雲岡石窟的歷史不只是開窟造像的歷史，也包括千百年來在石窟周圍活動的人們保護石窟和生活的歷史，七十多年來的考古調查和發掘正在逐步揭示。
雲岡石窟的考古發現從時間段上可分五次：
一、1938—1944年，日本東方文化研究所（現人文科學研究所）學者水野清一、長廣敏雄率雲岡石窟調查班在調查石窟的期間為了解石窟寺院的概況，曾對曇曜五窟窟前、第8窟與五華洞（第9窟-第13窟）窟前及窟頂部分臺地上開探溝進行發掘。在第9、10窟外遼金時期的鋪磚下層可確認北魏時期的砌石和鋪石遺構。北魏時在自然岩石的石面上，雕刻蓮花紋、忍冬紋及聯珠紋帶的組合紋樣，可知前庭曾存在某些殿堂式木構建築。兩窟之間有斜坡參拜道路。出土大量北魏和遼金時期的瓦片、陶器。1940年在第19窟前發現遼代的磚鋪地面。清理了第20窟埋在土裡的主尊坐佛的雙腿，在洞窟外，發現了一層含有大量北魏瓦的黑土堆積。同年在西部山頂及第3窟山頂發現北魏寺廟遺址，在龍王廟附近發現了遼代寺廟遺址。
第9窟前合影。前排從左至右為小川晴陽、長廣敏雄與水野清一。
二、1972—1973年，在雲岡石窟加固維修工程中，雲岡石窟文物保管所和文物保護科學技術研究所對第9、10窟前庭和前室上方平臺進行了清理，再次清理了第9、10窟前基岩地面上的北魏雕刻圖案，在前庭發現了與前壁平行的東西向方柱槽8個、圓柱礎16個，和崖壁上的8個梁孔相對應是一座七開間的木構窟簷建築遺蹟。有的柱礎打破了地面花紋，所以七間式窟簷的始建年代應在第9、10窟全部雕刻完成之後。於平臺發現了6個排列有序的梁槽與瓦頂，與窟前地面的6個柱礎（穴）遺蹟相對應是一座五間窟簷建築遺址，且與方柱槽之上的遼金時期磚鋪地面一起應是同期建築遺物，可能重建於遼代。同時在第12窟前壁列柱上方發現北魏石窟開鑿時就存在的石雕廡殿式屋頂。但這次清理工作不很完整，也缺乏地層關係和對應的實物資料。
三、1987年6—12月，雲岡石窟文物保管所在石窟維修加固工程中，在第5窟山頂東側小山谷西的一些附屬小窟前進行了考古發掘，清理面積約300平方米。清理出一處遼代廳堂遺址，內有地灶、火炕的僧房遺蹟和水池遺蹟。
四、為配合雲岡石窟“八五”保護維修工程，1992—1993年，山西省考古研究所、大同市博物館、雲岡石窟文物研究所組成聯合考古隊對雲岡石窟窟前的地面進行了全面清理發掘，共揭露面積4000餘平方米，清理出第20窟前石砌臺基、石砌河壩遺蹟，石窟窟頂東端的塔基遺址，另還有建築遺址6處，包括第3窟遼金建築遺址、第9、10窟前北魏與遼金建築遺址、第11窟至第13-4窟（又稱無名窟）窟前遼金建築遺址、第14窟至第20窟前北魏建築遺址、第19 窟前遼金建築遺址。出土各類遺物約2000餘件，有石雕造像、建築構件、石器、陶器、瓷器、鐵器、錢幣等。其中石雕造像多為石窟崖壁崩塌下來的北魏遺物，雕刻的內容有佛、千佛、菩薩、弟子、力士、飛天、供養人及裝飾圖案等。這次發掘初步探明雲岡石窟窟前建築遺址發展脈絡，再現了雲岡石窟的歷史面貌。其中第3窟遺址的發掘榮獲“1993年度全國十大考古新發現”。
第20窟前發掘現場。
