恐龍化石風(fēng)化效應(yīng)的TM耦合分析研究

杜圣賢，張尚坤，于學(xué)峰，陳軍，宋香鎖，賈超，張國榮

(1.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 濟南　250013；2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟南　250013)

恐龍化石風(fēng)化效應(yīng)的TM耦合分析研究

杜圣賢1，張尚坤1，于學(xué)峰1，陳軍1，宋香鎖1，賈超2，張國榮2

(1.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 濟南250013；2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟南250013)

恐龍化石對研究地球演化、生物進(jìn)化、地層對比、地質(zhì)年代、古環(huán)境、古地理、古氣候等方面具有重要的科學(xué)價值。但恐龍化石發(fā)掘后面臨著嚴(yán)重的風(fēng)化問題，許多化石發(fā)掘后十幾年甚至幾年內(nèi)就迅速遭受風(fēng)化破壞。為深入研究探索恐龍化石地質(zhì)遺跡的深層次風(fēng)化原因和機理，該文采用TM(溫度和應(yīng)力)耦合分析方法，對山東諸城恐龍化石風(fēng)化規(guī)律進(jìn)行深入分析研究。根據(jù)化石與圍巖間膨脹的不協(xié)調(diào)性，探索在溫度變化情況下化石與圍巖間的相互作用規(guī)律及對風(fēng)化造成的影響。結(jié)果揭示了溫度作用下化石風(fēng)化的初步原因和規(guī)律，可為化石保護(hù)提供參考科學(xué)依據(jù)。

恐龍化石；風(fēng)化；圍巖；溫度應(yīng)力；TM耦合

引文格式：杜圣賢，張尚坤，于學(xué)峰，等.恐龍化石風(fēng)化效應(yīng)的TM耦合分析研究[J].山東國土資源，2015,31(10)：65-70.DUShengxian,ZHANGShangkun,YUXuefeng,etc.AnalysisandStudyonTMCouplingMethodtoWeatheringEffectofDinosaurFossil[J].ShandongLandandResources, 2015,31(10):65-70.

溫度變化是造成化石及其圍巖石風(fēng)化的主要因素之一[1]，在外界溫度作用下，由于熱脹冷縮，化石和圍巖受溫度影響到的部分會產(chǎn)生體積變化，產(chǎn)生熱應(yīng)變。由于化石和圍巖之間熱膨脹系數(shù)的差異，產(chǎn)生熱應(yīng)力[2-3]。同時，非均勻的溫度分布即溫度梯度也產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)化石或圍巖不能適應(yīng)此附加應(yīng)力時，就將產(chǎn)生裂隙，循環(huán)往復(fù)，裂隙不斷擴大，導(dǎo)致化石風(fēng)化。露天的化石白天受烈日暴曬，表面受熱膨脹，而化石內(nèi)部則受到的影響較小；夜晚化石表面又比內(nèi)部冷卻、收縮快，風(fēng)化作用更加嚴(yán)重。而處于室內(nèi)的化石雖然受溫度影響膨脹相對較小，但是這樣引起的不均勻膨脹也會使化石產(chǎn)生裂隙和表面片狀剝落[4-7]。同時，溫度會加速化學(xué)腐蝕的進(jìn)行，影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強度；溫度也會加速水的作用，是造成恐龍化石風(fēng)化的重要影響因素[8-10]。該文針對以上情況，采用TM耦合方法對諸城恐龍化石風(fēng)化機理進(jìn)行分析研究[11-14]。

1　計算原理及參數(shù)確定

1.1本構(gòu)模型

該文化石和圍巖的熱力耦合本構(gòu)方程如式(1)～(4)[15]

(1)

(2)

(3)

式中：ε為應(yīng)變，▽u為位移梯度；C為第四階彈性張量；s0為初始應(yīng)力；ε0為初始應(yīng)變；α為熱膨脹系數(shù)；s為應(yīng)力；T為溫度；Tref為應(yīng)變參考溫度；εinel為熱應(yīng)變。

化石和圍巖的熱傳導(dǎo)本構(gòu)方程：

(4)

式中：ρ為材料密度；Cp為比熱容；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)；Q為熱源；T為溫度。力學(xué)傳導(dǎo)本構(gòu)方程和熱傳導(dǎo)本構(gòu)方程，通過熱應(yīng)變相互影響。

1.2參數(shù)確定

根據(jù)實驗結(jié)果及查閱相關(guān)資料取得模型參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1　熱力耦合參數(shù)

