干濕循環(huán)對恐龍化石力學(xué)性質(zhì)影響研究

宋香鎖，賈超,張尚坤,杜圣賢,羅文強，楊斌

(1.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013；2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟南 250013)

0 引言

近幾年，隨著越來越多的恐龍化石和恐龍屬種被發(fā)現(xiàn),中國的恐龍研究已成為當(dāng)今古生物學(xué)領(lǐng)域研究的主流[1-4]，恐龍化石對研究地球演化、生物進化、古環(huán)境再造等有重要的科學(xué)價值[5-8]，古生物學(xué)家能夠通過先進儀器對遭受不同破壞的化石內(nèi)部進行觀察，從而可以發(fā)現(xiàn)過去肉眼不能觀察到的內(nèi)部細微構(gòu)造變化。

山東是中國發(fā)現(xiàn)恐龍化石最多的省份之一，主要產(chǎn)地有諸城、菜陽、臨沭、莒南等。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和旅游開發(fā)的需要，多年來對恐龍化石的不斷發(fā)掘[9-10]，恐龍化石及遺跡的保護日益顯得緊迫和重要[11-13]。該文通過干濕循環(huán)和膨脹試驗，研究水對化石風(fēng)化的影響[14-16]，為化石的保護提供了重要的理論和實施保護工程的實際意義。

1 干濕循環(huán)試驗

試驗所用的巖樣主要取自諸城恐龍化石產(chǎn)地，樣件為恐龍化石和與化石性質(zhì)相類似的圍巖。

該觀察試驗用巖樣是通過鉆、切、磨等工序加工而成，其規(guī)格為直徑50mm，高100mm的圓柱體，要求兩端面平行度≤0.002mm，表面平整度≤0.1mm/100mm。

1.1 試驗過程

試驗巖樣分為5組，每組3個試件，并測定出每個試件的直徑和高度。

將試件放入烘箱進行烘干，時間達12h，溫度達60℃，然后取出冷卻后再放入水中浸泡12h，即稱為完成1次干濕循環(huán)。圖1是烘干所用儀器。

圖1 化石試樣的烘干和加濕用設(shè)備

按照上述程序?qū)?～5組試件先后分別進行了1,5,10,15,20次干濕循環(huán)。浸泡12h后測得砂巖的含水率為2.12%。試件循環(huán)次數(shù)達到后，將試件取出用保鮮膜包好，以防水分蒸發(fā)。將準(zhǔn)備好的試件拿到三軸流變儀進行單軸壓縮試驗，試驗時采用荷載控制，加載速度為0.1kN/min。試驗中采集軸向力、軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變、時間等參數(shù)(圖2)。

圖2 化石試塊破壞過程

1.2 試驗數(shù)據(jù)

通過使用巖石力學(xué)流變儀測定并獲得了化石在干濕循環(huán)條件下的變形與力學(xué)特性，試驗測得數(shù)據(jù)如表1。

表1 恐龍化石試樣干濕循環(huán)后單軸抗壓強度試驗記錄

由表1所獲得的試驗參數(shù)做出相關(guān)數(shù)據(jù)。通過分析，由所得數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論：巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線可分為4個階段：即初始壓密階段、彈性階段、應(yīng)變硬化階段和應(yīng)變軟化階段；隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試件的變形增大；干濕循環(huán)作用下，巖石的單軸抗壓強度、彈性模量隨循環(huán)次數(shù)增多而減小。

1.3 試驗結(jié)果分析

干濕循環(huán)條件下砂巖的單軸壓縮試驗后試件的破壞形式有剪切破壞和劈裂破壞，其力學(xué)特性如圖3～圖5所示。

圖3 干濕循環(huán)次數(shù)抗壓強度關(guān)系曲線

圖4 干濕循環(huán)與彈性模量的關(guān)系

圖5 干濕循環(huán)與破壞時間關(guān)系曲線

從圖6、圖7可以看出，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，試件的變形增大，峰值點對應(yīng)的橫向應(yīng)變、軸向應(yīng)變增大，其原因源于水的軟化作用和干濕循環(huán)對巖石的風(fēng)化作用。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，巖樣的抗壓強度增大，彈性模量變小，破壞所需時間變長[10]。

圖6 干濕循環(huán)與峰值應(yīng)變關(guān)系曲線

圖7 干濕循環(huán)與峰值應(yīng)變關(guān)系曲線

從圖7可以看出干濕循環(huán)次數(shù)對巖石力學(xué)特性的影響很明顯，其原因是在干燥過程中，溫度作用使試件產(chǎn)生軸向與徑向膨脹，巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生微小的變化。在水浸泡過程中，水從試件表面的裂隙、孔隙進入巖石內(nèi)部，潤濕了巖石的礦物顆粒，水分子作用軟化了巖石的物理狀態(tài)，削弱了顆粒之間的聯(lián)系，使得力學(xué)參數(shù)降低，破壞時間變長[17]。

2 化石及圍巖的膨脹試驗

針對諸城恐龍澗采集到的恐龍化石和圍巖，應(yīng)用巖石膨脹測量儀，對其進行了力學(xué)特性試驗，進一步探討了圍巖和化石膨脹力與吸水率的相關(guān)性，繼而研究化石膨脹力與膨脹變形的規(guī)律。

