恐龍化石風化效應的TM耦合分析研究

杜圣賢，張尚坤，于學峰，陳軍，宋香鎖，賈超，張國榮

(1.山東省地質科學研究院，山東 濟南　250013；2.山東大學土建與水利學院，山東 濟南　250013)

恐龍化石風化效應的TM耦合分析研究

杜圣賢1，張尚坤1，于學峰1，陳軍1，宋香鎖1，賈超2，張國榮2

(1.山東省地質科學研究院，山東 濟南250013；2.山東大學土建與水利學院，山東 濟南250013)

恐龍化石對研究地球演化、生物進化、地層對比、地質年代、古環境、古地理、古氣候等方面具有重要的科學價值。但恐龍化石發掘后面臨著嚴重的風化問題，許多化石發掘后十幾年甚至幾年內就迅速遭受風化破壞。為深入研究探索恐龍化石地質遺跡的深層次風化原因和機理，該文采用TM(溫度和應力)耦合分析方法，對山東諸城恐龍化石風化規律進行深入分析研究。根據化石與圍巖間膨脹的不協調性，探索在溫度變化情況下化石與圍巖間的相互作用規律及對風化造成的影響。結果揭示了溫度作用下化石風化的初步原因和規律，可為化石保護提供參考科學依據。

恐龍化石；風化；圍巖；溫度應力；TM耦合

引文格式：杜圣賢，張尚坤，于學峰，等.恐龍化石風化效應的TM耦合分析研究[J].山東國土資源，2015,31(10)：65-70.DUShengxian,ZHANGShangkun,YUXuefeng,etc.AnalysisandStudyonTMCouplingMethodtoWeatheringEffectofDinosaurFossil[J].ShandongLandandResources, 2015,31(10):65-70.

溫度變化是造成化石及其圍巖石風化的主要因素之一[1]，在外界溫度作用下，由于熱脹冷縮，化石和圍巖受溫度影響到的部分會產生體積變化，產生熱應變。由于化石和圍巖之間熱膨脹系數的差異，產生熱應力[2-3]。同時，非均勻的溫度分布即溫度梯度也產生熱應力。當化石或圍巖不能適應此附加應力時，就將產生裂隙，循環往復，裂隙不斷擴大，導致化石風化。露天的化石白天受烈日暴曬，表面受熱膨脹，而化石內部則受到的影響較?。灰雇砘砻嬗直葍炔坷鋮s、收縮快，風化作用更加嚴重。而處于室內的化石雖然受溫度影響膨脹相對較小，但是這樣引起的不均勻膨脹也會使化石產生裂隙和表面片狀剝落[4-7]。同時，溫度會加速化學腐蝕的進行，影響內部結構的強度；溫度也會加速水的作用，是造成恐龍化石風化的重要影響因素[8-10]。該文針對以上情況，采用TM耦合方法對諸城恐龍化石風化機理進行分析研究[11-14]。

1　計算原理及參數確定

1.1本構模型

該文化石和圍巖的熱力耦合本構方程如式(1)～(4)[15]

(1)

(2)

(3)

式中：ε為應變，▽u為位移梯度；C為第四階彈性張量；s0為初始應力；ε0為初始應變；α為熱膨脹系數；s為應力；T為溫度；Tref為應變參考溫度；εinel為熱應變。

化石和圍巖的熱傳導本構方程：

(4)

式中：ρ為材料密度；Cp為比熱容；k為熱傳導系數；Q為熱源；T為溫度。力學傳導本構方程和熱傳導本構方程，通過熱應變相互影響。

1.2參數確定

根據實驗結果及查閱相關資料取得模型參數，結果如表1所示。

表1　熱力耦合參數

該文假定初始狀態化石及圍巖的初始溫度為諸城地區多年平均溫度12℃，諸城地區某日實際的溫度變化情況如圖1所示。

圖1　諸城地區某日溫度變化過程曲線

2　模型概化及計算情景

2.1計算模型概化

將恐龍骨骼化石概化為柱體，分析開挖揭露后的化石風化情景，骨骼化石一部分暴露在圍巖外部，其余部分置于圍巖內部，建立如圖2所示計算模型。模型前后左右邊界取為對稱邊界；下邊界固定，約束x,y,z方向位移；上邊界為自由邊界；化石及圍巖的上表面均與外界存在熱對流作用?；蛧鷰r的內部初始溫度均為12℃。

圖2　數值分析模型

2.2計算情景設置

該文分別分析溫度上升及溫度下降2個階段的化石與圍巖相互作用TM耦合規律，隨時間變化外界溫度升高階段的TM過程，溫度-時間變化曲線如圖3所示；隨時間變化溫度降低階段的TM過程，溫度-時間變化曲線如圖4所示。

