影响恐龙化石及围岩风化破坏的主要因素及风化机理研究

张尚坤，于学峰，贾超，杜圣贤，宋香锁，刘凤臣，陈军，陈文芳

(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)

近几年，山东、四川、云南、贵州、甘肃、内蒙等地陆续发现了多处大型恐龙化石产地，发掘出了数量众多的恐龙化石，从而引起了各界广泛关注，对出土的化石也分别采取了相应的保护措施，有的还修建了保护场馆和配套的旅游设施。但是，由于对影响恐龙化石风化破坏的主要因素及风化机理研究不够深入，所采取的保护措施针对性不强，致使挖掘出的恐龙化石很快遭受风化破坏，特别是有的原地保护的化石，更是在短短的数年间便面目全非。为此，开展系统研究，明确影响恐龙化石及围岩风化破坏的主要因素及作用机理，对制定有针对性的保护措施，更好地保护这一珍贵资源具有重要意义。

1 影响恐龙化石及围岩风化的内部因素

化石或围岩自身的化学成分、矿物组成、胶结物的种类、结构、构造等内部因素决定了恐龙化石或围岩抵御外来风化破坏因素的能力。

1.1 恐龙化石及围岩的矿物成分及化学成分对风化破坏的影响

目前已发现的恐龙化石主要埋藏在中生代湖滨相、河流相、泥石流相的紫灰色、灰色、黄绿色砂岩、粉砂岩、泥岩中[1-5]，根据X射线衍射实验得知：恐龙骨骼化石的主要矿物成分是磷灰石和方解石及少量的石英，化学成分为CaCO3、Ca5[PO4]3F和SiO2(图1、表1)。围岩的主要矿物成分为长石、石英、粘土、方解石和部分有机质，化学成分为SiO2、Al2O3、CaCO3、K2O、Na2O等[6-7]。邓建国等[8]在研究自贡地区恐龙骨骼化石及围岩特征时发现：恐龙化石和围岩中虽然都含有较多的碳酸盐，但二者中的碳酸盐与其他成分的结合状态有明显的差异：在围岩中碳酸盐和石英以分散状态结合，而在恐龙化石中方解石则填充在由磷灰石构成骨质格架之间的孔隙中。由于碳酸盐容易受到酸的侵蚀，因此已出土的恐龙化石及围岩的自然风化现象较为严重，尤其是围岩，因碳酸盐和石英以分散状态结合，其风化破坏最为明显，而恐龙化石中的碳酸钙因磷灰石骨架的保护作用，风化则相对较慢。

主要物相：■—CaCO3(方解石)质量百分比：33%；▲—Ca5[PO4]3F(磷灰石)质量百分比：65%；●—а-SiO2(а-石英)质量百分比：2%图1 恐龙骨骼化石(诸城)X射线衍射图谱

表1 恐龙骨骼化石成分X射线衍射实验鉴定成果(诸城)

注：样品分析由山东省分析测试中心完成,2013年。

碳酸钙的风化之所以速度快，是由其自身的化学性质决定的，其反应式为：

CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2→CaCO3+CO2+H2O

恐龙化石或围岩中的方解石由原来坚硬不溶于水的CaCO3状态，风化成可溶于水的Ca(HCO3)2，而形成的Ca(HCO3)2又极易分解成CaCO3呈粉末附着在化石表面，这些粉末附着力很小，稍受外力即可破碎脱落[9-10]。

1.2 恐龙化石及围岩的胶结物对风化破坏的影响

胶结物的组成成分是恐龙化石及围岩的抗风化破坏能力的重要因素，以硅质为胶结物的恐龙化石或围岩一般抗风化能力较强，不易发生风化破坏，而以泥质为胶结物的恐龙化石或围岩则抗风化能力较差，这是因为泥质胶结物中高岭土、伊利石、绿泥石、水云母等矿物在风化作用过程中容易发生膨胀，导致化石或围岩因胀应力而发生破裂。此外泥质物易随水流失，使恐龙化石或围岩中的孔隙增大而变得疏松，导致抵御外界因素破坏的能力变差[9-10]。钙质和铁质胶结材料则介于硅质和泥质之间。通过分析恐龙化石及围岩胶结物成分以钙质、铁质为主，故其较易风化破坏。

