宋香鎖，賈超,張尚坤,杜圣賢,羅文強(qiáng)，楊斌

(1.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，國(guó)土資源部金礦成礦過(guò)程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過(guò)程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013；2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

近幾年，隨著越來(lái)越多的恐龍化石和恐龍屬種被發(fā)現(xiàn),中國(guó)的恐龍研究已成為當(dāng)今古生物學(xué)領(lǐng)域研究的主流[1-4]，恐龍化石對(duì)研究地球演化、生物進(jìn)化、古環(huán)境再造等有重要的科學(xué)價(jià)值[5-8]，古生物學(xué)家能夠通過(guò)先進(jìn)儀器對(duì)遭受不同破壞的化石內(nèi)部進(jìn)行觀(guān)察，從而可以發(fā)現(xiàn)過(guò)去肉眼不能觀(guān)察到的內(nèi)部細(xì)微構(gòu)造變化。

山東是中國(guó)發(fā)現(xiàn)恐龍化石最多的省份之一，主要產(chǎn)地有諸城、菜陽(yáng)、臨沭、莒南等。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和旅游開(kāi)發(fā)的需要，多年來(lái)對(duì)恐龍化石的不斷發(fā)掘[9-10]，恐龍化石及遺跡的保護(hù)日益顯得緊迫和重要[11-13]。該文通過(guò)干濕循環(huán)和膨脹試驗(yàn)，研究水對(duì)化石風(fēng)化的影響[14-16]，為化石的保護(hù)提供了重要的理論和實(shí)施保護(hù)工程的實(shí)際意義。

1 干濕循環(huán)試驗(yàn)

試驗(yàn)所用的巖樣主要取自諸城恐龍化石產(chǎn)地，樣件為恐龍化石和與化石性質(zhì)相類(lèi)似的圍巖。

該觀(guān)察試驗(yàn)用巖樣是通過(guò)鉆、切、磨等工序加工而成，其規(guī)格為直徑50mm，高100mm的圓柱體，要求兩端面平行度≤0.002mm，表面平整度≤0.1mm/100mm。

1.1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)巖樣分為5組，每組3個(gè)試件，并測(cè)定出每個(gè)試件的直徑和高度。

將試件放入烘箱進(jìn)行烘干，時(shí)間達(dá)12h，溫度達(dá)60℃，然后取出冷卻后再放入水中浸泡12h，即稱(chēng)為完成1次干濕循環(huán)。圖1是烘干所用儀器。

圖1 化石試樣的烘干和加濕用設(shè)備

按照上述程序?qū)?～5組試件先后分別進(jìn)行了1,5,10,15,20次干濕循環(huán)。浸泡12h后測(cè)得砂巖的含水率為2.12%。試件循環(huán)次數(shù)達(dá)到后，將試件取出用保鮮膜包好，以防水分蒸發(fā)。將準(zhǔn)備好的試件拿到三軸流變儀進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)采用荷載控制，加載速度為0.1kN/min。試驗(yàn)中采集軸向力、軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變、時(shí)間等參數(shù)(圖2)。

圖2 化石試塊破壞過(guò)程

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)使用巖石力學(xué)流變儀測(cè)定并獲得了化石在干濕循環(huán)條件下的變形與力學(xué)特性，試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)如表1。

表1 恐龍化石試樣干濕循環(huán)后單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)記錄

由表1所獲得的試驗(yàn)參數(shù)做出相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)分析，由所得數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論：巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線(xiàn)可分為4個(gè)階段：即初始?jí)好茈A段、彈性階段、應(yīng)變硬化階段和應(yīng)變軟化階段；隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試件的變形增大；干濕循環(huán)作用下，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨循環(huán)次數(shù)增多而減小。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

干濕循環(huán)條件下砂巖的單軸壓縮試驗(yàn)后試件的破壞形式有剪切破壞和劈裂破壞，其力學(xué)特性如圖3～圖5所示。

圖3 干濕循環(huán)次數(shù)抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)

圖4 干濕循環(huán)與彈性模量的關(guān)系

圖5 干濕循環(huán)與破壞時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)

從圖6、圖7可以看出，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，試件的變形增大，峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫向應(yīng)變、軸向應(yīng)變?cè)龃螅湓蛟从谒能浕饔煤透蓾裱h(huán)對(duì)巖石的風(fēng)化作用。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，巖樣的抗壓強(qiáng)度增大，彈性模量變小，破壞所需時(shí)間變長(zhǎng)[10]。

圖6 干濕循環(huán)與峰值應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

圖7 干濕循環(huán)與峰值應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

從圖7可以看出干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)巖石力學(xué)特性的影響很明顯，其原因是在干燥過(guò)程中，溫度作用使試件產(chǎn)生軸向與徑向膨脹，巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生微小的變化。在水浸泡過(guò)程中，水從試件表面的裂隙、孔隙進(jìn)入巖石內(nèi)部，潤(rùn)濕了巖石的礦物顆粒，水分子作用軟化了巖石的物理狀態(tài)，削弱了顆粒之間的聯(lián)系，使得力學(xué)參數(shù)降低，破壞時(shí)間變長(zhǎng)[17]。

2 化石及圍巖的膨脹試驗(yàn)

針對(duì)諸城恐龍澗采集到的恐龍化石和圍巖，應(yīng)用巖石膨脹測(cè)量?jī)x，對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)特性試驗(yàn)，進(jìn)一步探討了圍巖和化石膨脹力與吸水率的相關(guān)性，繼而研究化石膨脹力與膨脹變形的規(guī)律。