該文假定初始狀態(tài)化石及圍巖的初始溫度為諸城地區(qū)多年平均溫度12℃，諸城地區(qū)某日實際的溫度變化情況如圖1所示。

圖1　諸城地區(qū)某日溫度變化過程曲線

2　模型概化及計算情景

2.1計算模型概化

將恐龍骨骼化石概化為柱體，分析開挖揭露后的化石風(fēng)化情景，骨骼化石一部分暴露在圍巖外部，其余部分置于圍巖內(nèi)部，建立如圖2所示計算模型。模型前后左右邊界取為對稱邊界；下邊界固定，約束x,y,z方向位移；上邊界為自由邊界；化石及圍巖的上表面均與外界存在熱對流作用?；蛧鷰r的內(nèi)部初始溫度均為12℃。

圖2　數(shù)值分析模型

2.2計算情景設(shè)置

該文分別分析溫度上升及溫度下降2個階段的化石與圍巖相互作用TM耦合規(guī)律，隨時間變化外界溫度升高階段的TM過程，溫度-時間變化曲線如圖3所示；隨時間變化溫度降低階段的TM過程，溫度-時間變化曲線如圖4所示。

圖3　溫升階段時間-溫度曲線

圖4　溫降階段時間-溫度曲線

3　計算結(jié)果及分析

3.1溫度升高TM計算及分析

應(yīng)用圖3所示溫升曲線進(jìn)行TM溫升計算，結(jié)果顯示，隨外界溫度變化，化石及圍巖內(nèi)部溫度變化情況，由模型內(nèi)部溫度變化情況可以看出：當(dāng)外界溫度持續(xù)升高時，化石和圍巖表面溫度先升高，內(nèi)部溫度幾乎不變；由于熱脹冷縮作用，可以看到化石和圍巖均出現(xiàn)了膨脹現(xiàn)象(圖5)。

計算得到溫度應(yīng)力如圖6所示。由圖6可知，在受外界溫度變化影響1h后，受到溫度應(yīng)力的作用，在化石和圍巖的表面，都受到拉應(yīng)力的作用；而在化石和圍巖接觸區(qū)卻受到了壓應(yīng)力的作用。分析

圖5　溫升階段化石內(nèi)部溫度變化過程

圖6　1h時，第一主應(yīng)力分布圖

其原因，由于熱脹冷縮的作用，當(dāng)外界溫度升高時，化石和圍巖表面溫度迅速升高，而內(nèi)部溫度不受影響，由于溫度梯度的作用，化石和圍巖表面產(chǎn)生了拉應(yīng)力；而化石和圍巖的熱力學(xué)參數(shù)并不相同，故其拉應(yīng)力大小不同；在化石和圍巖接觸區(qū)，由于他們之間相互約束，故會產(chǎn)生壓應(yīng)力區(qū)。

另外，對其位移變化進(jìn)行分析，對化石裸露區(qū)左邊界隨外界溫度變化，其整體位移變化如圖7所示。

圖7　化石位移變化

分析可知，隨外界溫度不斷升高，位移逐漸增大，在化石物理力學(xué)性質(zhì)一定的情況下，位移越大，則化石越容易產(chǎn)生裂縫，越易風(fēng)化。

綜合分析化石表面應(yīng)力、內(nèi)部應(yīng)力及溫度分布如圖8所示(時間為3h時)，化石裸露程度為二分之一。

圖8　化石表面應(yīng)力分布圖、內(nèi)部應(yīng)力切片及內(nèi)部溫度切片圖

在外界溫度變化3h后(圖3)，化石內(nèi)部溫度升高較快，此時最高溫度為20.56℃，化石端部溫度傳遞比中間快，此時化石內(nèi)部溫度分布極不均勻。

從YZ切片可以看出，化石中間部分最大拉應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)化石內(nèi)部中間部分往下延伸，不同部位分布近似，呈發(fā)散狀分布，而兩側(cè)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在化石裸露部分，最大拉應(yīng)力為1.2MPa。

3h時，化石裸露的表面均受拉應(yīng)力影響，分布不均，最大拉應(yīng)力約為0.86MPa，而埋于圍巖內(nèi)部部分受壓應(yīng)力的作用，化石與圍巖表面接觸處，化石所受壓應(yīng)力最大，最大為0.42MPa。

綜上分析，在溫升階段，化石受外界溫度變化影響而產(chǎn)生的表面拉應(yīng)力較大，因此暴露于空氣中的骨骼化石越多，其受溫度影響的程度越大。

3.2溫度降低TM計算及分析

化石和圍巖在溫度降低過程中，若溫度降至冰點以下，賦存在化石或圍巖內(nèi)的水將會結(jié)冰產(chǎn)生凍脹作用，由于化石和圍巖兩種材料的變形不協(xié)調(diào)將會產(chǎn)生相互作用，如此反復(fù)必然會加速化石風(fēng)化，造成化石破壞(圖9)。

