法國科學家利用拉曼光譜對考古遺址中的燒焦物質進行了研究。研究表明，利用拉曼光譜可以確定燒焦的是什么物質，以及燒焦溫度有多高。2019年法國巴黎圣母院大教堂大火后，研究人員采用這項技術確定了屋頂結構燃燒時達到的最高溫度。

使用拉曼光譜對燒焦物進行考古研究

法國巴黎高等師范學院地質實驗室 (Laboratoire de Géologie de l'Ecole Normale Supérieure de Paris) 的D. Deldicque和J.-N. Rouzaud一直致力于研究燒焦物，以測量最高碳化溫度。在高溫和無氧條件下，有機材料將碳化形成含有多環芳烴層的燒焦物。這些層的生長是不可逆的，并且取決于碳化溫度。拉曼光譜對碳化程度非常靈敏。研究人員將這種方法稱為拉曼古溫度測定法。

巴黎高等師范學院地質實驗室的D. Deldicque使用inVia?共焦顯微拉曼光譜儀研究燒焦物

他們使用一臺高靈敏度inVia 共焦顯微拉曼光譜儀采集了多種燒焦物的拉曼光譜。碳的光譜中包含兩個主要譜帶，即D譜帶和G譜帶，分別位于大約1,350 cm?1處和1,590 cm?1處。G譜帶與芳香環中sp2雜化碳的振動模式相關，D譜帶與芳香環邊緣的振動模式相關。

拉曼光譜對燒焦物中多環芳烴層的生長非常靈敏。溫度越高，碳光譜在1,350 cm-1處的D譜帶強度就越高。HD/HG高度比隨熱處理溫度升高而單調增加，溫度最高可達1,300?C。使用校準曲線，這種方法可以確定碳化溫度，精確度為±20 ?C。因此，HD/HG比率是一種合適的古溫度計或“化石熱電偶”。

聚焦巴黎圣母院火災中最高燃燒溫度

巴黎圣母院中殿的碳化橫梁（感謝Damien Deldicque和Jean-No?l Rouzaud提供圖片）

巴黎圣母院大教堂是始建于中世紀的歷史性地標建筑。2019年4月15日的一場大火燒毀了建于12世紀的大部分橡木框架結構。巴黎圣母院的標志性新哥特式尖塔倒塌了。然而，石灰石結構大部分得以保存。

為了幫助圣母院的后續重建工作，必須確定火災期間達到的最高溫度。高溫可能會導致大教堂屋頂上的鉛氣化，從而對周邊地區的公共健康造成影響。此外，大火還可能損壞了剩余的石灰石磚石結構。拉曼古溫度測定法是唯一一種可估算圣母院的框架結構和拱頂所達到的最高燃燒溫度的方法。

Deldicque和Rouzaud對火災后收集的燒焦物進行了拉曼古溫度測定。他們首先對大教堂中未燃燒的橡木碎片進行了碳化處理，以獲得500?C至1,300?C的校準曲線。然后使用配備熱電偶的實驗火焰驗證了校準曲線。通過拉曼古溫度測定法得出的溫度與直接測量的溫度一致。

研究人員分析了大教堂耳堂、中殿和交叉口的燒焦物樣本。在巴黎圣母院大教堂的燒焦物中，交叉口的燒焦物燃燒溫度最高，達到1,200?C；中殿和北耳堂的最高燃燒溫度分別為1,088?C和1,105?C。

根據交叉口（綠點）、北耳堂（藍點）和中殿（卡其色點）的HD/HG比率得出的古溫度測定結果

火災對圣母院結構完整性的影響

準確確定最高燃燒溫度對于安全高效地完成重建工作非常重要。拉曼古溫度測定法的結果表明，最高燃燒溫度約為1,200?C。

1,200°C的高溫足以燒融大教堂屋頂上的鉛。大教堂墻壁上的液態鉛溶解流證實了這一點。不過，這些溫度均低于1,740?C，不足以發生鉛氣化。圣母院大教堂周邊地區的任何鉛污染都不可能歸因于屋頂上的鉛在火災中發生直接氣化，進而導致氣溶膠污染。

高溫還可能損壞石灰石磚石結構的機械強度。由于熱應力的作用，石灰石內部在超過300?C的溫度下可能會出現微裂縫。這會導致孔隙率增加，而密度和強度降低。超過900?C之后，固體石灰石 (CaCO3) 則會脫碳，產生粉狀石灰 (CaO)。而圣母院大火的溫度持續超過了1,000?C。因此，這些熱變質作用可能會對圣母院的石灰石框架結構產生長期影響。

拉曼光譜是研究高度碳化物質的結構和化學成分的理想方法。不僅能提供有關物質本身的線索，還能探知其前身和最高碳化溫度。

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