1.3 恐龙化石及围岩的结构对风化破坏的影响

恐龙化石及围岩矿物颗粒间隙越大，结构就越疏松(图2)，其对外界有害气体、雨水、溶盐、尘埃的吸附力越强，风化破坏速度也就越快。

图2 显微镜下恐龙骨骼化石照片(诸城)

1.4 恐龙化石及围岩的软弱结构面对风化破坏的影响

恐龙化石和围岩中的软弱结构面主要包括构造裂隙、层面裂隙、卸荷裂隙和风化裂隙。它们的存在导致化石或围岩抗风化能力降低，且在不同方向上抗风化能力具明显差异性。

(1)构造裂隙

构造裂隙会削弱恐龙化石和围岩的整体强度。构造裂隙是渗流的主要通道，极有利于降雨渗入岩体，同时也是地下水的主要储存空间和运移通道[11]。地下水通过构造裂隙运移，并在岩体表面渗出，形成严重渗水病害，加速恐龙化石和围岩破坏。

(2)层面裂隙

层面裂隙发育程度和分布状况对恐龙化石和围岩风化破坏具有重要的影响，层面裂隙与构造裂隙具交叉分布，从整体上控制了化石和围岩的风化破坏强度、渗水作用方向和危害程度[11]。层面裂隙发育导致恐龙化石或围岩表面破碎，从而加速了表面风化。

(3)卸荷裂隙

主要发生在恐龙化石挖掘过程中。开挖面上的化石和围岩由于受到机械扰动和应力释放作用，会产生一定的卸载裂隙。虽然卸荷裂隙规模较小，无一定方向，但当与层面裂隙交叉时，会在化石和围岩的表面形成形状各异的片状脱离体，这些片状脱离体若受到外力作用，就会风化脱落，加重风化破坏向深度发展。当水分沿这些裂隙活动时，则易形成渗水病害。

(4)风化裂隙

风化裂隙多与前几种裂隙具有继承性，也有部分风化裂隙是在表生风化作用下独立产生的。它们相互贯通，构成网络，是地下水的主要运移通道和储存场所，参与形成渗水病害。

2 影响诸城地区恐龙化石及围岩风化的外部因素

生物活动、气温的反复变化以及各种水溶液和气体的侵蚀等外部因素，是促使恐龙化石或围岩发生风化破坏的最直接的原因。这些风化包括物理风化、化学风化和生物风化。它们使组成化石或围岩的矿物成分发生分解、结构构造发生变化，使化石或围岩由整块变成碎块，由坚硬变得疏松，甚至化学成分也发生改变，从而造成了化石或围岩的风化破坏。

2.1 恐龙化石及围岩的物理风化

恐龙化石和围岩遭受的物理风化主要是因气候和温度的变化。由水、风、盐等参与引起的冰劈、盐劈、冲刷、刮削、胀缩等机械破坏作用，是导致化石或围岩风化破坏的最强烈、最直接的外部因素。

2.1.1 水对恐龙化石及围岩物理风化的影响

(1)渗水对恐龙化石及围岩的风化破坏

恐龙化石及围岩的风化破坏与渗水病害有直接关系。渗水破坏是通过微弱渗流以不同形态、不同方式、缓慢地、周期性地作用于化石及围岩而形成的，其作用机理较复杂。其破坏作用主要包括3方面：①浸湿软化围岩和化石，削弱其力学强度；②机械潜蚀和化学潜蚀；③渗流沉淀物的间接破坏作用，包括结晶性侵蚀、分解性侵蚀和有机质分解破坏等[11]。

(2)水的结冰—融化—结冰对恐龙化石及围岩的风化破坏

恐龙化石和围岩中的水遇到低温结冰时，体积会增大1/11，由此产生的膨胀力也相当大。据测算：1g水结冰时，1cm2的膨胀力可达960kg[10,12]。这种由水结冰膨胀导致的冰劈作用会使化石和围岩在冬季产生裂隙。当温度升高后，冰发生融化，压力消失，裂隙会产生收缩力，同样会使化石或围岩产生破坏。水反复结冰—融化，体积不断涨缩，导致化石及其围岩的裂隙不断加大，从而充填更多水分，下次结冰时产生更大的膨胀力，使化石或围岩遭受更大的风化破坏。特别是当恐龙化石与其围岩的矿物组成不一样时，它们之间势必因膨胀系数不同而产生一定的应力差[13]，这种差应力与胀缩力相互作用，致使化石的破坏更加剧烈。

