埋深對(duì)恐龍化石的影響效果研究

陳誠(chéng)，賈超，張尚坤，杜圣賢，羅文強(qiáng)，田京祥

(1.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，國(guó)土資源部金礦成礦過(guò)程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過(guò)程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013;2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

古生物化石是指地質(zhì)歷史時(shí)期形成并賦存于地層中的古代生物的遺體和活動(dòng)遺跡，是地球發(fā)展歷史的見(jiàn)證，它在古生態(tài)環(huán)境、古地理、古氣候等研究方面具有重要的科學(xué)價(jià)值。其中，恐龍化石是古生物化石中重要的研究對(duì)象之一。我國(guó)的恐龍化石資源豐富，除臺(tái)灣和福建外，其他省市都有恐龍化石的發(fā)現(xiàn)和記載，產(chǎn)出層位涵蓋了上三疊統(tǒng)至上白堊統(tǒng)，我國(guó)先后發(fā)現(xiàn)了眾多較大規(guī)模的的化石集群埋藏地[1]。已記述的恐龍化石計(jì)有129屬、164種[2]。

為了更好地保護(hù)和利用珍貴的恐龍化石資源，前人從宏觀保護(hù)和恐龍化石的微觀層面都進(jìn)行了多方面的科學(xué)研究。在宏觀保護(hù)層面上，杜圣賢等[3-4]對(duì)恐龍化石保護(hù)工程進(jìn)行了詳細(xì)科學(xué)分類，提出將古生物化石保護(hù)工程分為化石產(chǎn)地保護(hù)工程大類和化石標(biāo)本保護(hù)工程大類兩大類的劃分方案，其下又分原產(chǎn)地自然狀態(tài)保護(hù)工程、原產(chǎn)地場(chǎng)館保護(hù)工程、采掘過(guò)程中化石標(biāo)本保護(hù)工程及館藏化石標(biāo)本保護(hù)工程四類。在恐龍化石防護(hù)材料方面，鄧建國(guó)等[5]、葉勇等[6]研制出新型的納米二氧化硅化石防護(hù)材料。在恐龍化石微觀層面，張尚坤等[7-8]通過(guò)物理因素測(cè)試及數(shù)值模型分析，認(rèn)為影響恐龍化石風(fēng)化的主要因素有溫度變化、水分、冷凍循環(huán)等。其中，恐龍化石不同部位的溫度差異，造成內(nèi)部熱應(yīng)力分布不均勻，進(jìn)而引起恐龍化石發(fā)生熱破裂，加速了風(fēng)化破損。杜圣賢等[9]從溫差的角度分析，認(rèn)為在溫度變化過(guò)程中，恐龍化石與圍巖對(duì)溫度變化的響應(yīng)存在差異。此外，相對(duì)于升溫，溫度降低對(duì)化石造成的損傷程度更大，特別是溫度降至冰點(diǎn)以后，損傷程度更大。在固體研究方面，由于巖石強(qiáng)度是巖石材料的重要力學(xué)性質(zhì)，在不同應(yīng)力狀態(tài)和環(huán)境下的破壞形式和破壞強(qiáng)度并不相同。前人對(duì)圍壓及不同固體的破壞力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究，主要集中在花崗巖巖體、冰體、頁(yè)巖、大理巖等方面[10-14]。然而埋深因素產(chǎn)生的側(cè)向壓力對(duì)恐龍化石的峰值強(qiáng)度、破壞特性的研究尚處于空白狀態(tài)，缺乏相關(guān)深入分析。因此，對(duì)國(guó)內(nèi)廣泛分布在地層中的恐龍化石強(qiáng)度和破壞特性與圍壓間的關(guān)系研究，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

諸城是重要的以大型鴨嘴龍類為代表的晚白堊世恐龍化石產(chǎn)地，產(chǎn)出世界上最大的鴨嘴恐龍化石骨架——“巨大諸城龍”，已發(fā)現(xiàn)的恐龍化石點(diǎn)多達(dá)30處，保存有恐龍骨骼化石、恐龍蛋化石和恐龍足跡化石[15-19]。該文試驗(yàn)研究所用的恐龍化石樣品采集于諸城化石產(chǎn)地(圖1)，對(duì)其恐龍骨骼進(jìn)行三軸壓縮模擬試驗(yàn)。通過(guò)圍壓的大小來(lái)模擬恐龍化石挖掘之前不同深度條件下的應(yīng)力狀態(tài)，分析圍壓對(duì)恐龍化石強(qiáng)度的影響程度，以及在不同圍壓條件下產(chǎn)生破壞和變形差異性。