圖9　隨外界溫度降低化石和圍巖內(nèi)部孔隙水結(jié)冰變化過程

由計算結(jié)果可見，裸露化石及圍巖裂隙中所含水分均已完成相變成為固體冰。化石臨空棱角處會最先受外界溫度影響而使孔隙水結(jié)冰，隨后內(nèi)部溫度逐漸降低，孔隙水結(jié)冰程度增加。隨外界低溫持續(xù)，空隙水結(jié)冰程度繼續(xù)增加，化石和圍巖內(nèi)部應(yīng)力持續(xù)變化，孔隙水結(jié)冰后產(chǎn)生較大的凍脹應(yīng)力，變形的不協(xié)調(diào)導(dǎo)致化石持續(xù)風(fēng)化(圖10、圖11)。

圖10　化石與圍巖應(yīng)力分布圖

圖11　變形及第三主應(yīng)力圖

由TM計算，化石和圍巖的表面在孔隙水冰點溫度后均產(chǎn)生了一定的張拉力，但是由于表層不受約束，故應(yīng)力從外向內(nèi)有所增加；在冰點時，化石和圍巖內(nèi)部均產(chǎn)生了壓應(yīng)力；同時由于熱脹冷縮作用，化石和圍巖本身有體積收縮的趨勢，而內(nèi)部空隙水結(jié)冰后體積膨脹，故外界溫度降低時化石和圍巖內(nèi)部應(yīng)力大于溫度升高時的內(nèi)部應(yīng)力。

4　結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，由于化石和圍巖對溫度變化的響應(yīng)參數(shù)的不同，導(dǎo)致溫度變化時兩者的變形不協(xié)調(diào)，由此產(chǎn)生相互作用，導(dǎo)致化石的損傷破壞。由溫升及溫降階段的TM計算結(jié)果可知，在溫度變化過程中，化石及圍巖內(nèi)部的溫度應(yīng)力響應(yīng)過程是不同的，接觸空氣部分的材料溫度應(yīng)力最先變化，并逐漸向內(nèi)部進(jìn)行傳導(dǎo)。對比分析得到溫度降低過程對化石造成的損傷程度要強于溫度升高時對化石造成的損傷程度，特別是溫度降低至冰點以下后，效果更為顯著，其本質(zhì)作用是水的冷凍膨脹效應(yīng)，這點在將來的化石防護(hù)時尤其要加以注意。

除此以外，對其他因素的研究，如熱流耦合分析等，對進(jìn)一步揭示化石風(fēng)化深層機理也非常重要。在TM耦合分析，流固耦合分析等方面應(yīng)進(jìn)一步加強系統(tǒng)深入的研究，逐步建立起化石風(fēng)化研究領(lǐng)域的力學(xué)分析系統(tǒng)，為化石風(fēng)化防護(hù)奠定科學(xué)及技術(shù)基礎(chǔ)。

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AnalysisandStudyonTMCouplingMethodtoWeatheringEffectofDinosaurFossil

DUShengxian1,ZHANGShangkun1,YUXuefeng1,CHENJun1,SONGXiangsuo1,JIAChao2,ZHANGGuorong2

(1.ShandongInstituteofGeologicalSciences,ShandongJinan250013,China；2.CivilEngineeringCollegeofShandongUniversity,ShandongJinan250061,China)

Dinosaurfossilshasgreatscientificvalueinstudyingearthevolution,biologicalevolution,stratigraphiccorrelation,geologicaltimeidentifyandpaleoenvironmentreconstruction.Butweatheringisaseriousproblemafterthedinosaurfossilshavebeenexcavated.Asmanyfossilshavebeendestroyedbyweatheringinafewyearsorevenmorequickly.Inthisarticle,inordertoexploretheweatheringcauseandmechanismofdinosaurfossilgeologicalrelicsfurtherly,TMcouplingmethodisusedforanalyzingweatherregularityofdinosaurfossilinZhuchengcityofShandongprovince.Theinteractionlawbetweenfossilandsurroundingrockundertemperaturechangehasbeenanalyzedinconsideringtheirdeformationincongruity.Itseffectonweatheringhasalsobeendiscussed.Finally,preliminarycauseandregularityofweatheringhasbeenrevealedtoprovidescientificreferencesforfossilprotection.

Dinosaurfossil;weathering;surroundingrock;temperaturestress;TMcoupling

2015-01-29；

2015-03-04；編輯：曹麗麗

中國地質(zhì)調(diào)查局項目“膠萊盆地白堊紀(jì)脊椎動物化石保護(hù)、開發(fā)方案與規(guī)劃”(1212011120107)基金支持

杜圣賢(1975—)，男，四川通江人，研究員，主要從事地層古生物與地質(zhì)礦產(chǎn)研究；E-mail：dushengxian@126.com

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