五、為配合雲岡石窟頂防滲水工程，2008年，山西省考古研究所聯合大同市考古研究所和雲岡石窟研究院對雲岡石窟窟頂進行首次發掘，發掘面積2000餘平方米，發現東周、北魏、遼金和明清的遺址和灰坑，出土了一批石器、骨器、陶器和瓷器碎片以及建築材料等。2010年進行第二次發掘，發掘面積3600平方米。本次發掘發現了保存較完整的北魏遼金塔院式寺廟遺蹟，出土瓦當、筒瓦、板瓦等建築構件和少量石質佛像殘片和供養人像殘片。2011年又對雲岡石窟5 窟頂和6 窟頂進行發掘，發掘面積近5000平方米，發現又一處北魏遼金塔院式寺院遺址，以及遼金鑄造工場，包括遼金鑄造井臺和30座熔鐵爐遺蹟。瞭解到北魏時期雲岡寺院的佈局，其中遼金鑄造工場是國內目前保存最完整的遼金時期的鑄造工場，對研究《天工開物》和冶金鑄造史以及宋遼金“失蠟鑄造法”都有重要價值，榮獲“2011年度全國十大考古新發現”。
雲岡石窟依照自然地形和石窟在崖面上分佈情況劃分為東部窟群、中部窟群和西部窟群三個區域，龍王廟溝是東部窟群與中部窟群區域的分界線。考古發現可分為窟前遺址和窟頂遺址二個大區域。
一、窟前遺址
1.東部窟群 第3窟窟內外遺址
第3窟窟外前庭、窟內前後室的基岩地面三者之間的高度並非在同一平面，地面到處是溝槽分割成矩形和圓形凸起的石塊，或是取石後留下的矩形和圓形凹坑。兩種現象分別是未揭起與已揭取石料的遺蹟，說明石窟取石時先鑿出環狀溝槽後，再將整塊石頭撬起或由四周向中央剝落，從上向下取石開鑿石窟。出土器物有佛足、石磨盤等石塊坯料及大量北魏遺物，有日用陶器、磨光瓦、素面瓦、“萬歲富貴”和“傳祚無窮”瓦當等建築材料，說明該窟開鑿工程停止後可能成為一個生活場所。窟外前庭目前還沒有發現北魏建築遺痕，所以出土的零星瓦片，很可能來自於第3窟窟頂的北魏建築遺址。
隋唐文化遺存主要是窟外前庭南緣石牆、東西窟門前的凸字形臺基和一段擴展至窟門前臺基的東西向石牆。石牆西向第4 窟延伸，用不規整片石、石塊壘砌而成。出土北魏磨光瓦片、方格紋陶片、乘象菩薩等石雕殘件及唐玉璧底釉陶盞、隋五銖等遺物。由此推測，凸字形臺基的修建時間應在隋或唐初。可證《大金西京武州山重修大石窟寺碑》所記“唐貞觀十五年（641）守臣重修”，應包括此處。
第3窟。
第3窟北壁立面圖。圖片來源於《雲岡石窟第3窟遺址發掘簡報》
第3窟內外探方分佈圖。圖片來源於《雲岡石窟第3窟遺址發掘簡報》
在窟內東前室出土了較多的遼代遺物，有瓷器、陶器、筒瓦、板瓦、獸面瓦當、花紋脊磚、深黃色琉璃瓦等建築構件以及唐宋時期的各種貨幣等，文物堆積較厚，表明活動時間較長。這與《金碑》“遼重熙十八年（1049），母后再修，天慶十年（1112），賜大字額，鹹雍五年（1069），禁山樵牧，又差軍巡守，壽昌五年（1099），委轉運使提點，清寧六年（1060），又委轉運監修”記載相吻合。