2.1 試驗過程

將現(xiàn)場取回的巖石經(jīng)過鉆、切、磨等工序打磨成為直徑為50mm、高為50mm的圓柱體，要求兩端面平行度小于等于0．002mm，表面平整度≤0．1mm/50mm。制成4個化石及4個圍巖的試塊，化石和圍巖試塊分別標(biāo)記為Ⅰ和Ⅱ。利用巖石膨脹率和自由膨脹率測試儀，把試件豎直地置于試驗盒內(nèi)，并向試驗盒內(nèi)注滿純凈水進行無荷載作用的自由膨脹試驗，并測得巖石吸水后的軸向膨脹率。

自由膨脹試驗是測定試樣在不同泡水時間下巖石在側(cè)向與徑向的膨脹變形情況。在此過程中，試樣一起處于充分吸水狀態(tài)，不需要考慮水的補給情況。主要包括2個指標(biāo)，即軸向自由膨脹率與徑向自由膨脹率，這里只通過公式來計算軸向自由膨脹率：

式中:Vh為軸向自由膨脹率；Δh為軸向自由膨脹量；H為試樣的高度(mm)。

在浸水膨脹試驗過程中，膨脹變形隨著吸水時間的延長而增大，但增長速率逐漸減小以至停止，膨脹應(yīng)變量最終趨于穩(wěn)定，符合巖石吸水膨脹理論。通過試驗測得數(shù)據(jù)，并根據(jù)上面公式計算得到膨脹率(表2)。

表2 膨脹試驗記錄

2.2 試驗結(jié)果分析

對于圍巖和化石，在試驗過程中使用的是純凈水，水中基本不含礦物離子，pH約為7，因此，在浸泡過程中可以認為水與礦物顆粒之間不可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即不存在化學(xué)作用所產(chǎn)生的膨脹效應(yīng)。在試驗過程中，浸泡時間平均為120h。在時間不太長時，產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力沒有超出裂縫的強度，不會使裂縫擴展。隨著時間的增長，其膨脹變形增加速率變小，并趨于穩(wěn)定。巖石的水—巖作用使得巖石內(nèi)部黏結(jié)力降低，宏觀上顯示為巖石發(fā)生膨脹。

從試驗數(shù)據(jù)中可以看出化石的膨脹率遠大于圍巖的膨脹率，保存在圍巖中的化石，由于圍巖與化石不均勻脹縮，導(dǎo)致化石的破裂等現(xiàn)象出現(xiàn)。并且在120h的水中化石較圍巖泥化和掉塊現(xiàn)象更加嚴(yán)重，有的化石出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

膨脹試驗結(jié)束后，試樣出現(xiàn)軟化和泥化現(xiàn)象，并且試驗后節(jié)理發(fā)育，樣本表面細小顆粒掉落導(dǎo)致樣本表面粗糙等(圖8)。

圖8 膨脹試驗前后試件表面特征

3 結(jié)論

(1)隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，試件的變形增大，峰值點對應(yīng)的橫向應(yīng)變、軸向應(yīng)變增大，其原因源于水的軟化作用和干濕循環(huán)對巖石的風(fēng)化作用。干濕作用與凍融循環(huán)的長期共同作用不只會使試樣強度降低，長久之后甚至使化石圍巖基本軟化，遇水或遇酸后使其變形、開裂、泥化等。

(2)膨脹試驗結(jié)果表明化石的膨脹系數(shù)遠大于圍巖的膨脹系數(shù)，化石開挖暴露之后，受到各個因素的影響。在凍融及干濕情況下圍巖和化石強度、彈性模量的降低，這都會對化石的保存造成負面影響，造成化石的破壞。

(3)干濕循環(huán)，膨脹試驗后試樣出現(xiàn)了近乎垂直于軸線的多條節(jié)理裂紋，這與在現(xiàn)場看到的化石表面出現(xiàn)橫向裂紋一樣。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是因為水和溫度的共同作用導(dǎo)致的。

(4)試驗表明化石中碳酸鈣的含量遠大于圍巖，化石遇到酸性物質(zhì)容易軟化。同時通過試驗證明化石的酸溶蝕作用大于圍巖的溶蝕性，但水對圍巖的破壞性比較大，尤其是經(jīng)歷過干濕等作用后的風(fēng)化圍巖，經(jīng)過暴露后的化石，由于圍巖的風(fēng)化速度較快，化石更大面積的暴露，增加了與酸性溶液的接觸幾率；同時試驗表明裂縫發(fā)育能促進溶蝕作用的進行，半風(fēng)化和全風(fēng)化的圍巖遇到水和酸后，會變成碎塊以至于泥化，因而保護圍巖對于化石的保護也是十分重要的。

(5)試驗結(jié)果分析得知，圍巖的初始吸水率對其膨脹力有著強烈的影響，而對化石的膨脹作用較小。這一結(jié)果對于如何實施化石保護具有重要的參考價值，并提供科學(xué)依據(jù)。