清洗一塊石頭身上的“風(fēng)雨”

在文物保護的門類中，有一類叫石質(zhì)文物保護。四川通高71米的石刻造像樂山大佛、希臘雅典衛(wèi)城中姿態(tài)各異的雕塑、故宮博物院保和殿后檐巨大的云龍御路石雕，都隸屬其中。

這些石頭自山中來，經(jīng)能工巧匠雕刻打磨，承載著時代藝術(shù)與文明的精華，沉默、厚重地停駐于一地，在雨水、風(fēng)沙、紫外線等種種外力侵蝕下，仍能保持原本的結(jié)構(gòu)，但很難保持“本色”。尤其是以大理石為原料的文物，顏色變化最為明顯。這些千百年前的白色石頭，如何讓它們以最美、最真實的面目示人，是故宮博物院文物保護工作者一切努力的初衷。

修繕“水晶宮”

故宮博物院之中，有一座歷史悠久的“未完工建筑”——延禧宮靈沼軒。該建筑也是故宮博物院內(nèi)僅存的以磚石和金屬為主體結(jié)構(gòu)的西洋式建筑。

20世紀(jì)初葉，末代皇帝溥儀即位后便下旨為隆?；侍笮藿ㄒ蛔糟~為柱、玻璃為墻的“水中宮殿”靈沼軒，因為歷史上的延禧宮曾多次遭遇大火，為與火對沖，遂決定引水入內(nèi)。

根據(jù)史料記載，靈沼軒計劃修建三層，最下面一層在水池之中，地上有兩層，第一層四面當(dāng)中各開一門，四周環(huán)以圍廊，主樓每層9間，四角各附加一小間，共39間。建筑的墻壁、地板均為玻璃，“四望空明”，墻壁的玻璃夾層可蓄水養(yǎng)魚。帝后閑暇之時，可徜徉其中，觀魚賞景。靈沼軒的設(shè)計理念類似現(xiàn)在的水族館，當(dāng)時被稱為“水晶宮”。

然而，由于清政府國庫虧空，該建筑一直到辛亥革命爆發(fā)，溥儀退位都未能完成，殘留下大理石基座和鋼結(jié)構(gòu)?！八m”有很強的中西合璧風(fēng)格，以大理石雕砌，并用鑄鐵架構(gòu)，其石質(zhì)立柱的柱頭和基座部分結(jié)合了希臘古典柱式和中國仰覆蓮柱礎(chǔ)的樣式風(fēng)格。

這些大理石如今已被厚厚的黑色結(jié)殼所覆蓋，有些區(qū)域更是出現(xiàn)了一些“鐵銹斑”，后人很難從這些污跡斑斑的建筑中想象“水晶宮”建成后的精美與恢宏，因而“水晶宮”大理石的清理，也成為修繕工作的重要一環(huán)。然而，科學(xué)修繕，首先需要權(quán)威準(zhǔn)確的診斷報告，徹查文物病歷和健康狀況，才能確定修復(fù)方案。

這些大理石是什么材質(zhì)？這些大理石上面的黑色結(jié)殼和“鐵銹斑”究竟是什么？面對這些污漬，怎樣清理是最有效的？這一切都需要故宮博物院文物保護工作者一一破解。

故宮博物院古建部副主任、中國—希臘文物保護技術(shù)“一帶一路”聯(lián)合實驗室副主任、正高級工程師趙鵬介紹，結(jié)合現(xiàn)有遺跡和史料看，“水晶宮”主要結(jié)構(gòu)為鋼材和大理石。這些鋼材極有可能購自歐洲，歷經(jīng)百年而不倒已屬不易，大理石則屬于白云石型大理石，即公眾熟知的漢白玉，這種大理石材質(zhì)在故宮博物院中很常見。

采集并分析大理石之上的黑色污染物，是一個略顯枯燥且極費功夫的過程。故宮博物院文保標(biāo)準(zhǔn)部副研究館員李晨毓的第一次取樣持續(xù)了半個月，在故宮博物院區(qū)域內(nèi)，選取建筑石材上肉眼看起來黑色結(jié)殼較厚的地方進行刮取，但由于樣品體積過小，厚度不到1毫米，大部分只有幾百微米，“風(fēng)一吹就沒了”，合適的樣品數(shù)量并不是很多。而且，在這個過程中，為避免傷害文物，動作需要十分小心。

