失火一周年科学家们如何通过研究石头和铁锈修复巴黎圣母院

来源:澎湃新闻 2020-04-17 13:08 https://www.yybnet.net/

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来源：Science

编译：刘俊寰

距离巴黎圣母院的火灾已经整整一年了。

去年4月15日巴黎当地时间下午6:30（北京时间0：30），巴黎圣母院发生大火，圣母院顶部塔尖倒塌，左塔上半部被烧毁，玫瑰花窗被摧毁，所幸馆内的所有作品基本都已经被转移保存。

巴黎圣母院的大火在全球范围内引起了广泛的悼念和追忆。

马克龙在推特上表示，将寻求国际帮助，誓要重建巴黎圣母院。“我们将重建巴黎圣母院，因为这是法国人所期待的，因为这是我们的历史，这是我们的命运”。

在过去一年时间中，法国文化部和法国政府联手推动了整个项目的进程，前后共收到了10亿欧元捐款，八位科学家参与到第一阶段的修复工作中，如今，巴黎圣母院正要进入第二阶段的修复工作，将逐步向那些对历史和建筑感兴趣的科学家开放。

今天恰逢事件发生一周年，这一年时间里，相比于重建计划，人们更关心从大教堂顶消失的那200多吨铅可能造成的污染，如何利用巴黎圣母院的残垣进行历史和科学研究，以及成千上万巴黎人受到的情感创伤。

毕竟，“重要的不是屋顶和穹顶，而是它们所保护的圣所”，历史遗迹研究实验室（LRMH）主任Aline Magnien说，“巴黎圣母院的心脏已经被拯救了”。

石头的颜色变化如何助力修复工作

在LRMH，Magnien和22位同事针对大教堂的石头、砂浆、玻璃、油漆和金属的状况进行评估，他们的目的是防止大教堂受到进一步的破坏，并指导工程师们在全国范围内努力修复大教堂。

地质学家Véronique Vergès -Belmin是LRMH的石头部门的负责人，在实验室高顶储藏库里，她展示了几十块从大教堂拱顶天花板上掉下来的石头，通过研究这些石头，就可以大致猜测得出仍在原地的石头状况。

过高的温度会削弱石灰石，进而了解掉落的石头能承受的温度，这可以帮助工程师决定这些石头能否投入再利用。Vergès-Belmin发现，石头的颜色可以提供线索，在300°C至400°C时，将石灰石编织在一起的铁晶体开始分解，石头表面变成红色；600℃时，晶体变成了黑色的氧化铁，颜色再次发生变化；到800℃，石灰石失去了所有铁氧化物，变成了粉状石灰。“这是一个渐进的过程，任何有颜色的石头或部件都不应该被重复使用。”

LRMH合作者、法国国家研究机构CNRS的金属专家Philippe Dillmann认为，大教堂铁质结构中的铁锈也可以提供一些线索，随着温度升高，铁锈的微观结构会发生变化。通过调查大教堂的螺母和螺栓，以及墙壁内和周围铁条的“链式”系统，就能为附近石头建立热图（heat map）。

与此同时，雨水肆无忌惮地落在无顶的大教堂内，工程师们无法安装临时盖板，因为2018年为长期修缮而搭起的脚手架骨架已经融化。今年1月，工人们开始了为期6个月的拆除部分融化格子的工作，由于大教堂墙壁支撑着脚手架，拆除的过程也必须十分小心。

LRMH石材部门的地质学家Lise Leroux表示，在石头自行干燥之前，重量的变化很可能继续对拱顶结构产生“不可忽略”的影响，额外的重量不仅对不稳定的平衡力起到了作用，而且当冬天的水结冰时，个别石头会膨胀或收缩。

火灾发生几周后，工程师们在金库上方安装了钢梁，这样技术人员在拆除脚手架和稳定结构时，就可以用绳索进行高空坠落。上个月，Leroux在获得绳索救援证书后，第一次检查了大教堂顶部。她发现，顶部的石膏涂层大部分仍然完好无损，在一定程度上也避免了火灾和雨水的侵蚀。

200吨铅都去了哪儿？

当科学家们在忙着研究机械力量的时候，另一个小组则集中精力寻找大教堂顶部的铅的下落，悲痛之余，大火还激起了巴黎人的另一种担忧：铅蒸气是否会飘到附近的居民区。

事实上，领导LRMH金属部门的冶金学家Aurélia Azéma和其他科学家得出的结论是，火灾的最高温度远低于铅的蒸发温度1700℃。大部分的铅在300℃的温度下融化了，流到水沟里，滴落到钟乳石中。

然而，在一些地方，温度确实超过了600℃，此时，铅会氧化成微小的结节，即气溶胶。Azéma表示，“这就像发胶一样”，火灾期间从大教堂里飘出的黄色云彩显示，至少有一部分铅确实被高温烧到了空气中。

法国替代能源和原子能委员会的地球化学家Sophie Ayrault从火灾发生前刚清理过的两个表面中收集了铅粉尘的样本，分析了铅中的同位素特征，这种将特征能将圣母院的铅与其他铅源区别开来。

