层厚度在17~54 μm之间, 橙红色层厚度在16~100 μm之间。

2.2 激光拉曼分析

不同颜色颜料的拉曼谱图见图4。 绿色颜料有碱式氯化铜和石绿。 在CL-03、 04、 05、 08、 09、 10样品中检测出氯铜矿(拉曼特征峰为124、 147、 513、 818、 914、 3 350和3 435 cm-1), 在CL-03、 04、 05、 08、 09样品中检测出斜氯铜矿(特征峰为143、 364、 425、 515、 583、 801、 894、 930、 974、 3 312、 3 358和3 444 cm-1), 在CL-04、 05、 08、 09样品中检测出羟氯铜矿(特征峰为157、 399、 448、 512、 893、 929和967 cm-1)。 氯铜矿、 斜氯铜矿、 羟氯铜矿是碱式氯化铜的三种同分异构体, 具有各自独特的晶型结构[5], 在环境因素下三种同分异构体可以转换。 在CL-03、 04、 05、 08、 09、 10样品中检测出石绿(特征峰为151、 180、 221、 271、 434、 537、 1 057和1 494 cm-1)。

图4 不同颜色的拉曼光谱
(a): 绿色颜料拉曼光谱; (b): 白色颜料拉曼光谱; (c): 黑色和青色颜料拉曼光谱; (d): 红色颜料拉曼光谱Fig.4 Raman spectra of different polychrome pigments
(a): Green pigment; (b): White piegment; (c): Black pigment and blue pigment; (d): Red pigment

白色颜料有白垩和铅白, CL-04和CL-10样品中检测出白垩(特征峰为155、 283和1 085 cm-1); CL-10样品中检测出铅白(特征峰为1 051 cm-1)。 青色颜料为靛蓝, CL-01、 02、 06、 07样品中检测出靛蓝(特征峰为550、 600、 760、 940、 1 251、 1 365、 1 584和1 701 cm-1)。 黑色颜料为炭黑, CL-01、 02、 03、 04、 05、 06、 07、 08、 10样品中检测出炭黑(特征峰为1 330和1 592 cm-1)。

油饰样品CL-11的红色颜料为朱砂(特征峰位于254、 287和345 cm-1), 下方橙红色层测出铁红(特征峰为228和294 cm-1)。

2.3 扫描电镜-能谱分析

为避免忽视混合颜料或者下方叠压颜料的信息, 利用扫描电镜对彩画样品的剖面显微结构进行观察, 并开展微区元素分析。 我们对同一颜料层不同的颜料颗粒进行了能谱分析, 也对同一样品不同颜料层的颜料颗粒进行能谱分析。 为了更加直观地显示颜料的使用情况, 在表格中, 我们仅列出了颜料所含元素氧化物的含量。 表2为部分彩画样品的能谱分析结果, 图5为部分样品的扫描电镜照片。

表2 部分彩画样品扫描电镜能谱分析结果 Table 2 SEM-EDS analysis results of polychrome painting samples

图5 部分样品扫描电镜照片
(a): CL-04白色颜料; (b): CL-08绿色颜料; (c): CL-11红色颜料Fig.5 The SEM images of some samples
(a): CL-04 white pigment; (b): CL-08 green pigment; (c): CL-11 red pigment

此外, 利用能谱对地仗进行元素分析, 结果显示灰层的主要无机元素为Si、 Ca和Al; 在背散射图像中, 对地仗层中浅色形状的颗粒做能谱分析, 结果显示为SiO2, 应为石英。

2.4 X射线衍射分析

地仗的X射线衍射分析结果见表3, 图谱见图6。 地仗中含有大量的石英, 以及少量的长石和方解石, 微量石膏、 云母等, 推测样品中的无机物原料为黏土类。 根据古建彩画的传统制作方法, 北方地区彩画地仗主要使用砖灰。 因此东北崇楼彩画样品地仗也很可能以砖灰作为无机填料。

表3 地仗层无机物XRD分析结果 Table 3 XRD analysis results of inorganic substances in plaster layer