在距窟外前庭北壁分別約為3、6米地面發現兩排東西向前後對應的夯土柱基，南排現存6個，北排僅存1個，在兩排夯土柱基最東端對應的位置也發現兩個殘破的方形石柱基。夯土遺蹟打破了部分凸字形臺基和擴展的東西向臺基遺蹟。另第3 窟前室窟頂的二層平臺呈長方形，其北側靠近壁面的基岩地面上鑿有10個東西向方形柱坑。南側接近平臺邊緣的基岩地面上現存6個東西向的長方形梁槽，梁槽之間有一條東西向凹槽相連接。這6個梁槽可與基岩地面北側的一排柱坑相對應。並且二層平臺上的這兩排建築遺蹟與前庭地面上的兩排柱基夯土坑的位置也相對，推測這是一處面闊九間的窟前木結構建築遺蹟。
距前庭基岩地面垂直高度16.2 米的崖面上有一排12個長方形梁孔且直通崖頂，並出土燒燬的樑架木炭。梁孔上方殘留著一排椽眼，應屬於同時期建築遺蹟。但這些梁孔與地面柱網排列難以對應。若從前庭東壁殘破的方形石柱坑和夯土柱基與前室窟頂二層平臺的柱坑和梁槽對應關係考慮，推斷應為一座多層建築。據《金碑》“皇統初，緇白命議，以為欲圖修復，須仗當仁，乃請惠公（即稟慧）法師住持化緣募錢重修靈巖大閣九楹……”以及其他石窟建築遺蹟考察，雖然還不能將第3 窟的金代建築確定為就是靈巖大閣，但可以肯定該遺蹟是金代在雲岡修建的規模較大的一處寺院。
金代文化層出土有相當豐富的瓷片、瓦片等，其中細白瓷較多，器型有碗、碟、杯等。還有醬釉、黑釉、茶末綠釉瓷。大型器物有甕、缸等，小型器物有碗、盤、碟、盞、壺、瓶、罐等。陶器種類只有盆、罐。建築構件有筒瓦、板瓦、紅胎琉璃瓦、獸面紋瓦當、聯珠獸面紋瓦當、聯珠蓮花紋瓦當等。
2.中部窟群第8窟、第9窟至無名窟窟前遺址
據1938年發掘，在第8窟窟前南約17米處，發現一條由條石壘砌的包石臺基，並西延長至第9 窟、第10 窟、第11 窟前。可以想象在某一個時代，在第7至第10窟，甚至是第5至第13窟前有一個廣場。
如上所述，第9、10窟前曾多次發掘，最徹底的發掘是1992 年。第9、10窟開窟時前庭地面就雕刻圖案，以四朵大蓮花作一字形縱向佈列，外圍由蓮瓣聯珠紋帶組成方形邊框。甬道和石窟列柱之間雕刻蓮花紋、聯珠紋及龜背紋圖案。
之後第9、10窟的窟前有過兩次修建活動。北魏至遼金之前在窟前立壁約5米處開8個東西向排列整齊的大方柱穴，周圍四角皆配以4個小圓柱穴，與窟外立壁的8個梁孔相對應，是一處面闊七間的建築遺蹟。遼金時期方形柱礎由北向南前後三排呈東西向排列，每排有6個方形柱穴（礎），可與窟外前室平臺的6個梁槽相對應，構成一個面闊五間的遼金時期建築遺蹟，地面鋪敷溝紋方磚。
第9、10窟。
第9、10窟前北魏與遼金的柱穴（礎）。圖片來源於《雲岡石窟的考古發現》
在第11 至13 窟及無名窟的窟前溝紋磚地面同層發現有東西向的大柱穴及方形柱礎，由南至北排列2 排，可與窟外立壁上的小方形梁孔相對應，應是遼金時期修建的面闊9 間的木構建築遺址。此處窟簷建築遺蹟的西南角處殘存的溝紋磚地面前緣的燒土裡包含有遼金時期的聯珠蓮花紋瓦當和滴水，推想建築毀於大火。
3.西部窟群
考古發掘僅限於第14窟至第20窟間，歷經北魏、遼金、明清、民國等時期，歷代活動頻繁，遺存擾亂破壞嚴重。