在分析樣品過程中，為了讓樣品的橫截面以更好的形態(tài)呈現(xiàn)在實驗儀器下，還需要將小部分樣品封存在指甲蓋大小的樹脂中，經(jīng)過機器的粗略打磨和成千上萬次的手動拋光。“手動打磨的過程必不可少，機器打磨太快，很難進行精細(xì)化的操作，可能一不小心就給磨沒了，浪費了樣品?！惫蕦m博物院文保標(biāo)準(zhǔn)部副研究館員劉瀚文告訴《中國報道》記者。而這樣的樹脂塊，他已經(jīng)數(shù)不清打磨了多少個。

綜合顯微拉曼、場發(fā)射掃描電鏡和X射線熒光等元素分析方法，他們發(fā)現(xiàn)，黑色結(jié)殼主要包括二水合硫酸鈣和碳，以及鋁、鉀等少量的金屬元素，而“鐵銹斑”確實是由于鋼鐵結(jié)構(gòu)生銹對周圍大理石產(chǎn)生的影響。

為何采用激光清洗？

“水晶宮”的清洗也為希臘電子結(jié)構(gòu)與激光研究所（IESL）同故宮博物院的深度合作提供了機會。

“有意思的是，無論是中國的還是希臘的，全世界的大理石面板上的污染物都很接近?！眲㈠恼f。

在分析樣品并進行清洗實驗的過程中，希臘電子結(jié)構(gòu)與激光研究所（IESL）的Paraskevi Pouli博士一直參與其中，其所在的團隊在清洗大理石文物污染物方面有著豐富的實戰(zhàn)經(jīng)驗。

早在2012年，國際文物保護修護協(xié)會（IIC）就向雅典衛(wèi)城博物館和希臘電子結(jié)構(gòu)與激光研究所（IESL）頒發(fā)了凱克獎（KECK），以表彰他們使用創(chuàng)新的激光系統(tǒng)清洗現(xiàn)藏于雅典衛(wèi)城博物館的伊瑞克提翁神廟中的女像柱，并向公眾開放修復(fù)過程。

激光清洗技術(shù)得益于激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，成為20多年來發(fā)展迅速的一種清洗方法，并廣泛應(yīng)用于科技、軍事等領(lǐng)域。激光清洗應(yīng)用于文物的基本原理是高能量的激光束聚焦在文物表面與其發(fā)生熱學(xué)和力學(xué)等相互作用，使表面附著物吸收激光能量而脫離文物基體，從而達(dá)到去除文物表面污染物的目的。

傳統(tǒng)清洗石質(zhì)文物的方法包括砂紙打磨（物理清洗）和化學(xué)清洗等，但這些清理不夠精細(xì)。此外，這些清洗某種程度上不可控，甚至可能對文物造成傷害。相比之下，激光清洗更為精確，也更加可控。操作者通過控制激光光束的參數(shù)，如光斑大小、重復(fù)頻率等，可以精確定位清洗所需要的激光能量，從而在不傷害文物的前提下洗掉污染物。

不少歐洲國家已通過利用激光清洗技術(shù)，使古建筑煥然一新，如法國亞眠大教堂、德國科隆大教堂、奧地利史蒂芬大教堂等。2013年，克羅地亞的文物保護者完成了一項歷時10年的大型古跡清洗項目，用激光洗去了古羅馬帝國時代建筑戴克里先宮積累了1700多年的污垢，這是克羅地亞乃至歐洲第一次大規(guī)模使用激光清洗技術(shù)清理一座古建筑。

“激光清洗技術(shù)在世界范圍內(nèi)逐漸得到肯定和普及，作為一種新的文物清洗技術(shù)，未來也有可能應(yīng)用到‘水晶宮’的清洗?！崩畛控垢嬖V記者。