图6 地仗样品衍射图Fig.6 Diffraction pattern of the plaster layer

2.5 热裂解气相色谱质谱分析

利用热裂解气相色谱质谱, 我们对颜料层和地仗层中的有机粘合材料进行分析, 化合物鉴定数据库为NIST17和NIST17s质谱数据库。 色谱图如图7, 特征裂解产物见表4和表5。 两个样品中均检测到大量一元脂肪酸和二元脂肪酸, 干性油在氧化降解的过程中产生特征性脂肪酸壬二酸[6], 在两个样品中检测到大量干性油裂解产物壬二酸[图7(a)的11号峰和图7(b)中的10号峰)], 说明该样品中含有干性油。 干性油中棕榈酸和硬脂酸在老化过程中含量比值基本不变, 可以通过计算其峰面积的比值(P/S)结合壬二酸与饱和脂肪酸(如棕榈酸)的比值(A/P)来鉴别不同种类的干性油[7]。 通过计算颜料层有机物的A/P=1.4、 P/S=1.4; 地仗层有机物的A/P=1.4、 P/S=1.3, 分析得到颜料层和地仗层有机粘合材料的主要成分是熟桐油。

图7 颜料层胶结物(a: CL-09)和地仗层有机物(b: CL-07)的总离子色谱图(THM-Py-GC/MS)Fig.7 Total ion chromatograms (THM-Py-GC/MS) of sample (a: CL-09) pigment cement and (b: CL-07) plaster layer organics

表4 CL-09颜料层胶结物热裂解气相色谱-质谱分析结果 Table 4 Pyrolysis gas chromatography-mass spectrometry analysis of pigment cement(CL-09)
表5 CL-07地仗有机物热裂解气相色谱-质谱分析结果 Table 5 Pyrolysis gas chromatography-mass spectrometry analysis of plaster layer organics (CL-07)
2.6 讨论

2.6.1 颜料层

清代晚期以前, 彩画颜料多为国产颜料, 这其中又以天然矿物颜料为主。 何伟俊等[8]对江南彩画颜料整理汇总的结果显示, 明中晚期到清早期的颜料主要有朱砂、 铅丹、 白垩、 铅白、 氯铜矿、 石绿、 石青、 靛蓝、 土黄等。 尤贵媚等[9]分析奉先殿清初彩画的颜料为氯铜矿、 铅白、 石青、 朱砂、 铁红。 杨红等[4]分析东华门清初内檐大木彩画, 主要用到传统矿物颜料, 以石青、 石绿、 朱砂、 铅白为主。 本文综合各种方法的分析结果, 得到了东北崇楼彩画绘制所用的颜料, 分别为碱式氯化铜、 石绿、 铅白、 白垩、 靛蓝、 炭黑, 其使用规律符合清代早期常用的彩画颜料特征。

其中, 绿色颜料是碱式氯化铜和石绿的混合颜料, 与故宫同道堂[10]脊枋彩画上发现的石绿和氯铜矿两种颜料混合涂刷的绿色颜料层一致。 石绿颜料的色相一般为半透明的浅绿色, 价格较为昂贵, 碱式氯化铜的色泽更鲜亮, 成本较低, 两者混合可能是为了降低颜料的成本。

青色颜料为靛蓝。 靛蓝是呈深蓝色的有机颜料, 在中国使用的历史很长, 该颜料在故宫其他建筑彩画中也有发现: 建福宫建造时大规模使用蓝色颜料靛蓝[11]; 咸福宫和同道堂的建筑彩画中, 靛蓝出现在深蓝色层, 也与碳黑颜料混合, 作为合操打底层[10]。

白色颜料由铅白混合白垩得到, 在雅伍墨彩画中绘制在绿色颜料层之上, 可知其做法为先刷绿色颜料, 再用白色颜料绘制方心线, 这种绘制技艺符合清式彩画由深色入浅色的工艺顺序[4]。

油饰样品的红色颜料为朱砂、 铁红, 铁红在朱砂下方起衬色作用。 在绘制彩画颜料时, 为达到相应的颜色效果, 会采用以相同颜色衬托在主色颜料层之下的衬色方法。 在我们分析的红色颜料样品中, 下层的铁红颜料层能使上层颜料的红色色彩更加沉稳。