第20窟坐佛雙膝下為泥質灰巖，碎碴疏鬆，不易雕刻，因此外包石牆加固。牆體平面呈凸字形，向東內折進第19窟窟門西側。牆體用雕鑿齊整的石條呈不規則十字縫相錯壘砌，其間有的相交處做成“磕絆”。在石牆體中央向南，即第20 窟坐佛膝部下前方出土一處連三踏跺九級臺階，西側依附牆體還有一個東西向單體七級臺階。
第20窟窟前遺址發掘現場。圖片來源於《千耦其耘——山西省考古研究所六十年曆程》
第20窟主尊前的石牆與臺階。圖片來源於《雲岡石窟的考古發現》
南距第20窟臺階石牆約13.5米，發現一條東西向石砌牆，牆體內用碎石填充，可能為窟前建築的臺基。
距第20窟前臺階向南約25米處，有一段東西向石壩體，向東一直延伸到14窟前，已探明長度120米，與河床走向相同。壩體方向略偏西南，向南呈整齊的牆面。壩體在與第20窟前臺階東西兩端對應的位置向南基本呈直角狀折拐，形成一條南北向坡道，與東西向石壩形成“T”字形。壩體南最下部地層為淤泥和沙層，可以斷定此壩體為北魏時的河壩。南北坡道表面地勢北高南低，有明顯坡度，寬約400釐米，已探明長度18米。
第20窟出土的石缽。圖片來源於《千耦其耘——山西省考古研究所六十年曆程》
在第14至20窟的窟前地面基岩上，北距石窟立壁約8 米處從西向東排列著24個大柱穴。
每一柱穴外四角又各有1 個小柱穴，且與石窟立壁上的長方形梁孔相對應，應是同一時期建築遺存。柱穴內有燒成木炭灰的圓木柱痕，柱穴內及基岩面上的地層為燒土層，夾雜大量的北魏瓦片，偶見忍冬獸面紋瓦當，壓在遼金磚層之下，由此可見，此組建築屬北魏時期。第19窟窟前地面發現方形石柱礎4個，與窟壁上較小的長方形梁孔相對應。有的石柱礎周圍還殘存溝紋磚地面，但柱網結構被破壞，只知為遼金時期，其建築規模無法確定。
二、窟頂遺址
1、窟頂東端的石塔塔基遺址
塔基遺址位於雲岡石窟東部窟群區域窟頂的東側，西距第1窟僅300米。塔基呈正方形夯土臺，邊長約12米。坐北朝南，夯土外包砌砂岩石片，塔基南設東西向斜坡踏道各一條，踏道內外用石片包砌。塔基北也有條南北向斜坡墁道通向石塔。方形塔芯位於塔基中央，內部用石塊壘砌。
塔基周圍砌牆形成迴廊，用石片砌成，外抹泥並敷設紅彩。出土物以砂岩造像殘件居多，主要有菩薩、弟子、飛天等頭像、供養天身體、千佛、石刻獸頭門砧石及裝飾殘件，還有大量的筒瓦、板瓦、蓮花裝飾構件、“傳祚無窮”瓦當等。
2、第3窟頂部北魏建築遺址
1940年，日本學者在第3窟頂部挖了一條東西向的探溝，發現一處石築基礎和雕獅頭的長條石塊，還有一層很薄的白灰牆皮，表面塗紅彩。出土北魏瓦片、波狀紋板瓦滴水、“傳祚無窮”瓦當、“丫”形瓦釘，可能是一處北魏寺廟遺址。
3、龍王廟溝遺址
龍王廟溝即雲岡石窟第4、5窟間的山谷，山谷的北端清代建有龍王廟，由此得名。1938 年，水野清一等於龍王廟溝北進行了小規模試掘，發現地層中含遼代瓦和鐵器，出土聯珠獸面紋瓦當和羽紋板瓦滴水，可能溝北端曾有過一定規模的建築。1987年，雲岡石窟文物保管所對第5－16至5－29窟窟前清理出廳堂遺址1座（F1）、蓄水池1處（F2）、建築居址和地炕基址一處（F3）。
4、第5窟頂部北魏遼金寺院遺址、鑄造遺址