抵達(dá)“水晶宮”之前

雖然激光清洗技術(shù)在文物上得到了驗證，但目前市場上的激光清洗設(shè)備能實現(xiàn)混合波長輸出的較少，一般都是輸出單一波長，在清洗大理石上的黑色結(jié)殼時可能發(fā)生變色問題。想要找到最適合于故宮博物院的清洗設(shè)備，就必須自研。有著光學(xué)專業(yè)背景的李晨毓，也擔(dān)當(dāng)起開發(fā)自研設(shè)備的重任。

經(jīng)過兩年的研發(fā)，2023年，故宮博物院與合作單位中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院根據(jù)清洗文物的實際需求，研制出可同時輸出1064nm、532nm和355nm三種波長并能混合輸出波長的激光清洗設(shè)備，該設(shè)備不僅可以利用振鏡清洗小的文物碎塊樣本，還能實現(xiàn)較大文物的激光清洗。

有了設(shè)備只是第一步，并不意味著可以馬上啟動清洗，文物的珍貴讓每一步實驗都必須經(jīng)過嚴(yán)密的審核和論證。在大家的普遍印象里，建筑石材似乎很常見，但故宮博物院的每一塊石材都很寶貴，哪怕是掉落的石塊，也不能隨便拿來做實驗，科研人員需要先制作文物的“高仿”：采購與文物相同的大理石石材，根據(jù)此前采集的表面污染物成分?jǐn)?shù)據(jù)，制作與污染物成分相近的模擬樣品，并將其涂敷在采購的石材表面。有了“高仿”后，再進行實驗。激光清洗實驗需要大量的嚴(yán)密計算，包括激光波長、顏色、能量密度、掃描次數(shù)、重復(fù)頻率等，此外還要考慮多重參數(shù)的排列組合，以保證用最佳組合達(dá)到最好的清洗效果。

實驗發(fā)現(xiàn)，在模擬樣本和碎石塊樣本中，當(dāng)1064nm近紅外激光和355nm紫外激光的能量分別為16.8mJ和1.2mJ時，對較厚的黑色結(jié)殼污染物有良好的清洗效果。實驗還發(fā)現(xiàn)，即使采取相同的參數(shù)，操作者手法的不同也會對激光清洗效果產(chǎn)生較大的差異。

劉瀚文告訴記者，在這個過程中，新的問題接踵而至，“怎樣的清洗是合適的清洗”也需要嚴(yán)格定義?！扒逑次奈锊皇乔逑匆路?，不是洗到最干凈才是最好的。清理到什么程度，是一個很重要的課題?！?/p>

隨著時間流逝，有些大理石表面只是稍微有了些包漿，看起來反而更有歷史的氣息，如果通過打磨把它們統(tǒng)統(tǒng)抹掉，反而破壞了文物本身的氣質(zhì)，同時將脆弱的大理石基體暴露在酸雨環(huán)境中。在實驗過程中，研究人員也需要非常小心，避免過度清洗。

雖然故宮博物院內(nèi)有著數(shù)量眾多、體量巨大的建筑石質(zhì)構(gòu)件，但要從實驗室里的清洗走向真實的古建筑清洗，需要經(jīng)過審慎嚴(yán)格的實驗、論證和審批。激光清洗技術(shù)何時能真正抵達(dá)“水晶宮”，還需要一步一個腳印地摸索。

據(jù)了解，目前國內(nèi)只有少數(shù)單位開展了激光清洗技術(shù)的應(yīng)用，如山西大同云岡石窟、四川綿陽碧水寺以及四川樂山大佛等，對該技術(shù)的研究仍以高校科研團隊為主導(dǎo)。

由于激光清洗的技術(shù)門檻較高，所以推廣起來有難度。《中國報道》記者在采訪中了解到，中國—希臘文物保護技術(shù)“一帶一路”聯(lián)合實驗室的目標(biāo)之一，就是希望開展石質(zhì)文物激光清洗的精細(xì)化與規(guī)范化研究，搭建不同類別文物不同污染物去除安全閾值的研究與驗證平臺，并制定可指導(dǎo)實操的技術(shù)手冊與標(biāo)準(zhǔn)體系，讓這項技術(shù)更安全有效地在國內(nèi)進行推廣應(yīng)用。