恐龙化石或围岩从内向外致密性逐步降低，故表面水的渗透也呈内少外多的梯级分布，从而导致化石力学强度从内到外明显下降。实验表明，化石在饱水状态下力学强度只有干燥时的一半左右，说明水对恐龙化石强度影响相当大。

(4)降水对化石及围岩的机械破坏

若没有防护工程，降雨在发掘出的恐龙化石及其围岩的表面反复冲刷，使部分已风化变异的物质被携走，雨水灌入风化裂隙又将对隙壁产生机械和化学潜蚀。特别是降雨量大，降雨集中的地区，这种破坏作用更甚，长此以往，会使化石和围岩的表面出现冲刷沟槽。常年降水的地区，恐龙化石或围岩长时间浸泡在水中，会使恐龙化石或围岩的结构变得疏松，机械强度下降，从而易造成风化破坏。特别是有结冰期的地区，化石或围岩富含水分，一旦结冰，冰劈作用会加速恐龙化石或围岩的风化破坏。

2.1.2 风对恐龙化石及围岩物理风化的影响

裸露于地表或发掘后的恐龙化石和围岩不可避免的要遭受风的破坏作用。风的破坏主要是剥蚀作用，一般10级风可产生的压力约为666.6～799Pa。风会剥落化石及围岩表面的疏松颗粒，使风化作用进一步向纵深发展。同时，雨雾借助风力刮到不能直接降落的部位，加强和扩大了雨水破坏作用[11]。

2.1.3 空隙中溶盐的结晶与潮解对恐龙化石及围岩物理风化的影响

恐龙化石及其围岩空隙中的溶盐随着温度、湿度的变化，发生结晶与溶解，由此产生的膨胀、收缩力对化石和围岩产生破坏作用。当温度下降，湿度增大时，空隙中的盐分从空气中吸收水分变成盐溶液，渗入到恐龙化石或围岩的内部，并将沿途的盐溶解；而温度升高，湿度降低时，恐龙化石或围岩空隙中的水分蒸发，盐分浓度增大，达到饱和时，盐分结晶析出[8]。盐分结晶生长会导致体积膨大，从而产生膨胀力，使恐龙化石或围岩产生新的裂隙，这种破坏作用与冰劈类似，被称为盐劈。如此反复进行，新的裂隙不断产生、扩大，最终导致了化石表层呈现大量裂缝。

云南是一个多山的省份，但由于盆地、河谷、丘陵，低山、中山、高山、山原、高原相间分布，各类地貌之间条件差异大，类型多样复杂。全省土地面积按地形划分，山地占84%，高原、丘陵约占10%，坝子(盆地、河谷)仅占6%。境内径流面积在100 km2以上的河流889条，分属长江、珠江、红河、澜沧江、怒江、伊洛瓦底江6大水系，另有滇池、洱海等30个高原湖泊，因此，云南省水资源总量丰富。但由于时空分布等原因,云南省岩溶石山地区占全省国土面积的28.14%，地表水渗漏严重，与全国形势一样，同样面临着严重的水资源挑战，因此，对稻资源耐旱性多样性的研究及优异耐旱稻资源的筛选可促进云南节水农业的发展。

2.1.4 温度对恐龙化石及围岩物理风化的影响

裸露于地表或发掘后的恐龙化石及围岩受外界温度变化的影响，表面温度与内部温度会发生不一致的变化，从而导致表面与内部发生程度不同的收缩或膨胀，由此可产生一定的差应力，当化石或围岩不能适应这个差应力时，就将产生裂隙。循环往复，裂隙不断扩大，导致化石或围岩风化破坏。露天的化石或围岩白天受烈日暴晒，表面受热膨胀，而内部则受到的影响较小；夜晚表面又比内部冷却的更快，收缩的也更快，由此引起的不均匀膨胀，会使化石产生裂隙和表面片状剥落[8,14-17]，使化石遭到破坏。而处于恒温、恒湿环境的化石则受温度影响较小。此外，温度升高还会加速化学腐蚀的进行，降低化石或围岩的内部结构强度，进而加速了恐龙化石风化破坏的速度。

