阳光直射、室内遮阴和涂保护层对恐龙化石风化影响的模拟研究

刘凤臣，张尚坤，田京祥，贾超，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)

恐龙化石作为一种独特的自然资源，如今正逐渐被赋予多元化的价值取向，融入到现代社会中来，成为一种文化。然而，恐龙化石从被埋藏的地层中发掘出来后，却面临着遭受自然风化的风险。其中，温度变化应该是造成化石及其围岩风化的主要因素[1]。因此，对恐龙化石的保护工作，不仅从古生物化石资源保护规划角度出发[2-8]，还应从恐龙化石内部微细特征[9-10]、恐龙化石风化机理[11-12]以及恐龙化石防护材料的研制[13-16]等各方面进行探索和研究，这对广大的古生物学者和其他学科(热力学、材料化学等)的科研工作者显得尤为重要，需要多学科的交叉融合，开展合作。该文利用数值模型分析的手段，针对化石及其围岩对温度的敏感性进行分析研究。

1 恐龙化石风化破坏现状

作者先后多次到诸城恐龙国家地质公园[17]进行实地考察，分别对阳光直射、室内遮阴和化石表面涂保护层三种不同条件下受热情况的化石进行了研究。在诸城恐龙地质公园化石隆起带露天现场发现，恐龙化石及围岩在露天阳光直射作用条件下，自然风化现象非常严重，许多恐龙骨骼化石已经遭受风化而破碎(图1a)。在公园龙立方博物馆内，未涂保护层但属于室内遮阴条件下的恐龙化石，也发生了较严重风化现象，可以清晰见到化石表面已经出现了大小不等的多条裂缝(图1b)。同样在龙立方博物馆内，化石表面涂保护层且属于室内遮阴条件下的恐龙化石，风化程度较轻(图1c和图1d)。

经了解，化石表面所涂保护层为环氧树脂石材封闭胶，以起到加固化石和隔热、防水的作用，减缓化石的自然风化。

a—阳光直射；b—室内遮阴，未涂保护层；c、d—室内遮阴，涂保护层图1 恐龙化石不同受热情况风化现状

2 数值模型建立

由于化石埋藏深度不同，化石表面受外界温度变化影响不同，所遭受的风化程度也就不同[1]。该次试验模拟采用与岩层面平行保存的化石，其中二分之一已暴露、二分之一被埋藏的模型，针对化石及其围岩对温度的敏感性进行分析研究，进行模型建造(图2)。首先，将恐龙骨骼化石进行模型简化为圆柱状，其余部分为围岩。同时综合考虑化石横向和纵向两种情况下的分析结果，分别为恐龙化石的柱体纵切面(图2a)和恐龙化石的圆形断面(图2b)，两者其他条件均相同。

a—恐龙化石柱体纵切面；b—恐龙化石圆形断面图2 数值模型

2.1 阳光直射

在阳光直射条件下，当外界温度变化1h后，恐龙化石及围岩内部温度梯度如图3所示。

从图3中可以看出，恐龙化石截面形状不同，同在阳光直射条件下，图3a与图3b显示化石及围岩最大温度梯度相近，温度梯度的分布规律相同。

2.2 室内遮阴且未涂保护层

在室内遮阴条件下，当外界温度变化1h后，恐龙化石及围岩内部温度梯度如图4所示。

从图4中可以看出，恐龙化石截面形状不同，同为室内遮阴条件下，图4a与图4b显示化石及围岩最大温度梯度相近，温度梯度的分布规律相同。

2.3 室内遮阴且化石表面涂保护层

在室内遮阴且化石表面涂保护层条件下，当外界温度变化1h后，恐龙化石及围岩内部温度梯度如图5所示。

a—恐龙化石柱体纵切面；b—恐龙化石圆形断面图3 阳光直射条件下温度梯度分布图

a—恐龙化石柱体纵切面；b—恐龙化石圆形断面图4 室内遮阴且未涂保护层条件下温度梯度分布图

a—恐龙化石柱体纵切面；b—恐龙化石圆形断面图5 室内遮阴且涂保护层条件下温度梯度分布图

从图5中可以看出，恐龙化石截面形状不同，同为室内遮阴且化石表面涂保护层条件下，图5a与图5b显示化石及围岩最大温度梯度相近，温度梯度的分布规律相同。但是，两种情况下都显示化石部分的温度梯度与围岩部分的温度梯度差较大。

3 数值模型结果分析

(1)在其他条件均相同，恐龙化石截面形状不同时，无论是阳光直射、室内遮阴还是化石表面涂保护层，温度梯度的分布规律是相同的；

(2)相同受热情况下，化石截面形状不同时，化石及围岩最大温度梯度都相近；

(3)由纵向对比图形可以发现，阳光直射时温度梯度及由温度梯度产生的温度应力都远远大于在室内遮阴和涂保护层两种情况下的温度梯度及由温度梯度产生的温度应力；

(4)室内遮阴与涂保护层两种情况对比可以发现，不涂保护层时，化石部分温度梯度大于涂保护层时温度梯度，而围岩部分由于无保护层，温度梯度两者几乎相同，这就导致了不涂保护层时由温度梯度产生的温度应力大于涂保护层时产生的温度应力；

(5)化石涂保护层后，化石和围岩相互作用而产生的应力就会增大，由图5可以明显看出，化石和围岩的温度梯度相差较大，这就会导致化石与围岩接触处会由于两者的相互作用而产生应力和变形。

4 结论

化石在各种不同受热情况下，会产生不同的温度梯度与温度压力，都对化石造成不同程度的风化破坏，对化石进行室内保存和涂防护材料能更大程度上降低对化石的风化破坏，以保护化石的完整性。

然而，从古生物化石保护工作实践中可知，不同材质的防护材料其保护效果不同，传统的恐龙化石防护材料需要进一步改进，在新型恐龙化石防护材料的研制方面应进行积极的探索和尝试，以开发出更加理想的防护材料，最大程度地保护好宝贵的恐龙化石资源。