2011年，在雲岡石窟第5 窟和第6 窟頂部發掘清理一個佛教寺院遺址，主要遺蹟有塔基、石柱礎、鑄造井臺、熔鐵爐、灰坑、遼金水井、遼金建築遺蹟等。
塔基位於遺址最南部，平面呈正八角形，塔基和踏道用片石壘砌而成。塔基南北長22.1 米、東西長21.8 米、高0.1~5.58 米。在八邊形塔基內，包著一個近方形的夯土塔心，據觀察，中部方形夯土塔心應是北魏遺蹟，外圍以石塊砌成的八角形狀，當為遼金擴充補建，並改變了北魏方形塔身的形狀。塔基西北角有東西向踏道一條。建造時間晚於八角形塔身。
遼金鑄造工場位於塔基北部，有遼金鑄造井臺和環繞井臺周圍的30 座熔鐵爐遺蹟。鑄造井臺很特殊，為地穴式。東西長3.5 米，南北長3.5 米，深2.4 米，西北和東南各有一條路進入，地穴內有一個圓形檯面，臺中間有一個用土坯壘砌的模型內圈，口小底大，底部有灰燼和煙燻痕跡，底部有四個方孔通向作坊四角，和用筒瓦扣制而成的管道相連，四條管道分別斜向伸出地面。作坊四壁底部抹有草拌泥，並且被烤成紅色燒結面。出土很多坩堝殘片。
30 個熔鐵爐環平面呈長方圓角形，煉爐西北處有鼓風口，風口前有兩個用土坯壘砌而成的長方形坑，應為安裝固定風箱的基礎。有的熔鐵爐內有鐵渣、坩堝碎片等。
2011發掘第5窟頂部北魏遼金寺院和鑄造遺址。
出土遺物有遼金時期的陶罐、瓷碗、瓷罐、獸面瓦當、板瓦、滴水等，北魏時期的“傳祚無窮”、“富貴萬歲”瓦當殘片、陶片、石構件、筒瓦板瓦殘片、石雕佛像殘塊和陶塑佛像殘塊等。
5.西部窟頂寺院遺址
2010 年，雲岡聯合考古隊在山頂南部（第33窟以西）發掘一處較完整的北魏佛教寺院遺址，發現塔基、前廊後室的北廊房、東廊房和西廊房、南廊房和磚瓦窯遺蹟。其中，北廊房中北魏時期的13間，前面有柱礎12個，應為前廊後室的建築。還有遼金時期的2 間。塔基位於東西廊房中間靠南，夯土臺基外包有片石，南面正中有一斜坡踏道。出土遺物以建築材料最為豐富。
2010年西部窟頂發掘北魏寺廟遺蹟。圖片來源於《千耦其耘——山西省考古研究所六十年曆程》
除了18萬塊板瓦、3萬塊筒瓦，還有數量可觀的瓦當和帶綠釉板瓦。其中有“傳祚無窮”文字瓦當，也有蓮花瓦當和蓮花化生佛瓦當，這也是迄今為止我國發現使用琉璃瓦最早的建築。結合房間中土炕和火灶的設置，這應該是雲岡石窟的譯經場所或是高級僧侶們的生活區。
雲岡石窟的文獻資料所記很少，碑石和摩崖石刻不多，再加上散佚以及易風化的砂岩體質、巖體崩坍等等，只有默默的佛像在述說著石窟開鑿的活動、思想等。而一次次的考古發掘逐漸撩開了石窟修建的歷史。
據目前考古發現，北魏時期在第14至第20窟前修建建築，於窟頂東端、第3窟頂部、第5、6窟頂部、西部第33窟頂部修建塔廟寺院，很好地佐證了酈道元《水經注》中“山堂水殿、煙寺相望……”的武州山石窟的壯觀景象。北魏至遼金之前在第9、10 窟前修建建築。遼金時期又在第3窟前、第9、10窟前、第19、20窟前修建建築，又於第5、6窟頂部擴充補建北魏佛塔寺院，與《金碑》所載之十寺有著密切的關係。
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