颜料层使用的胶结材料为熟桐油, 颜料先与胶结材料混合, 而后进行涂刷, 绘制在地仗之上。

2.6.2 地仗层

明清官式彩画地仗中的无机材料主要物质是砖灰, 即研磨砖料得到的粉末, 作为填充性材料加入地仗层[12]。 东北崇楼彩画地仗样品中的无机物原料为黏土类, 推测是用砖灰作为无机填料。 结合实地与剖面显微的观察, 地仗中未见麻或其他纤维物, 推断地仗的工艺为单批灰地仗。 地仗层的有机胶结物经分析为熟桐油。 地仗层使用熟桐油, 可以起到防水[13]、 防腐、 防蛀的作用, 能够有效提高地仗性能。

2.6.3 营缮历史

由于自身材料的复杂性和混合性, 和易受到外界环境影响的因素, 建筑彩画耐老化性差, 经历50余年就需要进行修缮或重绘。 因此, 在对建筑彩画进行研究时, 其营缮历史是必不可少且非常重要的。 一般而言, 对于建筑彩画营缮历史的研究, 常通过查阅相关文献档案, 分析彩画样品的剖面以及根据彩画使用颜料的种类来判断。 清代之前大部分用于彩画中的颜料是国产原料, 主要组成成分为天然矿物; 清晚期, 由于众多西方合成原料出口到中国, 彩画颜料的使用也随之改变。 因此, 清代建筑彩画颜料所携带的年代特征, 可侧面印证其建筑彩画的绘制年代或营缮历史。

据文献记载, 人造群青在清晚期开始传入并大量使用[14]; 巴黎绿在德国于1814年首次合成, 我国大约在19世纪50年代之后使用[15]。 在东北崇楼蓝色和绿色颜料中未发现上述清晚期传入的合成颜料, 说明东北崇楼的彩画绘制年代在清晚期之前, 且彩画样品剖面结构层次显示不存在重绘情况。 东北崇楼建筑彩画符合清朝初期官式彩画的基本特征, 结合我们未从文献档案中查阅到东北崇楼彩画的重绘记录, 故推测其内檐彩画未在清晚期进行过修缮。

3 结论

本文使用了多种仪器和检测手段, 首次对紫禁城东北崇楼内檐彩画的制作材料和工艺进行了科学分析, 基于结果, 可以得到以下结论:

(1) 东北崇楼建筑内檐彩画所用颜料分别为: 碱式氯化铜、 石绿、 铅白、 白垩、 靛蓝、 炭黑; 碱式氯化铜与石绿混合得到绿色颜料, 铅白和白垩混合得到白色颜料; 白色颜料层在绿色颜料层之上, 符合清式彩画由深色入浅色的工艺顺序[4]; 油饰样品的红色颜料为朱砂、 铁红, 铁红在朱砂下方起衬色作用。

(2) 颜料和地仗的胶结材料均为熟桐油, 地仗层的无机物是黏土类的砖灰, 属单批灰地仗, 彩画结构层次清晰, 颜料层不存在重绘情况。

(3) 清早期官式建筑彩画遗存较少, 对这一时期雅伍墨建筑彩画材料的详细研究尚无论文发表。 清早期官式彩画以旋子彩画为主要形式, 东北崇楼雅伍墨彩画属于这一时期旋子彩画的范畴。 此次对紫禁城东北崇楼雅伍墨旋子彩画的综合分析, 不仅丰富了清早期官式建筑彩画研究资料; 研究得到的材料和工艺细节等信息, 还为其后期保护修缮提供了基础信息支撑。

(4) 建筑彩画层次结构丰富, 组成成分复杂, 常需多种手段与方法联用得到准确的材料信息。 本文选取代表性彩画样品, 剖面样品经金相及扫描电镜观察明确彩画颜色、 层次结构和叠压关系; 结合拉曼光谱与电镜能谱分析确定颜料种类; 利用能谱和XRD对地仗无机物分析, 采用Py-GC/MS确定胶结材料种类; 结合彩画重绘、 修缮历史记录查询, 实现对彩画原料及工艺的科学分析。 整套方法所用样品量少, 检测结果准确、 可靠, 同时兼具经济性和实用性, 可为建筑彩画研究与保护提供有力科技支撑。

致谢: 本研究承蒙故宫博物院谢嘉伟工程师在取样、 分析过程中的悉心指导与点拨, 以及刘梦雨馆员对取样工作的支持, 谨向两位老师致以最衷心的感谢。

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