清洗一塊石頭身上的“風雨”

在文物保護的門類中，有一類叫石質文物保護。四川通高71米的石刻造像樂山大佛、希臘雅典衛城中姿態各異的雕塑、故宮博物院保和殿後檐巨大的雲龍禦路石雕，都隸屬其中。

這些石頭自山中來，經能工巧匠雕刻打磨，承載著時代藝術與文明的精華，沉默、厚重地停駐于一地，在雨水、風沙、紫外線等種種外力侵蝕下，仍能保持原本的結構，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“未完工建築”——延禧宮靈沼軒。該建築也是故宮博物院內僅存的以磚石和金屬為主體結構的西洋式建築。

20世紀初葉，末代皇帝溥儀即位後便下旨為隆裕皇太后修建一座以銅為柱、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，為與火對衝，遂決定引水入內。

根據史料記載，靈沼軒計劃修建三層，最下面一層在水池之中，地上有兩層，第一層四面當中各開一門，四週環以圍廊，主樓每層9間，四角各附加一小間，共39間。建築的墻壁、地板均為玻璃，“四望空明”，墻壁的玻璃夾層可蓄水養魚。帝後閒暇之時，可徜徉其中，觀魚賞景。靈沼軒的設計理念類似現在的水族館，當時被稱為“水晶宮”。

然而，由於清政府國庫虧空，該建築一直到辛亥革命爆發，溥儀退位都未能完成，殘留下大理石基座和鋼結構。“水晶宮”有很強的中西合璧風格，以大理石雕砌，並用鑄鐵架構，其石質立柱的柱頭和基座部分結合了希臘古典柱式和中國仰覆蓮柱礎的樣式風格。

這些大理石如今已被厚厚的黑色結殼所覆蓋，有些區域更是出現了一些“鐵銹斑”，後人很難從這些污跡斑斑的建築中想像“水晶宮”建成後的精美與恢宏，因而“水晶宮”大理石的清理，也成為修繕工作的重要一環。然而，科學修繕，首先需要權威準確的診斷報告，徹查文物病歷和健康狀況，才能確定修復方案。

這些大理石是什麼材質？這些大理石上面的黑色結殼和“鐵銹斑”究竟是什麼？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“一帶一路”聯合實驗室副主任、正高級工程師趙鵬介紹，結合現有遺跡和史料看，“水晶宮”主要結構為鋼材和大理石。這些鋼材極有可能購自歐洲，歷經百年而不倒已屬不易，大理石則屬於白雲石型大理石，即公眾熟知的漢白玉，這種大理石材質在故宮博物院中很常見。

採集並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。故宮博物院文保標準部副研究館員李晨毓的第一次取樣持續了半個月，在故宮博物院區域內，選取建築石材上肉眼看起來黑色結殼較厚的地方進行刮取，但由於樣品體積過小，厚度不到1毫米，大部分只有幾百微米，“風一吹就沒了”，合適的樣品數量並不是很多。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呈現在實驗儀器下，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，很難進行精細化的操作，可能一不小心就給磨沒了，浪費了樣品。”故宮博物院文保標準部副研究館員劉瀚文告訴《中國報道》記者。而這樣的樹脂塊，他已經數不清打磨了多少個。

綜合顯微拉曼、場發射掃描電鏡和X射線熒光等元素分析方法，他們發現，黑色結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”確實是由於鋼鐵結構生銹對周圍大理石産生的影響。

為何採用鐳射清洗？

“水晶宮”的清洗也為希臘電子結構與鐳射研究所（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。”劉瀚文説。

在分析樣品並進行清洗實驗的過程中，希臘電子結構與鐳射研究所（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經驗。

早在2012年，國際文物保護修護協會（IIC）就向雅典衛城博物館和希臘電子結構與鐳射研究所（IESL）頒發了凱克獎（KECK），以表彰他們使用創新的鐳射系統清洗現藏于雅典衛城博物館的伊瑞克提翁神廟中的女像柱，並向公眾開放修復過程。

