为了有效对壁画存在的病害进行治理，采用金相显微镜、x射线荧光分析、X射线衍射分析、扫描电镜及能谱分析、显微共聚焦激光拉曼光谱分析等方法对该壁画的各层成分及各色颜料进行了分析，以研究壁画制作材料和工艺；同时对壁画所在区域的环境温湿度进行了检测，作为了解壁画病害机理、修复工艺和材料特性选择的依据。
通过现场调查以及壁画残片的剖面显微分析研究，龟兹石窟壁画制作工艺是先在陡峭的沙砾岩崖壁上开凿成形洞窟，之后在洞窟围岩上用掺有麦秸的黏土泥抹平砂岩壁面，待这层泥质地仗层完全晾干后用白垩粉涂刷；zui后进行线描添彩。因此，龟兹石窟壁画的制作方法与我国其他地方的石窟壁画一致，也属于古代干壁画的形式，其基本组成为四部分，即基础支撑体（洞窟围岩岩体）、地仗层、白粉层、颜料层。
颜料层是壁画的精华，是壁画保护修复的关键之所在。经对克孜尔石窟、库木吐喇石窟、森木塞姆石窟、阿艾石窟等处壁画颜料的分析结果的统计，龟兹石窟壁画使用的颜料大部分为无机矿物颜料，其中红色颜料为朱砂、铅丹、铁红；蓝色颜料是石青和青金石；绿色颜料是石绿和绿铜矿；白色颜料是白垩和石膏，均为常见壁画颜料。通过这些研究为制定壁画修复方法提供了工艺和材料选择的依据。
龟兹石窟壁画的保护修复，针对不同类型壁画病害，采用不同的修复材料和工艺，以中国文化遗产研究院承担完成的众多壁画保护修复成果为基础，参考敦煌研究院修复敦煌石窟壁画的成功经验。龟兹石窟壁画的修复严格遵循文物保护基本原则，为以后新疆境内其他石窟壁画的修复提供了典型范例。
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