失火一周年，科學家們如何通過研究石頭和鐵鏽修復巴黎聖母院

2023-04-01 08:06:29

大數據摘要

資料來源:科學

劉俊環編著

巴黎聖母院大火已經過去整整一年了。

去年4月15日，巴黎當地時間下午6:30(北京時間0: 30)，巴黎聖母院發生火災。聖母院的頂部倒塌，左塔的上半部分被燒毀，玫瑰色的窗戶被摧毀。幸運的是，博物館裡的所有作品基本上都被轉移和保存了。

巴黎聖母院的大火在全世界引起了廣泛的哀悼和紀念。

馬克龍在推特上表示，他將尋求國際幫助，並發誓要重建巴黎聖母院。「我們將重建巴黎聖母院，因為這是法國人所期待的，因為這是我們的歷史，這是我們的命運」。

在過去的一年裡，法國文化部和法國政府共同推動了該項目的整個過程，共收到10億歐元的捐款。八名科學家參與了修復工作的第一階段。現在巴黎聖母院即將進入修復工作的第二階段，並將逐漸向那些對歷史和建築感興趣的科學家開放。

今天恰逢事件一周年。在這一年裡，人們更關心的是從大教堂頂部消失的200噸鉛可能造成的汙染，如何利用巴黎聖母院的廢墟進行歷史和科學研究，以及成千上萬巴黎人遭受的精神創傷，而不是重建計劃。

畢竟，「重要的不是屋頂和穹頂，而是它們所保護的避難所，」歷史遺蹟研究實驗室(LRMH)主任艾莉·馬尼恩說，「巴黎聖母院的心臟已經被拯救了。」

石頭的顏色變化如何幫助修復工作

在LRMH，馬尼恩和22名同事評估了大教堂的石頭、灰泥、玻璃、油漆和金屬的狀況。他們的目的是防止大教堂進一步受損，並指導工程師在全國範圍內修復大教堂。

地質學家韋羅尼克·維加斯-貝爾明是倫敦金屬礦產管理局石材部門的負責人。在實驗室的高頂儲藏室裡，她展示了幾十塊從大教堂圓頂天花板上落下的石頭。通過研究這些石頭，我們可以粗略地猜測這些石頭的位置。

過高的溫度會削弱石灰石的強度，從而理解落下的石頭所能承受的溫度，這可以幫助工程師決定這些石頭是否可以重複使用。維加斯-貝爾明發現石頭的顏色可以提供線索。在300℃到400℃之間，與石灰石交織在一起的鐵晶體開始分解，石頭表面變成紅色。在600℃時，晶體變成黑色氧化鐵，顏色又變了。在800℃時，石灰石失去了所有的鐵氧化物，變成了石灰粉。「這是一個漸進的過程。任何彩色石頭或部件都不應重複使用。」

法國國立研究機構CNRS的金屬專家菲利普·迪爾曼(Philippe Dillmann)是LRMH的合伙人，他認為大教堂鐵結構中的鐵鏽也能提供一些線索，鐵鏽的微觀結構會隨著溫度的升高而改變。通過調查大教堂的螺母和螺栓以及牆內和牆周圍的「鐵鏈」系統，可以為附近的石頭建立一個熱圖。

與此同時，雨水肆無忌憚地落入無頂大教堂，工程師們無法安裝臨時遮蓋物，因為2018年為長期維修而建造的腳手架框架已經融化。今年1月，工人們開始了為期6個月的拆除部分熔化的格子的工作。由於大教堂的牆壁支撐著腳手架，拆除過程也必須非常小心。

LRMH石材部的地質學家莉莎·勒魯說，在石材自身變幹之前，重量的變化可能會繼續對拱頂結構產生「不可忽略」的影響。額外的重量不僅在不穩定的平衡力中起作用，而且當水在冬天結冰時，單個的石頭會膨脹或收縮。

火災發生幾周後，工程師們在拱頂上方安裝了鋼梁，這樣技術人員在拆除腳手架和穩定結構時就可以用繩索使高度空下降。上個月，勒魯在獲得繩索救援證書後第一次視察了大教堂的頂部。她發現頂部的大部分石膏塗層仍然完好無損，在一定程度上，它還避免了火和雨的侵蝕。

200噸鉛去了哪裡？

當科學家們忙於研究機械強度時，另一個小組正集中精力在大教堂頂部尋找鉛的下落。除了悲痛之外，這場大火還引發了巴黎人的另一個擔憂:鉛蒸氣是否會飄到附近的居民區。

事實上，金屬冶金學家奧雷利亞·阿澤瑪，領導了LRMH金屬部門，和其他科學家得出結論，火的最高溫度比鉛的蒸發溫度1700℃低得多。大部分鉛在300℃熔化，流入溝渠，落入鐘乳石。

