陽光直射、室內遮陰和涂保護層對恐龍化石風化影響的模擬研究

劉鳳臣，張尚坤，田京祥，賈超，陳軍，陳文芳

(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)

恐龍化石作為一種獨特的自然資源，如今正逐漸被賦予多元化的價值取向，融入到現代社會中來，成為一種文化。然而，恐龍化石從被埋藏的地層中發掘出來后，卻面臨著遭受自然風化的風險。其中，溫度變化應該是造成化石及其圍巖風化的主要因素[1]。因此，對恐龍化石的保護工作，不僅從古生物化石資源保護規劃角度出發[2-8]，還應從恐龍化石內部微細特征[9-10]、恐龍化石風化機理[11-12]以及恐龍化石防護材料的研制[13-16]等各方面進行探索和研究，這對廣大的古生物學者和其他學科(熱力學、材料化學等)的科研工作者顯得尤為重要，需要多學科的交叉融合，開展合作。該文利用數值模型分析的手段，針對化石及其圍巖對溫度的敏感性進行分析研究。

1 恐龍化石風化破壞現狀

作者先后多次到諸城恐龍國家地質公園[17]進行實地考察，分別對陽光直射、室內遮陰和化石表面涂保護層三種不同條件下受熱情況的化石進行了研究。在諸城恐龍地質公園化石隆起帶露天現場發現，恐龍化石及圍巖在露天陽光直射作用條件下，自然風化現象非常嚴重，許多恐龍骨骼化石已經遭受風化而破碎(圖1a)。在公園龍立方博物館內，未涂保護層但屬于室內遮陰條件下的恐龍化石，也發生了較嚴重風化現象，可以清晰見到化石表面已經出現了大小不等的多條裂縫(圖1b)。同樣在龍立方博物館內，化石表面涂保護層且屬于室內遮陰條件下的恐龍化石，風化程度較輕(圖1c和圖1d)。

經了解，化石表面所涂保護層為環氧樹脂石材封閉膠，以起到加固化石和隔熱、防水的作用，減緩化石的自然風化。

a—陽光直射；b—室內遮陰，未涂保護層；c、d—室內遮陰，涂保護層圖1 恐龍化石不同受熱情況風化現狀

2 數值模型建立

由于化石埋藏深度不同，化石表面受外界溫度變化影響不同，所遭受的風化程度也就不同[1]。該次試驗模擬采用與巖層面平行保存的化石，其中二分之一已暴露、二分之一被埋藏的模型，針對化石及其圍巖對溫度的敏感性進行分析研究，進行模型建造(圖2)。首先，將恐龍骨骼化石進行模型簡化為圓柱狀，其余部分為圍巖。同時綜合考慮化石橫向和縱向兩種情況下的分析結果，分別為恐龍化石的柱體縱切面(圖2a)和恐龍化石的圓形斷面(圖2b)，兩者其他條件均相同。

a—恐龍化石柱體縱切面；b—恐龍化石圓形斷面圖2 數值模型

2.1 陽光直射

在陽光直射條件下，當外界溫度變化1h后，恐龍化石及圍巖內部溫度梯度如圖3所示。

從圖3中可以看出，恐龍化石截面形狀不同，同在陽光直射條件下，圖3a與圖3b顯示化石及圍巖最大溫度梯度相近，溫度梯度的分布規律相同。

2.2 室內遮陰且未涂保護層

在室內遮陰條件下，當外界溫度變化1h后，恐龍化石及圍巖內部溫度梯度如圖4所示。

從圖4中可以看出，恐龍化石截面形狀不同，同為室內遮陰條件下，圖4a與圖4b顯示化石及圍巖最大溫度梯度相近，溫度梯度的分布規律相同。

2.3 室內遮陰且化石表面涂保護層

在室內遮陰且化石表面涂保護層條件下，當外界溫度變化1h后，恐龍化石及圍巖內部溫度梯度如圖5所示。

a—恐龍化石柱體縱切面；b—恐龍化石圓形斷面圖3 陽光直射條件下溫度梯度分布圖

a—恐龍化石柱體縱切面；b—恐龍化石圓形斷面圖4 室內遮陰且未涂保護層條件下溫度梯度分布圖

a—恐龍化石柱體縱切面；b—恐龍化石圓形斷面圖5 室內遮陰且涂保護層條件下溫度梯度分布圖

從圖5中可以看出，恐龍化石截面形狀不同，同為室內遮陰且化石表面涂保護層條件下，圖5a與圖5b顯示化石及圍巖最大溫度梯度相近，溫度梯度的分布規律相同。但是，兩種情況下都顯示化石部分的溫度梯度與圍巖部分的溫度梯度差較大。

3 數值模型結果分析

(1)在其他條件均相同，恐龍化石截面形狀不同時，無論是陽光直射、室內遮陰還是化石表面涂保護層，溫度梯度的分布規律是相同的；

(2)相同受熱情況下，化石截面形狀不同時，化石及圍巖最大溫度梯度都相近；

(3)由縱向對比圖形可以發現，陽光直射時溫度梯度及由溫度梯度產生的溫度應力都遠遠大于在室內遮陰和涂保護層兩種情況下的溫度梯度及由溫度梯度產生的溫度應力；

(4)室內遮陰與涂保護層兩種情況對比可以發現，不涂保護層時，化石部分溫度梯度大于涂保護層時溫度梯度，而圍巖部分由于無保護層，溫度梯度兩者幾乎相同，這就導致了不涂保護層時由溫度梯度產生的溫度應力大于涂保護層時產生的溫度應力；

(5)化石涂保護層后，化石和圍巖相互作用而產生的應力就會增大，由圖5可以明顯看出，化石和圍巖的溫度梯度相差較大，這就會導致化石與圍巖接觸處會由于兩者的相互作用而產生應力和變形。

4 結論

化石在各種不同受熱情況下，會產生不同的溫度梯度與溫度壓力，都對化石造成不同程度的風化破壞，對化石進行室內保存和涂防護材料能更大程度上降低對化石的風化破壞，以保護化石的完整性。

然而，從古生物化石保護工作實踐中可知，不同材質的防護材料其保護效果不同，傳統的恐龍化石防護材料需要進一步改進，在新型恐龍化石防護材料的研制方面應進行積極的探索和嘗試，以開發出更加理想的防護材料，最大程度地保護好寶貴的恐龍化石資源。