圖1 諸城恐龍化石野外分布情況

1 試驗(yàn)方法

該文試驗(yàn)所采用的儀器為三軸蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)RLW-500微機(jī)，由長(zhǎng)春市朝陽(yáng)試驗(yàn)儀器有限公司與山東大學(xué)共同研制(圖2)。RLW-500微機(jī)控制巖石三軸蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)主要用于研究巖石在三向應(yīng)力σ1，σ2，σ3作用下及σ1，σ2，σ3(σ2=σ3)保持恒定的條件下變形與時(shí)間的關(guān)系。通過(guò)鉆、切、磨等工序，將試驗(yàn)樣品加工成直徑為50mm、高為100 mm的圓柱體，兩端面平行度小于等于0.002 mm，表面平整度小于等于0.1%，利用聲波測(cè)試篩選，將縱波波速異常的巖樣剔除。賦存在地層中的恐龍化石受三向壓應(yīng)力影響，用巖體的單軸和三軸試驗(yàn)來(lái)模擬側(cè)向壓力對(duì)恐龍化石峰值強(qiáng)度的影響。為了較準(zhǔn)確地說(shuō)明側(cè)向壓力對(duì)恐龍化石強(qiáng)度特性的影響，采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬[20-21]，數(shù)值試驗(yàn)擬研究不同埋深條件下的恐龍化石試件，應(yīng)力釋放后的三軸壓縮變形特性。在進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，設(shè)計(jì)采用6種不同的工況對(duì)比試驗(yàn)研究，具體情況如表1所示，主要考慮0m，5m，10m，15m，20m，25m及30m等埋深時(shí)的受力狀態(tài)和峰值強(qiáng)，相對(duì)應(yīng)的圍壓分別為0 MPa，0.105MPa，0.21MPa，0.315MPa，0.42MPa，0.525MPa及0.63MPa。該構(gòu)件模型采用Strain-Hardening/Softening Mohr-Coulomb 模型[22]，具體形狀如圖3所示，模型共計(jì)6144個(gè)單元，6897個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 三軸蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)

工況埋深(m)土體重度(kN/m2)圍壓(MPa)工況10210工況25210.105工況310210.21工況415210.315工況520210.42工況625210.525工況730210.63

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

該文以摩爾-庫(kù)倫的破壞準(zhǔn)則理論為指導(dǎo)，運(yùn)用數(shù)值分析方法模擬分析不同埋深條件下的恐龍化石試件，在應(yīng)力釋放后的三軸壓縮變形特性。試驗(yàn)過(guò)程中，恐龍化石樣品的物理參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 恐龍化石的物理特性

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)三軸壓縮模擬試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果就可以繪出化石的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，并可分析不同圍壓條件下化石的變形特性。

2.1 圍壓為0的單軸試驗(yàn)

當(dāng)圍壓為0時(shí)，向試驗(yàn)樣件施加軸向荷載，得到其應(yīng)力應(yīng)變曲線及泊松比曲線。圖4a和圖4b為試驗(yàn)樣件在單向受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，縱坐標(biāo)是主應(yīng)力差(σ1-σ3)，橫坐標(biāo)分別為軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變。由圖可知化石僅在軸向壓力作用下時(shí)的峰值強(qiáng)度為16.85MPa，其應(yīng)力應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)與巖石單軸試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)基本相同。圖4c為試驗(yàn)樣品徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線，縱坐標(biāo)是徑向應(yīng)變，橫坐標(biāo)是軸向應(yīng)變，其比值即泊松比。圖4d為試驗(yàn)樣品在單向壓縮應(yīng)力作用下的破壞形態(tài)，從圖中可知，在單向壓縮應(yīng)力作用下，試驗(yàn)樣品的破壞形態(tài)呈X形剪切破壞。模擬試驗(yàn)顯示，在0～0.63MPa的側(cè)向壓力作用下，試驗(yàn)樣品的破壞形態(tài)均為X形剪切破壞。單向壓力作用下，在彈性階段，試驗(yàn)樣品的泊松比曲線基本為直線，其斜率為0.287；而在塑性變形階段，則其泊松比出現(xiàn)突變。

a—主應(yīng)力差-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線；b—主應(yīng)力差-徑向應(yīng)變關(guān)系曲線；c—徑向應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線；d—恐龍化石的破壞形態(tài)圖4 圍壓為0的單軸試驗(yàn)

