凍融循環(huán)對(duì)恐龍化石風(fēng)化破壞機(jī)理的研究

宋香鎖，張尚坤，賈超,杜圣賢,陳誠(chéng),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

古生物化石是地層劃分對(duì)比和確定地質(zhì)年代的重要依據(jù)，對(duì)研究地球演化、生物進(jìn)化、古地理和古環(huán)境再造等有重要的科學(xué)價(jià)值。古生物化石的研究和產(chǎn)地、標(biāo)本的保護(hù)工作已引起國(guó)內(nèi)外地學(xué)界乃至政府部門的極大重視[1-3]。恐龍化石是重要的古脊椎動(dòng)物化石，近幾年，隨著越來越多的恐龍屬種和恐龍化石產(chǎn)地的發(fā)現(xiàn),中國(guó)的恐龍研究也越來越被古生物學(xué)領(lǐng)域所關(guān)注。山東諸城是我國(guó)最重要的恐龍化石產(chǎn)出地之一[4-7]，恐龍化石發(fā)掘后面臨著嚴(yán)重的風(fēng)化問題，很多化石在發(fā)掘后十幾年甚至幾年后就迅速地被風(fēng)化破壞掉[8]。為深入研究探索恐龍化石風(fēng)化的深層次原因和機(jī)理[9-12]，對(duì)諸城恐龍化石及其賦存的圍巖進(jìn)行了實(shí)地考察和室內(nèi)試驗(yàn)研究。通過實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)恐龍化石的風(fēng)化過程比較復(fù)雜，選取合理的化石樣本、實(shí)物模型，抓住所研究問題的關(guān)鍵，方可得出接近實(shí)際的結(jié)論。所以根據(jù)研究方向，該文在諸城恐龍化石產(chǎn)地采取與化石性質(zhì)相類似的巖層樣本，通過凍融循環(huán)試驗(yàn)對(duì)諸城地區(qū)恐龍化石及圍巖的風(fēng)化影響進(jìn)行了分析研究，并著重探索了溫度對(duì)化石風(fēng)化破壞的影響。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)化石的抗風(fēng)化性與化石和圍巖的力學(xué)性能關(guān)系最密切。因此研究不同類型的化石和圍巖在凍融循環(huán)作用后所產(chǎn)生的力學(xué)性能及變形特征[13]，對(duì)于有針對(duì)性地選擇實(shí)施保護(hù)措施，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 凍融循環(huán)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)操作步驟

該次巖石的凍融循環(huán)試驗(yàn)操作按以下5個(gè)步驟進(jìn)行，即①試樣制備；②試件烘干和飽和處理；③測(cè)量試件并進(jìn)行凍融循環(huán)；④安裝試樣并加荷載；⑤描述試樣破壞后的形態(tài)并進(jìn)行詳細(xì)記錄。

試樣制備：用鉆巖機(jī)、切石機(jī)、磨片機(jī)從原始巖塊中取得巖樣。所取巖樣規(guī)格為直徑5cm、高10cm的圓柱體。制備5組試樣，每組3塊，共15件。

觀察確定所取試件巖樣均屬于砂巖，其節(jié)理發(fā)育情況不僅相同。試驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行分組編號(hào)為1～5(表1)。

表1 化石試塊參數(shù)

試件的凍融循環(huán)：取2～5組進(jìn)行飽和處理后放入冰箱內(nèi)冷凍4h，然后取出注入水浸沒試件4h，即為一個(gè)循環(huán)，根據(jù)工程需要及試驗(yàn)要求分別對(duì)2～5組進(jìn)行10次、20次、30次、40次凍融循環(huán)。凍融循環(huán)結(jié)束后，從水中取出試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(凍融循環(huán)暫停時(shí)需將試塊放入0～2℃的空氣中保存,圖1)

圖1 試塊的凍融

安裝試件、加載，如圖2所示。

將上述4組樣件每次凍融循環(huán)試驗(yàn)前后特別是將第4組試樣置于流變儀內(nèi)，使之均勻受載，然后以每秒0.5～1.0MPa的加載速度加荷，直至試樣破壞，記下破壞(最大)荷載(P)。

圖2 巖樣的壓載過程

對(duì)試樣破壞后的形態(tài)進(jìn)行描述，并記錄有關(guān)數(shù)據(jù)(表2)。

表2 化石試樣單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)記錄

將制備的5組試樣巖石的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算值保留2位有效數(shù)字。

1.2 影響巖石單軸抗壓強(qiáng)度的因素

影響巖石的抗壓強(qiáng)度內(nèi)在因素主要有以下幾個(gè)方面：①結(jié)晶程度和顆粒大小，結(jié)晶巖石比非結(jié)晶巖石強(qiáng)度高，細(xì)粒結(jié)晶的巖石比粗粒結(jié)晶的巖石強(qiáng)度高。②膠結(jié)情況，硅質(zhì)膠結(jié)的抗壓強(qiáng)度較高，石灰質(zhì)膠結(jié)的巖石抗壓強(qiáng)度較低，泥質(zhì)膠結(jié)的巖石抗壓強(qiáng)度最低。③礦物成分，不同礦物組成的巖石，具有不同的抗壓強(qiáng)度，這是由礦物本身的特點(diǎn)決定的。④水的作用，含水度越高，巖石抗壓強(qiáng)度越低。⑤容重的影響，不同容重的巖石有著不同的抗壓強(qiáng)度，化石密度越小，其抗壓張度越小，反之抗壓強(qiáng)度增大。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果，獲得了不同凍融循環(huán)次數(shù)后化石樣件的力學(xué)性能、變形性能、彈性模量及峰值變形模量等。

