埋深对恐龙化石的影响效果研究

2019-04-15陈诚贾超张尚坤杜圣贤罗文强田京祥

山东国土资源 2019年5期

陈诚，贾超，张尚坤，杜圣贤，罗文强，田京祥

(1.山东省地质科学研究院，国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东济南 250013;2.山东大学土建与水利学院，山东济南 250013)

0 引言

古生物化石是指地质历史时期形成并赋存于地层中的古代生物的遗体和活动遗迹，是地球发展历史的见证，它在古生态环境、古地理、古气候等研究方面具有重要的科学价值。其中，恐龙化石是古生物化石中重要的研究对象之一。我国的恐龙化石资源丰富，除台湾和福建外，其他省市都有恐龙化石的发现和记载，产出层位涵盖了上三叠统至上白垩统，我国先后发现了众多较大规模的的化石集群埋藏地[1]。已记述的恐龙化石计有129属、164种[2]。

为了更好地保护和利用珍贵的恐龙化石资源，前人从宏观保护和恐龙化石的微观层面都进行了多方面的科学研究。在宏观保护层面上，杜圣贤等[3-4]对恐龙化石保护工程进行了详细科学分类，提出将古生物化石保护工程分为化石产地保护工程大类和化石标本保护工程大类两大类的划分方案，其下又分原产地自然状态保护工程、原产地场馆保护工程、采掘过程中化石标本保护工程及馆藏化石标本保护工程四类。在恐龙化石防护材料方面，邓建国等[5]、叶勇等[6]研制出新型的纳米二氧化硅化石防护材料。在恐龙化石微观层面，张尚坤等[7-8]通过物理因素测试及数值模型分析，认为影响恐龙化石风化的主要因素有温度变化、水分、冷冻循环等。其中，恐龙化石不同部位的温度差异，造成内部热应力分布不均匀，进而引起恐龙化石发生热破裂，加速了风化破损。杜圣贤等[9]从温差的角度分析，认为在温度变化过程中，恐龙化石与围岩对温度变化的响应存在差异。此外，相对于升温，温度降低对化石造成的损伤程度更大，特别是温度降至冰点以后，损伤程度更大。在固体研究方面，由于岩石强度是岩石材料的重要力学性质，在不同应力状态和环境下的破坏形式和破坏强度并不相同。前人对围压及不同固体的破坏力学性质进行了长时间的研究，主要集中在花岗岩岩体、冰体、页岩、大理岩等方面[10-14]。然而埋深因素产生的侧向压力对恐龙化石的峰值强度、破坏特性的研究尚处于空白状态，缺乏相关深入分析。因此，对国内广泛分布在地层中的恐龙化石强度和破坏特性与围压间的关系研究，具有重要的理论意义和应用价值。

诸城是重要的以大型鸭嘴龙类为代表的晚白垩世恐龙化石产地，产出世界上最大的鸭嘴恐龙化石骨架——“巨大诸城龙”，已发现的恐龙化石点多达30处，保存有恐龙骨骼化石、恐龙蛋化石和恐龙足迹化石[15-19]。该文试验研究所用的恐龙化石样品采集于诸城化石产地(图1)，对其恐龙骨骼进行三轴压缩模拟试验。通过围压的大小来模拟恐龙化石挖掘之前不同深度条件下的应力状态，分析围压对恐龙化石强度的影响程度，以及在不同围压条件下产生破坏和变形差异性。

