冻融循环对恐龙化石风化破坏机理的研究

宋香锁，张尚坤，贾超,杜圣贤,陈诚,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

古生物化石是地层划分对比和确定地质年代的重要依据，对研究地球演化、生物进化、古地理和古环境再造等有重要的科学价值。古生物化石的研究和产地、标本的保护工作已引起国内外地学界乃至政府部门的极大重视[1-3]。恐龙化石是重要的古脊椎动物化石，近几年，随着越来越多的恐龙属种和恐龙化石产地的发现,中国的恐龙研究也越来越被古生物学领域所关注。山东诸城是我国最重要的恐龙化石产出地之一[4-7]，恐龙化石发掘后面临着严重的风化问题，很多化石在发掘后十几年甚至几年后就迅速地被风化破坏掉[8]。为深入研究探索恐龙化石风化的深层次原因和机理[9-12]，对诸城恐龙化石及其赋存的围岩进行了实地考察和室内试验研究。通过实地考察发现恐龙化石的风化过程比较复杂，选取合理的化石样本、实物模型，抓住所研究问题的关键，方可得出接近实际的结论。所以根据研究方向，该文在诸城恐龙化石产地采取与化石性质相类似的岩层样本，通过冻融循环试验对诸城地区恐龙化石及围岩的风化影响进行了分析研究，并着重探索了温度对化石风化破坏的影响。

试验发现化石的抗风化性与化石和围岩的力学性能关系最密切。因此研究不同类型的化石和围岩在冻融循环作用后所产生的力学性能及变形特征[13]，对于有针对性地选择实施保护措施，有着非常重要的现实意义。

1 冻融循环试验

1.1 试验操作步骤

该次岩石的冻融循环试验操作按以下5个步骤进行，即①试样制备；②试件烘干和饱和处理；③测量试件并进行冻融循环；④安装试样并加荷载；⑤描述试样破坏后的形态并进行详细记录。

试样制备：用钻岩机、切石机、磨片机从原始岩块中取得岩样。所取岩样规格为直径5cm、高10cm的圆柱体。制备5组试样，每组3块，共15件。

观察确定所取试件岩样均属于砂岩，其节理发育情况不仅相同。试验前对试件进行分组编号为1～5(表1)。

表1 化石试块参数

试件的冻融循环：取2～5组进行饱和处理后放入冰箱内冷冻4h，然后取出注入水浸没试件4h，即为一个循环，根据工程需要及试验要求分别对2～5组进行10次、20次、30次、40次冻融循环。冻融循环结束后，从水中取出试件进行抗压强度试验(冻融循环暂停时需将试块放入0～2℃的空气中保存,图1)

图1 试块的冻融

安装试件、加载，如图2所示。

将上述4组样件每次冻融循环试验前后特别是将第4组试样置于流变仪内，使之均匀受载，然后以每秒0.5～1.0MPa的加载速度加荷，直至试样破坏，记下破坏(最大)荷载(P)。

图2 岩样的压载过程

对试样破坏后的形态进行描述，并记录有关数据(表2)。

表2 化石试样单轴抗压强度试验记录

将制备的5组试样岩石的单轴抗压强度进行计算，计算值保留2位有效数字。

1.2 影响岩石单轴抗压强度的因素

影响岩石的抗压强度内在因素主要有以下几个方面：①结晶程度和颗粒大小，结晶岩石比非结晶岩石强度高，细粒结晶的岩石比粗粒结晶的岩石强度高。②胶结情况，硅质胶结的抗压强度较高，石灰质胶结的岩石抗压强度较低，泥质胶结的岩石抗压强度最低。③矿物成分，不同矿物组成的岩石，具有不同的抗压强度，这是由矿物本身的特点决定的。④水的作用，含水度越高，岩石抗压强度越低。⑤容重的影响，不同容重的岩石有着不同的抗压强度，化石密度越小，其抗压张度越小，反之抗压强度增大。

2 试验结果分析

根据试验测得结果，获得了不同冻融循环次数后化石样件的力学性能、变形性能、弹性模量及峰值变形模量等。

2.1 强度特性

先对冻融循环试验前的试件进行抗压测试，观察岩石试件在单轴向压力作用下的破坏情况。试验证明，破裂面与载荷轴线的夹角可近似为破坏角，这一结果与理论上的角度相符合(图3)。

失重率是化石抗冻性的一个评价指标,图4表明在化石冻融初期,重量损失不甚明显,随着冻融循环次数的增加,重量损失率有所增加，在达到一定次数后重量损失明显加快。

从图5中可以看出,冻融循环次数对化石抗压强度的影响较为明显,随着冻融循环次数的增加,化石抗压强度特性均呈下降趋势。冻融循环10次以后尤为明显,抗压强度曲线有陡然下降的趋势[14]。经过40次冻融循环后，化石极限抗压强度降低至初始强度的60%左右。

图3 试件的破坏形态

图4 化石质量损失与冻融循环次数关系曲线

图5 化石抗压强度与冻融循环次数关系曲线

对恐龙化石来说，仅以冻融破坏抗压强度降低和质量损失率来作为评价指标尚不全面，有时还应结合弹性模量以及冻融产生的泥化掉块作为化石破坏参考指标，来进行综合评价。

2.2 应力应变曲线及变形性能

单轴受压时峰值应变随冻融循环次数的增加而变小，而且随着冻融次数的增加峰值应变下降幅度增大(图6)。

图6 极限应变与冻融循环次数关系曲线

试件在单轴压缩条件下经不同冻融循环次数后的应力与应变关系曲线如图7所示：

图7 各组试块应力-应变曲线

随冻融循环次数的增加，应力应变曲线逐渐扁平，峰值点位置明显下降和左移，说明化石极限压应力逐渐降低与其相应的应变值也在减小；并且可以从图7看出弹性模量在冻融循环后再降低。含节理试块在破坏过程中出现应力不变应变增加的现象，此现象推测为结构面(节理处)达到屈服，结构面材料发生蠕变流动。

冻融过程中岩样的破坏：冻融循环后岩块的节理发育，而近乎垂直于轴线的节理较多(图8)。

图8 冻融循环后节理的发育

在冻融循环后相应的恐龙化石会出现泥化，掉块等现象，并且随着次数的增加节理数会增加，多次冻融循环后表面变得酥松，表面会出现一层泥状物。

冻融循环后，试块抗压强度、弹性模量、峰值应变都出现降低，而且随着冻融次数的增加，这些现象更为明显。

将化石试件进行冻融循环，观察试件的泥化等风化现象。经过冻融后的化石样本出现了质量损失及掉块、泥化等现象，并且样本的掉块现象较严重(图9)。

图9 冻融循环后化石的泥化掉块

3 结论

(1)冻融循环试验后试样出现了近乎垂直于轴线的多条节理裂纹，这与在现场看到的化石表面出现横向裂纹一样。出现这种现象的原因主要是水和温度的共同作用所导致。

(2)试验证明冻融循环会降低围岩的强度、弹性模量等，多次冻融循环后围岩、化石出现质重损失、泥化、掉块等现象；岩石的弹性模量、内聚力随冻融循环次数的增加而依次减小。

(3)岩石抗压强度随冻融循环次数的增加总体上呈现降低趋势，起初冻融循环使岩石抗压强度降低幅度较大，而向后降低幅度变缓。