她希望将大教堂的指纹与全市各地的粉尘样本进行比较。在样本显示出令人担忧的高铅含量后，附近的一些学校已经进行了净化处理。但目前还不清楚这些铅是否来自圣母院大火，还是其他来源，如铅涂料、汽车电池和含铅汽油。

Ayrault还怀疑，阳光和酸雨的腐蚀可能已经释放了圣母院顶部几个世纪以来的累积的铅含量，由于屋顶是为了将径流迅速带入塞纳河，圣母院可能是一个持续的水污染源。她将在诺曼底下游的沉积物中寻找铅含量，再次尝试评，并与其他来源相比，以判断有多少是来自于圣母院。

大部分铅都留在了圣母院。2019年6月，当Azéma和同事们把大教堂里的第一批样本带回实验室，用塑料袋紧紧地密封起来时，黄色的铅粉尘似乎随处可见，她从层层气泡膜中解开小风琴管，用带着手套的手指指头指着它们的洞口。

文化部已责成LRMH找到一种方法，在不伤害大教堂的情况下，对大教堂的铅进行净化。LRMH玻璃部门的负责人Claudine Loisel一直在对大教堂113个彩色玻璃窗的进行去污技术测试，这些玻璃窗大都被烟灰、灰尘和残留物弄得发黑、粘稠，已经没有了黄粉的样子。

在双目显微镜的帮助下，Loisel很快就在三块面板上检测到了氧化铅结节，“现在的目标不是修复，而是去污”。

国家卫生机构使用商业湿巾来检测铅含量，但湿巾中含有少量的酸，可能会破坏窗户结构。因此，Loisel说服该机构接受了一个折中方案，使用Monoprix杂货店连锁店的“不含化学物质”的婴儿湿巾。

这在小规模的测试中很有效，但科学家们不想用婴儿湿巾去清洁整个大教堂。对于大多数光滑的表面，比如玻璃、金属、上蜡的木材，甚至是油漆，他们发现，用商店的真空吸尘器和棉布蘸上蒸馏水，就能安全地去除铅。

多孔的石头需要采取不同的方法，Vergès-Belmin说，一种可能的方法是用乳胶"愚蠢的腻子"涂抹，这种腻子可以和铅粉尘一起被拉掉一种类似的方法是使用一种粘土基压缩剂，使其干燥和收缩，产生充满铅的"碎片"，可以收集和处理。第三种想法是使用激光清洗。

巴黎人正遭受着情感创伤

文化部和国家科学研究中心成立了一个由多个机构约100名研究人员组成的专门科学小组，到上个月，大约10名研究人员获得了进入大教堂工作的机会，这在科学家和历史学家中引起了一个小高潮。

“我们正在整理这些成千上万的碎片，有些来自现代世界，有些来自另一个更古老的世界，仿佛我们正与中世纪进行交流。”Dillmann说。

波尔多蒙田大学艺术史学家Yves Gallet领导的研究小组旨在研究那些仍在使用的石头，比如将直径四层楼高的玫瑰花窗拱起的石雕。通过详细的图片分析，研究人员希望了解13世纪的石匠们是如何设计和组装这些建筑，进而更好地了解整个哥特式创作。

他们对大教堂内砂浆的分析可以证实历史学家提出的建筑建造和维修顺序。“砂浆可以告诉我们很多关于哪些石头是同时放置的，以及在这些地方预料到了什么样的力量。”他说。

CNRS木材小组的研究人员Alexa Dufraisse说，阁楼上烧焦的木材残留物也有自己的故事。生长环的厚度、密度和化学成分的变化显示了每年的气候条，她说，“木材在生长过程中绝对会记录一切”，圣母院的橡木梁生长于12和13世纪，这是一个被称为中世纪气候最适宜的温暖时期。通过将生长环的记录与当时的经济状况联系起来，研究人员希望看到气候的变化是如何影响中世纪社会的。

木梁的形状吸引了木材团队的注意。Dufraisse说，这些树显然是在密集、竞争激烈的环境中生长的，这支持了造林假说，即这些树木是专门为大教堂保留或种植的，这表明人们在圣母院开始建设前几代人的时间就已经在规划建设圣母院了。

除了火灾造成的物质损失之外，还有成千上万的巴黎人和其他人所遭受的情感创伤。

巴黎当代人类学跨学科研究所的CNRS人种学家Sylvie Sagnes采访了游客、当地人、导游、记者、捐赠者和教会成员，以分析大火带来的情感影响。她说，人们对古迹、公园和历史遗迹表现出强烈的依恋感。当人们动员起来保护遗产时，这实质上是一种民主的表达方式。

在圣母院的案例中，强烈的情绪正在激化围绕着修复圣母院的争议，比如是否要完全按原样重建。“圣母院不是一般的纪念碑，"她说，"在大火之后，人们仍然在情感上受到牵连。”

“当然，从情感上来说，这是一个困难的时期，但人们走到一起，不仅是为了拯救巴黎圣母院，更是为了吸取教训，这也是非同寻常的团结经验”，Magnien说。

“圣母院将被修复。它的艺术品、石材和彩色玻璃都将被清洗干净，它将比以前更加光彩夺目，更加美丽”。

失火一周年 科学家们如何通过研究石头和铁锈修复巴黎圣母院

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