图1 诸城恐龙化石野外分布情况

1 试验方法

该文试验所采用的仪器为三轴蠕变试验机RLW-500微机，由长春市朝阳试验仪器有限公司与山东大学共同研制(图2)。RLW-500微机控制岩石三轴蠕变试验机主要用于研究岩石在三向应力σ1，σ2，σ3作用下及σ1，σ2，σ3(σ2=σ3)保持恒定的条件下变形与时间的关系。通过钻、切、磨等工序，将试验样品加工成直径为50mm、高为100 mm的圆柱体，两端面平行度小于等于0.002 mm，表面平整度小于等于0.1%，利用声波测试筛选，将纵波波速异常的岩样剔除。赋存在地层中的恐龙化石受三向压应力影响，用岩体的单轴和三轴试验来模拟侧向压力对恐龙化石峰值强度的影响。为了较准确地说明侧向压力对恐龙化石强度特性的影响，采用有限差分软件FLAC3D进行数值模拟[20-21]，数值试验拟研究不同埋深条件下的恐龙化石试件，应力释放后的三轴压缩变形特性。在进行数值模拟分析时，设计采用6种不同的工况对比试验研究，具体情况如表1所示，主要考虑0m，5m，10m，15m，20m，25m及30m等埋深时的受力状态和峰值强，相对应的围压分别为0 MPa，0.105MPa，0.21MPa，0.315MPa，0.42MPa，0.525MPa及0.63MPa。该构件模型采用Strain-Hardening/Softening Mohr-Coulomb 模型[22]，具体形状如图3所示，模型共计6144个单元，6897个节点。

图2 三轴蠕变试验机

工况埋深(m)土体重度(kN/m2)围压(MPa)工况10210工况25210.105工况310210.21工况415210.315工况520210.42工况625210.525工况730210.63

图3 数值计算模型

该文以摩尔-库伦的破坏准则理论为指导，运用数值分析方法模拟分析不同埋深条件下的恐龙化石试件，在应力释放后的三轴压缩变形特性。试验过程中，恐龙化石样品的物理参数见表2。

表2 恐龙化石的物理特性

2 试验结果与分析

根据三轴压缩模拟试验的计算结果就可以绘出化石的应力-应变关系曲线，并可分析不同围压条件下化石的变形特性。

2.1 围压为0的单轴试验

当围压为0时，向试验样件施加轴向荷载，得到其应力应变曲线及泊松比曲线。图4a和图4b为试验样件在单向受压时的应力-应变关系曲线，纵坐标是主应力差(σ1-σ3)，横坐标分别为轴向应变和径向应变。由图可知化石仅在轴向压力作用下时的峰值强度为16.85MPa，其应力应变曲线变化趋势与岩石单轴试验得到的应力应变曲线变化趋势基本相同。图4c为试验样品径向应变与轴向应变关系曲线，纵坐标是径向应变，横坐标是轴向应变，其比值即泊松比。图4d为试验样品在单向压缩应力作用下的破坏形态，从图中可知，在单向压缩应力作用下，试验样品的破坏形态呈X形剪切破坏。模拟试验显示，在0～0.63MPa的侧向压力作用下，试验样品的破坏形态均为X形剪切破坏。单向压力作用下，在弹性阶段，试验样品的泊松比曲线基本为直线，其斜率为0.287；而在塑性变形阶段，则其泊松比出现突变。

a—主应力差-轴向应变关系曲线；b—主应力差-径向应变关系曲线；c—径向应变-轴向应变关系曲线；d—恐龙化石的破坏形态图4 围压为0的单轴试验

2.2 不同围压的三轴试验

图5显示，当试验样件受不同侧向压力作用后，产生一系列应力-应变关系曲线图。将各侧向压力作用下化石的应力差初始值、应力差峰值和应力差残余值提取出来，可得到试验样品的应力差与围压的关系(表3)。在弹性变形阶段，随着轴向压力的增大，试验样品的轴向应变也随之增加。当应力超过了恐龙化石极限强度后进入塑性变形阶段，试验样件的峰值应力快速降低，但并没有完全失去承载能力，还具有一定的抗压强度。当轴向压力继续增大，超过试验样品的承压强度，则发生破裂现象，最终达到试验样品的残余强度。在到达试验样品极限强度之前，试验样品的应力-应变曲线是重合的，该条直线的斜率为恐龙化石的弹性模量，同时，不同围压所对应的峰值应力存在差异。当埋深为地表，即围压为0时，其峰值应力为16.85MPa，残余应力为4.597MPa；当埋深为30m，即围压为0.63 MPa时，其峰值应力为19.15 MPa,残余应力为6.277MPa。因此，在不同埋深条件下，试验样品的峰值应力、残余应力是不同的。在30m埋深作用下，其峰值应力、残余应力分别比地表大2.30MPa，1.68MPa，说明恐龙化石埋藏越深，恐龙化石的峰值应力和残余应力均相应的增大。