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

將現(xiàn)場(chǎng)取回的巖石經(jīng)過(guò)鉆、切、磨等工序打磨成為直徑為50mm、高為50mm的圓柱體，要求兩端面平行度小于等于0．002mm，表面平整度≤0．1mm/50mm。制成4個(gè)化石及4個(gè)圍巖的試塊，化石和圍巖試塊分別標(biāo)記為Ⅰ和Ⅱ。利用巖石膨脹率和自由膨脹率測(cè)試儀，把試件豎直地置于試驗(yàn)盒內(nèi)，并向試驗(yàn)盒內(nèi)注滿(mǎn)純凈水進(jìn)行無(wú)荷載作用的自由膨脹試驗(yàn)，并測(cè)得巖石吸水后的軸向膨脹率。

自由膨脹試驗(yàn)是測(cè)定試樣在不同泡水時(shí)間下巖石在側(cè)向與徑向的膨脹變形情況。在此過(guò)程中，試樣一起處于充分吸水狀態(tài)，不需要考慮水的補(bǔ)給情況。主要包括2個(gè)指標(biāo)，即軸向自由膨脹率與徑向自由膨脹率，這里只通過(guò)公式來(lái)計(jì)算軸向自由膨脹率：

式中:Vh為軸向自由膨脹率；Δh為軸向自由膨脹量；H為試樣的高度(mm)。

在浸水膨脹試驗(yàn)過(guò)程中，膨脹變形隨著吸水時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，但增長(zhǎng)速率逐漸減小以至停止，膨脹應(yīng)變量最終趨于穩(wěn)定，符合巖石吸水膨脹理論。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)，并根據(jù)上面公式計(jì)算得到膨脹率(表2)。

表2 膨脹試驗(yàn)記錄

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于圍巖和化石，在試驗(yàn)過(guò)程中使用的是純凈水，水中基本不含礦物離子，pH約為7，因此，在浸泡過(guò)程中可以認(rèn)為水與礦物顆粒之間不可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即不存在化學(xué)作用所產(chǎn)生的膨脹效應(yīng)。在試驗(yàn)過(guò)程中，浸泡時(shí)間平均為120h。在時(shí)間不太長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力沒(méi)有超出裂縫的強(qiáng)度，不會(huì)使裂縫擴(kuò)展。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，其膨脹變形增加速率變小，并趨于穩(wěn)定。巖石的水—巖作用使得巖石內(nèi)部黏結(jié)力降低，宏觀(guān)上顯示為巖石發(fā)生膨脹。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出化石的膨脹率遠(yuǎn)大于圍巖的膨脹率，保存在圍巖中的化石，由于圍巖與化石不均勻脹縮，導(dǎo)致化石的破裂等現(xiàn)象出現(xiàn)。并且在120h的水中化石較圍巖泥化和掉塊現(xiàn)象更加嚴(yán)重，有的化石出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

膨脹試驗(yàn)結(jié)束后，試樣出現(xiàn)軟化和泥化現(xiàn)象，并且試驗(yàn)后節(jié)理發(fā)育，樣本表面細(xì)小顆粒掉落導(dǎo)致樣本表面粗糙等(圖8)。

圖8 膨脹試驗(yàn)前后試件表面特征

3 結(jié)論

(1)隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，試件的變形增大，峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫向應(yīng)變、軸向應(yīng)變?cè)龃螅湓蛟从谒能浕饔煤透蓾裱h(huán)對(duì)巖石的風(fēng)化作用。干濕作用與凍融循環(huán)的長(zhǎng)期共同作用不只會(huì)使試樣強(qiáng)度降低，長(zhǎng)久之后甚至使化石圍巖基本軟化，遇水或遇酸后使其變形、開(kāi)裂、泥化等。

(2)膨脹試驗(yàn)結(jié)果表明化石的膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于圍巖的膨脹系數(shù)，化石開(kāi)挖暴露之后，受到各個(gè)因素的影響。在凍融及干濕情況下圍巖和化石強(qiáng)度、彈性模量的降低，這都會(huì)對(duì)化石的保存造成負(fù)面影響，造成化石的破壞。

(3)干濕循環(huán)，膨脹試驗(yàn)后試樣出現(xiàn)了近乎垂直于軸線(xiàn)的多條節(jié)理裂紋，這與在現(xiàn)場(chǎng)看到的化石表面出現(xiàn)橫向裂紋一樣。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)樗蜏囟鹊墓餐饔脤?dǎo)致的。

(4)試驗(yàn)表明化石中碳酸鈣的含量遠(yuǎn)大于圍巖，化石遇到酸性物質(zhì)容易軟化。同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)證明化石的酸溶蝕作用大于圍巖的溶蝕性，但水對(duì)圍巖的破壞性比較大，尤其是經(jīng)歷過(guò)干濕等作用后的風(fēng)化圍巖，經(jīng)過(guò)暴露后的化石，由于圍巖的風(fēng)化速度較快，化石更大面積的暴露，增加了與酸性溶液的接觸幾率；同時(shí)試驗(yàn)表明裂縫發(fā)育能促進(jìn)溶蝕作用的進(jìn)行，半風(fēng)化和全風(fēng)化的圍巖遇到水和酸后，會(huì)變成碎塊以至于泥化，因而保護(hù)圍巖對(duì)于化石的保護(hù)也是十分重要的。

(5)試驗(yàn)結(jié)果分析得知，圍巖的初始吸水率對(duì)其膨脹力有著強(qiáng)烈的影響，而對(duì)化石的膨脹作用較小。這一結(jié)果對(duì)于如何實(shí)施化石保護(hù)具有重要的參考價(jià)值，并提供科學(xué)依據(jù)。