2.2 恐龙化石及围岩的化学风化

随着工业的发展和人口迅速增长，大量的有害气体排入大气中，造成严重的环境污染，据联合国环境卫生署统计，全世界每年有10亿吨以上有害气体排入大气中[8,18-19]，而且这种趋势是有增无减，这些有害气体不仅仅危害人类健康，还使包括化石在内的各种岩石遭到不同程度的有害气体侵蚀。而化学风化对恐龙化石或围岩的危害主要表现在化石表面及其裂隙内部的水(包括裂隙水、孔隙水、毛细水等)与大气中的O2，CO2，NO2，SO2等发生反应，形成酸，酸使矿物中的K+，Na+，Ca2+，Mg2+等离子溶解移动或交换[20-21]。随着这些离子的析出，化石或围岩的空隙会增多、增大，吸水率也随之升高，从而导致化石或围岩体积膨胀，机械强度降低，造成风化破坏。

2.2.1 空气中氮、硫、碳氧化物对化石的腐蚀

空气中的有害气体主要包括NO，CO，NO2，CO2，SO2，N2O5，SO3等。这些氧化物气体易在恐龙化石或围岩表面遇到空气中的水分而形成无机酸。

NO+O2(空气中)→NO2

(1)

NO2+H2O→HNO3

(2)

SO2+H2O→H2SO3→H2SO4

(3)

SO3+H2O→H2SO4

(4)

CO+O2(空气中)→CO2

(5)

CO2+H2O→H2CO3

(6)

(1)～(6)式中形成的无机酸对恐龙化石及其围岩的腐蚀是十分严重的，特别是对以方解石为主要矿物成分的恐龙化石或围岩的腐蚀尤为严重，从而遭受强烈的风化破坏。其风化机理是[21-24]:

①SO2，SO3使恐龙化石风化的机理如(7)～(8)式所示:

CaCO3+SO2+H2O→CaSO3→CaSO4·2H2O

(7)

CaCO3+SO3+2H2O→CaSO4·2H2O+CO2↑

(8)

硫酸钙不仅溶解度大，而且能产生水合作用，这导致化石或围岩机械强度降低。

②CO，CO2使恐龙化石风化的机理如(9)式所示:

CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2

(9)

一氧化碳遇氧气即氧化为二氧化碳，二氧化碳和水共同作用，使化石或围岩中的难溶盐CaCO3转化为易溶盐Ca(HCO3)2。干燥时，溶入水的Ca(HCO3)2结晶析出，裂隙中晶体析出过程产生的压力使化石开裂产生裂隙；受潮时Ca(HCO3)2晶粒又重新溶解，如此长期反复变化，使化石不断遭受风化破坏。

③NO，NO2使化石风化的机理如(10)式所示:

CaCO3+2HNO3→Ca(NO3)2+H2O+CO2↑

(10)

NO在空气中遇氧很快变成NO2，NO2与空气中的水结合则产生腐蚀性很强的硝酸，硝酸若与恐龙化石或围岩接触，不溶于水的CaCO3与硝酸发生化学反应，形成可溶性的硝酸钙随水流失，从而使化石风化破坏。

2.2.2 空气中有害氢化物气体对恐龙化石的腐蚀

空气中有害氢化物主要来自工业废气和汽车尾气，特别是氯碱化工，其生产过程中可产生大量的HCl。HCl在化石或围岩表面反复发生化学反应，形成易溶于水的CaCl2。从而使化石表层脱落、剥蚀。

氯化氢使恐龙化石风化的机理如(11)式所示:

CaCO3+2HCl→CaCl2+H2O+CO2↑

(11)

2.2.3 空气中颗粒悬浮物对化石的侵蚀

空气中颗粒悬浮物成分十分复杂，来源很广，主要有：酸、碱、盐等的固体粉末；NO2，SO2，SO3等与水及金属氧化物作用生成的次生盐类；燃料燃烧产生的各种有机化合物—烟尘[9]；尘埃等。这些颗粒悬浮物降落在化石表面，一旦遇到潮湿空气，可溶性的酸、碱、盐就会使化石表层受腐蚀而风化、剥落。

2.2.4 溶盐对化石的化学破坏

溶盐对化石的破坏既严重又复杂，是一种典型的物理化学反应。可溶性盐随地下水或地表水深入化石或围岩中，在化石或围岩内部发生化学反应或结晶膨胀，使化石或围岩风化破坏。此外，受外界水和酸性气体的影响，难溶性盐可转化成易溶性盐，易溶盐随水流失，加速了化石的风化。