鐳射清洗技術得益於鐳射技術的迅猛發展，成為20多年來發展迅速的一種清洗方法，並廣泛應用於科技、軍事等領域。鐳射清洗應用於文物的基本原理是高能量的鐳射束聚焦在文物表面與其發生熱學和力學等相互作用，使表面附著物吸收鐳射能量而脫離文物基體，從而達到去除文物表面污染物的目的。

傳統清洗石質文物的方法包括砂紙打磨（物理清洗）和化學清洗等，但這些清理不夠精細。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，鐳射清洗更為精確，也更加可控。操作者通過控制鐳射光束的參數，如光斑大小、重復頻率等，可以精確定位清洗所需要的鐳射能量，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鐳射清洗技術，使古建築煥然一新，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，克羅埃西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，用鐳射洗去了古羅馬帝國時代建築戴克裏先宮積累了1700多年的污垢，這是克羅埃西亞乃至歐洲第一次大規模使用鐳射清洗技術清理一座古建築。

“鐳射清洗技術在世界範圍內逐漸得到肯定和普及，作為一種新的文物清洗技術，未來也有可能應用到‘水晶宮’的清洗。”李晨毓告訴記者。

抵達“水晶宮”之前

雖然鐳射清洗技術在文物上得到了驗證，但目前市場上的鐳射清洗設備能實現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殼時可能發生變色問題。想要找到最適合於故宮博物院的清洗設備，就必須自研。有著光學專業背景的李晨毓，也擔當起開發自研設備的重任。

經過兩年的研發，2023年，故宮博物院與合作單位中國科學院空天資訊創新研究院根據清洗文物的實際需求，研製出可同時輸出1064nm、532nm和355nm三種波長並能混合輸出波長的鐳射清洗設備，該設備不僅可以利用振鏡清洗小的文物碎塊樣本，還能實現較大文物的鐳射清洗。

有了設備只是第一步，並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過嚴密的審核和論證。在大家的普遍印象裏，建築石材似乎很常見，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，科研人員需要先製作文物的“高倣”：採購與文物相同的大理石石材，根據此前採集的表面污染物成分數據，製作與污染物成分相近的模擬樣品，並將其涂敷在採購的石材表面。有了“高倣”後，再進行實驗。鐳射清洗實驗需要大量的嚴密計算，包括鐳射波長、顏色、能量密度、掃描次數、重復頻率等，此外還要考慮多重參數的排列組合，以保證用最佳組合達到最好的清洗效果。

實驗發現，在模擬樣本和碎石塊樣本中，當1064nm近紅外鐳射和355nm紫外鐳射的能量分別為16.8mJ和1.2mJ時，對較厚的黑色結殼污染物有良好的清洗效果。實驗還發現，即使採取相同的參數，操作者手法的不同也會對鐳射清洗效果産生較大的差異。

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”也需要嚴格定義。“清洗文物不是清洗衣服，不是洗到最乾淨才是最好的。清理到什麼程度，是一個很重要的課題。”

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統抹掉，反而破壞了文物本身的氣質，同時將脆弱的大理石基體暴露在酸雨環境中。在實驗過程中，研究人員也需要非常小心，避免過度清洗。

雖然故宮博物院內有著數量眾多、體量巨大的建築石質構件，但要從實驗室裏的清洗走向真實的古建築清洗，需要經過審慎嚴格的實驗、論證和審批。鐳射清洗技術何時能真正抵達“水晶宮”，還需要一步一個腳印地摸索。

據了解，目前國內只有少數單位開展了鐳射清洗技術的應用，如山西大同雲岡石窟、四川綿陽碧水寺以及四川樂山大佛等，對該技術的研究仍以高校科研團隊為主導。

由於鐳射清洗的技術門檻較高，所以推廣起來有難度。《中國報道》記者在採訪中了解到，中國—希臘文物保護技術“一帶一路”聯合實驗室的目標之一，就是希望開展石質文物鐳射清洗的精細化與規範化研究，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，並制定可指導實操的技術手冊與標準體系，讓這項技術更安全有效地在國內進行推廣應用。

撰文：《中國報道》記者 李士萌