2.2 不同圍壓的三軸試驗(yàn)

圖5顯示，當(dāng)試驗(yàn)樣件受不同側(cè)向壓力作用后，產(chǎn)生一系列應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖。將各側(cè)向壓力作用下化石的應(yīng)力差初始值、應(yīng)力差峰值和應(yīng)力差殘余值提取出來(lái)，可得到試驗(yàn)樣品的應(yīng)力差與圍壓的關(guān)系(表3)。在彈性變形階段，隨著軸向壓力的增大，試驗(yàn)樣品的軸向應(yīng)變也隨之增加。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)了恐龍化石極限強(qiáng)度后進(jìn)入塑性變形階段，試驗(yàn)樣件的峰值應(yīng)力快速降低，但并沒(méi)有完全失去承載能力，還具有一定的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)軸向壓力繼續(xù)增大，超過(guò)試驗(yàn)樣品的承壓強(qiáng)度，則發(fā)生破裂現(xiàn)象，最終達(dá)到試驗(yàn)樣品的殘余強(qiáng)度。在到達(dá)試驗(yàn)樣品極限強(qiáng)度之前，試驗(yàn)樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是重合的，該條直線的斜率為恐龍化石的彈性模量，同時(shí)，不同圍壓所對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力存在差異。當(dāng)埋深為地表，即圍壓為0時(shí)，其峰值應(yīng)力為16.85MPa，殘余應(yīng)力為4.597MPa；當(dāng)埋深為30m，即圍壓為0.63 MPa時(shí)，其峰值應(yīng)力為19.15 MPa,殘余應(yīng)力為6.277MPa。因此，在不同埋深條件下，試驗(yàn)樣品的峰值應(yīng)力、殘余應(yīng)力是不同的。在30m埋深作用下，其峰值應(yīng)力、殘余應(yīng)力分別比地表大2.30MPa，1.68MPa，說(shuō)明恐龍化石埋藏越深，恐龍化石的峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力均相應(yīng)的增大。

圖5 不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圍壓初始應(yīng)力峰值應(yīng)力殘余應(yīng)力01.56316.854.5970.1051.56217.274.8950.211.56217.645.1650.3151.56117.975.4640.421.5618.325.8870.5251.5618.736.0640.631.55919.156.277

3 結(jié)論

(1)在單向壓縮應(yīng)力作用下，恐龍化石的破壞形態(tài)均為X形剪切破壞。在彈性階段，其泊松比曲線基本為直線，其斜率為恐龍化石的彈性模量；而在塑性變形階段，則其泊松比出現(xiàn)突變。

(2)在三向壓縮應(yīng)力作用下，隨著軸向應(yīng)力的增加，恐龍化石內(nèi)部主應(yīng)力差先增加后減少，呈現(xiàn)峰前段和峰后段兩部分曲線。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)了極限強(qiáng)度后，恐龍化石并沒(méi)有完全失去承載能力，仍然具有一定的強(qiáng)度，并隨著塑性變形的增大，強(qiáng)度逐漸減小，最終達(dá)到殘余強(qiáng)度。

(3)埋深所產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力是影響恐龍化石變形和強(qiáng)度特性的一個(gè)重要因素，對(duì)化石的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度都有較大影響。當(dāng)側(cè)向應(yīng)力為0.63MPa時(shí)，恐龍化石的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度比無(wú)側(cè)向應(yīng)力分別大2.3MPa和1.68MPa。相對(duì)異地館藏、恐龍化石表面涂保護(hù)漆等方式，原產(chǎn)地保護(hù)是種經(jīng)濟(jì)安全的保護(hù)方法。

致謝：感謝山東省地質(zhì)科學(xué)研究院劉書才教授級(jí)高工對(duì)該文提出的寶貴的修改意見(jiàn)。