干湿循环对恐龙化石力学性质影响研究

宋香锁，贾超,张尚坤,杜圣贤,罗文强，杨斌

(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)

0 引言

近几年，随着越来越多的恐龙化石和恐龙属种被发现,中国的恐龙研究已成为当今古生物学领域研究的主流[1-4]，恐龙化石对研究地球演化、生物进化、古环境再造等有重要的科学价值[5-8]，古生物学家能够通过先进仪器对遭受不同破坏的化石内部进行观察，从而可以发现过去肉眼不能观察到的内部细微构造变化。

山东是中国发现恐龙化石最多的省份之一，主要产地有诸城、菜阳、临沭、莒南等。随着经济社会的发展和旅游开发的需要，多年来对恐龙化石的不断发掘[9-10]，恐龙化石及遗迹的保护日益显得紧迫和重要[11-13]。该文通过干湿循环和膨胀试验，研究水对化石风化的影响[14-16]，为化石的保护提供了重要的理论和实施保护工程的实际意义。

1 干湿循环试验

试验所用的岩样主要取自诸城恐龙化石产地，样件为恐龙化石和与化石性质相类似的围岩。

该观察试验用岩样是通过钻、切、磨等工序加工而成，其规格为直径50mm，高100mm的圆柱体，要求两端面平行度≤0.002mm，表面平整度≤0.1mm/100mm。

1.1 试验过程

试验岩样分为5组，每组3个试件，并测定出每个试件的直径和高度。

将试件放入烘箱进行烘干，时间达12h，温度达60℃，然后取出冷却后再放入水中浸泡12h，即称为完成1次干湿循环。图1是烘干所用仪器。

图1 化石试样的烘干和加湿用设备

按照上述程序对1～5组试件先后分别进行了1,5,10,15,20次干湿循环。浸泡12h后测得砂岩的含水率为2.12%。试件循环次数达到后，将试件取出用保鲜膜包好，以防水分蒸发。将准备好的试件拿到三轴流变仪进行单轴压缩试验，试验时采用荷载控制，加载速度为0.1kN/min。试验中采集轴向力、轴向应变、横向应变、时间等参数(图2)。

图2 化石试块破坏过程

1.2 试验数据

通过使用岩石力学流变仪测定并获得了化石在干湿循环条件下的变形与力学特性，试验测得数据如表1。

表1 恐龙化石试样干湿循环后单轴抗压强度试验记录

由表1所获得的试验参数做出相关数据。通过分析，由所得数据可得出如下结论：岩石应力应变全过程曲线可分为4个阶段：即初始压密阶段、弹性阶段、应变硬化阶段和应变软化阶段；随干湿循环次数的增加，试件的变形增大；干湿循环作用下，岩石的单轴抗压强度、弹性模量随循环次数增多而减小。

1.3 试验结果分析

干湿循环条件下砂岩的单轴压缩试验后试件的破坏形式有剪切破坏和劈裂破坏，其力学特性如图3～图5所示。

图3 干湿循环次数抗压强度关系曲线

图4 干湿循环与弹性模量的关系

图5 干湿循环与破坏时间关系曲线

从图6、图7可以看出，随干湿循环次数增加，试件的变形增大，峰值点对应的横向应变、轴向应变增大，其原因源于水的软化作用和干湿循环对岩石的风化作用。随着干湿循环次数的增多，岩样的抗压强度增大，弹性模量变小，破坏所需时间变长[10]。

图6 干湿循环与峰值应变关系曲线

图7 干湿循环与峰值应变关系曲线

从图7可以看出干湿循环次数对岩石力学特性的影响很明显，其原因是在干燥过程中，温度作用使试件产生轴向与径向膨胀，岩石结构发生微小的变化。在水浸泡过程中，水从试件表面的裂隙、孔隙进入岩石内部，润湿了岩石的矿物颗粒，水分子作用软化了岩石的物理状态，削弱了颗粒之间的联系，使得力学参数降低，破坏时间变长[17]。

2 化石及围岩的膨胀试验

针对诸城恐龙涧采集到的恐龙化石和围岩，应用岩石膨胀测量仪，对其进行了力学特性试验，进一步探讨了围岩和化石膨胀力与吸水率的相关性，继而研究化石膨胀力与膨胀变形的规律。