然而，在一些地方，溫度超過600℃，這時鉛會氧化成微小的結核，即氣溶膠。阿茲瑪說，「就像髮膠一樣」，大火期間從大教堂飄出的黃色雲層表明，至少有一部分鉛確實被高溫燒到了+0的大氣中。

法國替代能源和原子能委員會的地球化學家索菲·艾勞從火災前清理的兩個表面收集了鉛塵樣本，並分析了鉛的同位素特徵，這可以將聖母院的鉛與其他鉛源區分開來。

她希望將大教堂的指紋與來自整個城市的灰塵樣本進行比較。在樣本顯示出令人擔憂的高水平鉛後，附近的一些學校已經被淨化。但是還不清楚鉛是來自聖母院大火還是其他來源，比如含鉛塗料、汽車電池和含鉛汽油。

艾勞還懷疑陽光和酸雨的侵蝕可能釋放了聖母院頂部累積了幾個世紀的鉛含量。聖母院可能是水汙染的一個持續來源，因為屋頂的設計是為了讓徑流快速流入塞納河。她將在諾曼第下遊的沉積物中尋找鉛含量，再次嘗試評估它，並與其他來源進行比較，以確定有多少來自巴黎聖母院。

大部分線索都留在了聖母院。2019年6月，當阿茲瑪和她的同事將第一批來自大教堂的樣本帶回實驗室，並用塑膠袋密封時，黃色的鉛塵似乎無處不在。她從層層氣泡薄膜上解開小風琴管，用戴著手套的手指指著它們的開口。

文化部已經指示LRMH找到一種方法來淨化大教堂中的鉛而不傷害它。LRMH玻璃部門的負責人Claudine Loisel一直在測試大教堂113個彩色玻璃窗的去汙技術。這些窗戶大部分都被煤煙、灰塵和殘留物燻黑並粘在一起，看起來不再像黃色粉末。

在雙目顯微鏡的幫助下，Loisel在三個面板上快速檢測到氧化鉛結核。"現在的目標不是修復，而是淨化."

國家衛生當局使用商業溼巾來檢測鉛含量，但是溼巾含有少量的酸，可能會損壞窗戶結構。結果，盧瓦澤爾說服該機構接受妥協，使用單麵店連鎖店的「無化學物質」嬰兒溼巾。

這在小規模測試中是有效的，但是科學家不想用嬰兒溼巾來清潔整個教堂。對於大多數光滑的表面，如玻璃、金屬、蠟木，甚至油漆，他們發現鉛可以通過用車間真空吸塵器和棉布浸泡在蒸餾水中安全地去除。

維加斯-貝爾明說，多孔的石頭需要不同的方法，一種可能的方法是塗抹乳膠「愚蠢的油灰」，這種油灰可以和鉛塵一起被拉走。一種類似的方法是使用粘土基壓縮劑來乾燥和收縮它以產生填充鉛的「碎片」，這些碎片可以被收集和處理。第三個想法是使用雷射清洗。

巴黎人正遭受情感創傷

文化部和國家科學研究中心成立了一個特別科學小組，由來自不同機構的大約100名研究人員組成。到上個月，大約有10名研究人員獲得了在大教堂工作的機會，這在科學家和歷史學家中引起了小小的高潮。

「我們正在整理成千上萬的碎片，有些來自現代世界，有些來自另一個更古老的世界，就像我們在與中世紀交流一樣。」迪爾曼說。

由波爾多蒙田大學藝術史學家伊夫·加勒特(Yves Gallet)領導的研究小組旨在研究仍在使用的石頭，比如直徑為四層的玫瑰色窗戶的石雕。通過詳細的圖片分析，研究人員希望了解13世紀石匠是如何設計和組裝這些建築的，然後更好地理解整個哥德式創作。

他們對大教堂灰漿的分析可以證實歷史學家提出的建造和維護的順序。「迫擊炮能告訴我們很多關於同時放置哪些石頭的信息，以及在這些地方會有什麼樣的力量。」他說。

CNRS木業集團的研究員阿列克謝·杜弗蘭西斯說，閣樓上燒焦的木頭殘渣也有它自己的故事。年輪的厚度、密度和化學成分的變化顯示了一年一度的氣候帶。她說，「伍德肯定會記錄成長過程中的一切。」聖母院的橡木橫梁生長在12世紀和13世紀，這是一個溫暖的時期，被認為是中世紀最適宜的氣候。通過將增長環記錄與當前的經濟形勢聯繫起來，研究人員希望看到氣候變化如何影響中世紀社會。

木樑的形狀引起了木材小組的注意。杜弗蘭西斯說，這些樹顯然生長在一個稠密且競爭激烈的環境中，這支持了植樹造林的假設，即這些樹是專門為大教堂保留或種植的，這表明在聖母院開始建造之前，人們已經計劃了好幾代。