埋深對恐龍化石的影響效果研究

陳誠，賈超，張尚坤，杜圣賢，羅文強，田京祥

(1.山東省地質科學研究院，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013;2.山東大學土建與水利學院，山東 濟南 250013)

0 引言

古生物化石是指地質歷史時期形成并賦存于地層中的古代生物的遺體和活動遺跡，是地球發展歷史的見證，它在古生態環境、古地理、古氣候等研究方面具有重要的科學價值。其中，恐龍化石是古生物化石中重要的研究對象之一。我國的恐龍化石資源豐富，除臺灣和福建外，其他省市都有恐龍化石的發現和記載，產出層位涵蓋了上三疊統至上白堊統，我國先后發現了眾多較大規模的的化石集群埋藏地[1]。已記述的恐龍化石計有129屬、164種[2]。

為了更好地保護和利用珍貴的恐龍化石資源，前人從宏觀保護和恐龍化石的微觀層面都進行了多方面的科學研究。在宏觀保護層面上，杜圣賢等[3-4]對恐龍化石保護工程進行了詳細科學分類，提出將古生物化石保護工程分為化石產地保護工程大類和化石標本保護工程大類兩大類的劃分方案，其下又分原產地自然狀態保護工程、原產地場館保護工程、采掘過程中化石標本保護工程及館藏化石標本保護工程四類。在恐龍化石防護材料方面，鄧建國等[5]、葉勇等[6]研制出新型的納米二氧化硅化石防護材料。在恐龍化石微觀層面，張尚坤等[7-8]通過物理因素測試及數值模型分析，認為影響恐龍化石風化的主要因素有溫度變化、水分、冷凍循環等。其中，恐龍化石不同部位的溫度差異，造成內部熱應力分布不均勻，進而引起恐龍化石發生熱破裂，加速了風化破損。杜圣賢等[9]從溫差的角度分析，認為在溫度變化過程中，恐龍化石與圍巖對溫度變化的響應存在差異。此外，相對于升溫，溫度降低對化石造成的損傷程度更大，特別是溫度降至冰點以后，損傷程度更大。在固體研究方面，由于巖石強度是巖石材料的重要力學性質，在不同應力狀態和環境下的破壞形式和破壞強度并不相同。前人對圍壓及不同固體的破壞力學性質進行了長時間的研究，主要集中在花崗巖巖體、冰體、頁巖、大理巖等方面[10-14]。然而埋深因素產生的側向壓力對恐龍化石的峰值強度、破壞特性的研究尚處于空白狀態，缺乏相關深入分析。因此，對國內廣泛分布在地層中的恐龍化石強度和破壞特性與圍壓間的關系研究，具有重要的理論意義和應用價值。

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地，產出世界上最大的鴨嘴恐龍化石骨架——“巨大諸城龍”，已發現的恐龍化石點多達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]。該文試驗研究所用的恐龍化石樣品采集于諸城化石產地(圖1)，對其恐龍骨骼進行三軸壓縮模擬試驗。通過圍壓的大小來模擬恐龍化石挖掘之前不同深度條件下的應力狀態，分析圍壓對恐龍化石強度的影響程度，以及在不同圍壓條件下產生破壞和變形差異性。

圖1 諸城恐龍化石野外分布情況

1 試驗方法

該文試驗所采用的儀器為三軸蠕變試驗機RLW-500微機，由長春市朝陽試驗儀器有限公司與山東大學共同研制(圖2)。RLW-500微機控制巖石三軸蠕變試驗機主要用于研究巖石在三向應力σ1，σ2，σ3作用下及σ1，σ2，σ3(σ2=σ3)保持恒定的條件下變形與時間的關系。通過鉆、切、磨等工序，將試驗樣品加工成直徑為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力影響，用巖體的單軸和三軸試驗來模擬側向壓力對恐龍化石峰值強度的影響。為了較準確地說明側向壓力對恐龍化石強度特性的影響，采用有限差分軟件FLAC3D進行數值模擬[20-21]，數值試驗擬研究不同埋深條件下的恐龍化石試件，應力釋放后的三軸壓縮變形特性。在進行數值模擬分析時，設計采用6種不同的工況對比試驗研究，具體情況如表1所示，主要考慮0m，5m，10m，15m，20m，25m及30m等埋深時的受力狀態和峰值強，相對應的圍壓分別為0 MPa，0.105MPa，0.21MPa，0.315MPa，0.42MPa，0.525MPa及0.63MPa。該構件模型采用Strain-Hardening/Softening Mohr-Coulomb 模型[22]，具體形狀如圖3所示，模型共計6144個單元，6897個節點。

圖2 三軸蠕變試驗機

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 數值計算模型

該文以摩爾-庫倫的破壞準則理論為指導，運用數值分析方法模擬分析不同埋深條件下的恐龍化石試件，在應力釋放后的三軸壓縮變形特性。試驗過程中，恐龍化石樣品的物理參數見表2。

表2 恐龍化石的物理特性

2 試驗結果與分析

根據三軸壓縮模擬試驗的計算結果就可以繪出化石的應力-應變關系曲線，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

當圍壓為0時，向試驗樣件施加軸向荷載，得到其應力應變曲線及泊松比曲線。圖4a和圖4b為試驗樣件在單向受壓時的應力-應變關系曲線，縱坐標是主應力差(σ1-σ3)，橫坐標分別為軸向應變和徑向應變。由圖可知化石僅在軸向壓力作用下時的峰值強度為16.85MPa，其應力應變曲線變化趨勢與巖石單軸試驗得到的應力應變曲線變化趨勢基本相同。圖4c為試驗樣品徑向應變與軸向應變關系曲線，縱坐標是徑向應變，橫坐標是軸向應變，其比值即泊松比。圖4d為試驗樣品在單向壓縮應力作用下的破壞形態，從圖中可知，在單向壓縮應力作用下，試驗樣品的破壞形態呈X形剪切破壞。模擬試驗顯示，在0～0.63MPa的側向壓力作用下，試驗樣品的破壞形態均為X形剪切破壞。單向壓力作用下，在彈性階段，試驗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，則其泊松比出現突變。

a—主應力差-軸向應變關系曲線；b—主應力差-徑向應變關系曲線；c—徑向應變-軸向應變關系曲線；d—恐龍化石的破壞形態圖4 圍壓為0的單軸試驗

2.2 不同圍壓的三軸試驗

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

圖5 不同圍壓下的應力-應變關系曲線

圍壓初始應力峰值應力殘余應力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 結論

(1)在單向壓縮應力作用下，恐龍化石的破壞形態均為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，則其泊松比出現突變。

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

(3)埋深所產生的側向應力是影響恐龍化石變形和強度特性的一個重要因素，對化石的峰值強度和殘余強度都有較大影響。當側向應力為0.63MPa時，恐龍化石的峰值強度和殘余強度比無側向應力分別大2.3MPa和1.68MPa。相對異地館藏、恐龍化石表面涂保護漆等方式，原產地保護是種經濟安全的保護方法。

致謝：感謝山東省地質科學研究院劉書才教授級高工對該文提出的寶貴的修改意見。