2.1 试验过程

将现场取回的岩石经过钻、切、磨等工序打磨成为直径为50mm、高为50mm的圆柱体，要求两端面平行度小于等于0．002mm，表面平整度≤0．1mm/50mm。制成4个化石及4个围岩的试块，化石和围岩试块分别标记为Ⅰ和Ⅱ。利用岩石膨胀率和自由膨胀率测试仪，把试件竖直地置于试验盒内，并向试验盒内注满纯净水进行无荷载作用的自由膨胀试验，并测得岩石吸水后的轴向膨胀率。

自由膨胀试验是测定试样在不同泡水时间下岩石在侧向与径向的膨胀变形情况。在此过程中，试样一起处于充分吸水状态，不需要考虑水的补给情况。主要包括2个指标，即轴向自由膨胀率与径向自由膨胀率，这里只通过公式来计算轴向自由膨胀率：

式中:Vh为轴向自由膨胀率；Δh为轴向自由膨胀量；H为试样的高度(mm)。

在浸水膨胀试验过程中，膨胀变形随着吸水时间的延长而增大，但增长速率逐渐减小以至停止，膨胀应变量最终趋于稳定，符合岩石吸水膨胀理论。通过试验测得数据，并根据上面公式计算得到膨胀率(表2)。

表2 膨胀试验记录

2.2 试验结果分析

对于围岩和化石，在试验过程中使用的是纯净水，水中基本不含矿物离子，pH约为7，因此，在浸泡过程中可以认为水与矿物颗粒之间不可能发生化学反应，即不存在化学作用所产生的膨胀效应。在试验过程中，浸泡时间平均为120h。在时间不太长时，产生的膨胀应力没有超出裂缝的强度，不会使裂缝扩展。随着时间的增长，其膨胀变形增加速率变小，并趋于稳定。岩石的水—岩作用使得岩石内部黏结力降低，宏观上显示为岩石发生膨胀。

从试验数据中可以看出化石的膨胀率远大于围岩的膨胀率，保存在围岩中的化石，由于围岩与化石不均匀胀缩，导致化石的破裂等现象出现。并且在120h的水中化石较围岩泥化和掉块现象更加严重，有的化石出现开裂现象。

膨胀试验结束后，试样出现软化和泥化现象，并且试验后节理发育，样本表面细小颗粒掉落导致样本表面粗糙等(图8)。

图8 膨胀试验前后试件表面特征

3 结论

(1)随干湿循环次数增加，试件的变形增大，峰值点对应的横向应变、轴向应变增大，其原因源于水的软化作用和干湿循环对岩石的风化作用。干湿作用与冻融循环的长期共同作用不只会使试样强度降低，长久之后甚至使化石围岩基本软化，遇水或遇酸后使其变形、开裂、泥化等。

(2)膨胀试验结果表明化石的膨胀系数远大于围岩的膨胀系数，化石开挖暴露之后，受到各个因素的影响。在冻融及干湿情况下围岩和化石强度、弹性模量的降低，这都会对化石的保存造成负面影响，造成化石的破坏。

(3)干湿循环，膨胀试验后试样出现了近乎垂直于轴线的多条节理裂纹，这与在现场看到的化石表面出现横向裂纹一样。出现这种现象的原因主要是因为水和温度的共同作用导致的。

(4)试验表明化石中碳酸钙的含量远大于围岩，化石遇到酸性物质容易软化。同时通过试验证明化石的酸溶蚀作用大于围岩的溶蚀性，但水对围岩的破坏性比较大，尤其是经历过干湿等作用后的风化围岩，经过暴露后的化石，由于围岩的风化速度较快，化石更大面积的暴露，增加了与酸性溶液的接触几率；同时试验表明裂缝发育能促进溶蚀作用的进行，半风化和全风化的围岩遇到水和酸后，会变成碎块以至于泥化，因而保护围岩对于化石的保护也是十分重要的。

(5)试验结果分析得知，围岩的初始吸水率对其膨胀力有着强烈的影响，而对化石的膨胀作用较小。这一结果对于如何实施化石保护具有重要的参考价值，并提供科学依据。