2.2.5 酸雨、酸雾对化石的化学溶蚀破坏

酸雨、酸雾接触到恐龙化石和围岩，会产生较强的破坏作用。特别是含钙较高的化石或围岩对酸雨更敏感，在酸雨淋蚀岩石的过程中，带入侵蚀性HNO3，HSO4，H2CO3等氧化剂，促使碳酸盐、硫酸盐分解，形成可溶性盐，使化石或围岩变松、变软。

2.3 恐龙化石及其围岩的生物风化破坏

地球上存在着大量的、各种各样的生物，这些生物生长在地球表面的各个角落，包括空气中、水中以及发掘后化石的裂隙中。导致恐龙化石及其围岩破坏的生物主要有2大类:一类是地衣、细菌、真菌等微生物；二是植物、苔藓、昆虫及哺乳动物等较高级的生物。这些生物在化石及其围岩表面或表层空隙中生长、代谢、活动与死亡的整个生命过程中都直接或间接地侵蚀破坏恐龙化石及围岩。生物的风化破坏作用尽管较为缓慢，但长期作用的累积效应仍不可低估。据估计，地球上约有三分之一的岩石表层腐蚀是生物作用的结果。但因受气候因素影响，不同的地区生物繁殖的种类、数量和繁殖速度是不相同的，由此产生的风化破坏也有显著的区别。气候温暖湿润的地区生物种类多、繁殖快、活动频率高，产生的生物风化作用就强。

2.3.1 植物根系对恐龙化石或围岩的风化破坏

植物根系对恐龙化石或围岩的风化破坏，又称根劈作用。潜入恐龙化石及围岩缝隙中的植物的根系随植物的生长而日益壮大，其对恐龙化石或围岩裂隙的胀应力也随之逐渐增大，从而导致裂隙不断发展，造成严重的机械破坏。地表水也会携带着土壤中的可溶盐，沿着植物根系慢慢渗到化石或围岩中。当水分蒸发或运移时，溶盐在化石或围岩中迁入迁出或结晶析出，导致化石或围岩成分、结构发生变化，加速了化石的化学风化及物理风化。

2.3.2 菌类微生物及低等植物对恐龙化石或围岩的风化破坏

在气候适宜的地区，特别是温暖潮湿环境中的恐龙化石或围岩的表面(或表层)多有菌类及低等植物的共生复合体生长繁殖。菌类(特别是霉菌)和一些低等植物的生长繁殖，会产生酸解作用和络解作用，其结果是受作用的恐龙化石或围岩被分解成含有腐植质的松散土壤。微生物酸解作用主要表现为岩石中矿物元素以离子形式从岩石中溶出的过程，微生物的络解作用是微生物在生命过程中形成上面所述的各种有机酸，这些酸作为配体与Ca2+，Mg2+等离子形成络合物并从岩石中溶出[9]，从而使恐龙化石或围岩遭到破坏。

2.3.3 昆虫及哺乳动物等高等生物对恐龙化石或围岩的风化破坏

昆虫及哺乳动物等高等生物在恐龙化石或围岩上生活、活动时，会导致化石或围岩因踩踏、钻穴等而遭受破坏。他们留在化石或围岩表面的排泄物富含各类化学物质，对化石或围岩具有较强的腐蚀作用。另外，人类的各种生产活动，对恐龙化石和围岩造成的剧烈破坏也是不容忽视的。

3 结论

导致恐龙化石及其围岩风化破坏的因素包括内因和外因，外因是直接因素，内因则反映了恐龙化石或围岩抵御风化破坏的能力。同等外因作用下，物理化学性质稳定的化石或围岩抗风化能力强，就不易发生风化破坏。同样的化石或围岩受到不同的外因影响，也会产生不同的破坏作用。因此，不同恐龙化石产地采取保护措施时，应根据恐龙化石自身的状况和当地的气候条件、地理要素、经济社会发展状况等，筛选出可能导致恐龙化石或围岩风化破坏的主要因素，然后有针对性地采取措施予以保护。南方温湿地区应以防渗水、防酸雨、防生物破坏为重点；北方干冷地区则重点是防冰冻、防风沙、防潮、防溶盐等，当然，防止突然降水引起的冲刷也十分重要。对于四季分明、降水集中的过渡地带，造成恐龙化石风化破坏的因素十分复杂，因此采取保护措施时，也要因地制宜，既要考虑防渗、防潮、防酸雨、防生物破坏，又要考虑防冰冻、防溶盐等。