2.1 強(qiáng)度特性

先對(duì)凍融循環(huán)試驗(yàn)前的試件進(jìn)行抗壓測(cè)試，觀察巖石試件在單軸向壓力作用下的破壞情況。試驗(yàn)證明，破裂面與載荷軸線的夾角可近似為破壞角，這一結(jié)果與理論上的角度相符合(圖3)。

失重率是化石抗凍性的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),圖4表明在化石凍融初期,重量損失不甚明顯,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,重量損失率有所增加，在達(dá)到一定次數(shù)后重量損失明顯加快。

從圖5中可以看出,凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)化石抗壓強(qiáng)度的影響較為明顯,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,化石抗壓強(qiáng)度特性均呈下降趨勢(shì)。凍融循環(huán)10次以后尤為明顯,抗壓強(qiáng)度曲線有陡然下降的趨勢(shì)[14]。經(jīng)過40次凍融循環(huán)后，化石極限抗壓強(qiáng)度降低至初始強(qiáng)度的60%左右。

圖3 試件的破壞形態(tài)

圖4 化石質(zhì)量損失與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

圖5 化石抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

對(duì)恐龍化石來說，僅以凍融破壞抗壓強(qiáng)度降低和質(zhì)量損失率來作為評(píng)價(jià)指標(biāo)尚不全面，有時(shí)還應(yīng)結(jié)合彈性模量以及凍融產(chǎn)生的泥化掉塊作為化石破壞參考指標(biāo)，來進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線及變形性能

單軸受壓時(shí)峰值應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變小，而且隨著凍融次數(shù)的增加峰值應(yīng)變下降幅度增大(圖6)。

圖6 極限應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

試件在單軸壓縮條件下經(jīng)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線如圖7所示：

圖7 各組試塊應(yīng)力-應(yīng)變曲線

隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸扁平，峰值點(diǎn)位置明顯下降和左移，說明化石極限壓應(yīng)力逐漸降低與其相應(yīng)的應(yīng)變值也在減??；并且可以從圖7看出彈性模量在凍融循環(huán)后再降低。含節(jié)理試塊在破壞過程中出現(xiàn)應(yīng)力不變應(yīng)變?cè)黾拥默F(xiàn)象，此現(xiàn)象推測(cè)為結(jié)構(gòu)面(節(jié)理處)達(dá)到屈服，結(jié)構(gòu)面材料發(fā)生蠕變流動(dòng)。

凍融過程中巖樣的破壞：凍融循環(huán)后巖塊的節(jié)理發(fā)育，而近乎垂直于軸線的節(jié)理較多(圖8)。

圖8 凍融循環(huán)后節(jié)理的發(fā)育

在凍融循環(huán)后相應(yīng)的恐龍化石會(huì)出現(xiàn)泥化，掉塊等現(xiàn)象，并且隨著次數(shù)的增加節(jié)理數(shù)會(huì)增加，多次凍融循環(huán)后表面變得酥松，表面會(huì)出現(xiàn)一層泥狀物。

凍融循環(huán)后，試塊抗壓強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變都出現(xiàn)降低，而且隨著凍融次數(shù)的增加，這些現(xiàn)象更為明顯。

將化石試件進(jìn)行凍融循環(huán)，觀察試件的泥化等風(fēng)化現(xiàn)象。經(jīng)過凍融后的化石樣本出現(xiàn)了質(zhì)量損失及掉塊、泥化等現(xiàn)象，并且樣本的掉塊現(xiàn)象較嚴(yán)重(圖9)。

圖9 凍融循環(huán)后化石的泥化掉塊

3 結(jié)論

(1)凍融循環(huán)試驗(yàn)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(chǎng)看到的化石表面出現(xiàn)橫向裂紋一樣。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是水和溫度的共同作用所導(dǎo)致。

(2)試驗(yàn)證明凍融循環(huán)會(huì)降低圍巖的強(qiáng)度、彈性模量等，多次凍融循環(huán)后圍巖、化石出現(xiàn)質(zhì)重?fù)p失、泥化、掉塊等現(xiàn)象；巖石的彈性模量、內(nèi)聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而依次減小。

(3)巖石抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加總體上呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，起初凍融循環(huán)使巖石抗壓強(qiáng)度降低幅度較大，而向后降低幅度變緩。