圖3　溫升階段時間-溫度曲線

圖4　溫降階段時間-溫度曲線

3　計算結果及分析

3.1溫度升高TM計算及分析

應用圖3所示溫升曲線進行TM溫升計算，結果顯示，隨外界溫度變化，化石及圍巖內部溫度變化情況，由模型內部溫度變化情況可以看出：當外界溫度持續升高時，化石和圍巖表面溫度先升高，內部溫度幾乎不變；由于熱脹冷縮作用，可以看到化石和圍巖均出現了膨脹現象(圖5)。

計算得到溫度應力如圖6所示。由圖6可知，在受外界溫度變化影響1h后，受到溫度應力的作用，在化石和圍巖的表面，都受到拉應力的作用；而在化石和圍巖接觸區卻受到了壓應力的作用。分析

圖5　溫升階段化石內部溫度變化過程

圖6　1h時，第一主應力分布圖

其原因，由于熱脹冷縮的作用，當外界溫度升高時，化石和圍巖表面溫度迅速升高，而內部溫度不受影響，由于溫度梯度的作用，化石和圍巖表面產生了拉應力；而化石和圍巖的熱力學參數并不相同，故其拉應力大小不同；在化石和圍巖接觸區，由于他們之間相互約束，故會產生壓應力區。

另外，對其位移變化進行分析，對化石裸露區左邊界隨外界溫度變化，其整體位移變化如圖7所示。

圖7　化石位移變化

分析可知，隨外界溫度不斷升高，位移逐漸增大，在化石物理力學性質一定的情況下，位移越大，則化石越容易產生裂縫，越易風化。

綜合分析化石表面應力、內部應力及溫度分布如圖8所示(時間為3h時)，化石裸露程度為二分之一。

圖8　化石表面應力分布圖、內部應力切片及內部溫度切片圖

在外界溫度變化3h后(圖3)，化石內部溫度升高較快，此時最高溫度為20.56℃，化石端部溫度傳遞比中間快，此時化石內部溫度分布極不均勻。

從YZ切片可以看出，化石中間部分最大拉應力集中區出現化石內部中間部分往下延伸，不同部位分布近似，呈發散狀分布，而兩側最大拉應力出現在化石裸露部分，最大拉應力為1.2MPa。

3h時，化石裸露的表面均受拉應力影響，分布不均，最大拉應力約為0.86MPa，而埋于圍巖內部部分受壓應力的作用，化石與圍巖表面接觸處，化石所受壓應力最大，最大為0.42MPa。

綜上分析，在溫升階段，化石受外界溫度變化影響而產生的表面拉應力較大，因此暴露于空氣中的骨骼化石越多，其受溫度影響的程度越大。

3.2溫度降低TM計算及分析

化石和圍巖在溫度降低過程中，若溫度降至冰點以下，賦存在化石或圍巖內的水將會結冰產生凍脹作用，由于化石和圍巖兩種材料的變形不協調將會產生相互作用，如此反復必然會加速化石風化，造成化石破壞(圖9)。

圖9　隨外界溫度降低化石和圍巖內部孔隙水結冰變化過程

由計算結果可見，裸露化石及圍巖裂隙中所含水分均已完成相變成為固體冰。化石臨空棱角處會最先受外界溫度影響而使孔隙水結冰，隨后內部溫度逐漸降低，孔隙水結冰程度增加。隨外界低溫持續，空隙水結冰程度繼續增加，化石和圍巖內部應力持續變化，孔隙水結冰后產生較大的凍脹應力，變形的不協調導致化石持續風化(圖10、圖11)。

圖10　化石與圍巖應力分布圖

圖11　變形及第三主應力圖

由TM計算，化石和圍巖的表面在孔隙水冰點溫度后均產生了一定的張拉力，但是由于表層不受約束，故應力從外向內有所增加；在冰點時，化石和圍巖內部均產生了壓應力；同時由于熱脹冷縮作用，化石和圍巖本身有體積收縮的趨勢，而內部空隙水結冰后體積膨脹，故外界溫度降低時化石和圍巖內部應力大于溫度升高時的內部應力。

4　結論

研究發現，由于化石和圍巖對溫度變化的響應參數的不同，導致溫度變化時兩者的變形不協調，由此產生相互作用，導致化石的損傷破壞。由溫升及溫降階段的TM計算結果可知，在溫度變化過程中，化石及圍巖內部的溫度應力響應過程是不同的，接觸空氣部分的材料溫度應力最先變化，并逐漸向內部進行傳導。對比分析得到溫度降低過程對化石造成的損傷程度要強于溫度升高時對化石造成的損傷程度，特別是溫度降低至冰點以下后，效果更為顯著，其本質作用是水的冷凍膨脹效應，這點在將來的化石防護時尤其要加以注意。

除此以外，對其他因素的研究，如熱流耦合分析等，對進一步揭示化石風化深層機理也非常重要。在TM耦合分析，流固耦合分析等方面應進一步加強系統深入的研究，逐步建立起化石風化研究領域的力學分析系統，為化石風化防護奠定科學及技術基礎。

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AnalysisandStudyonTMCouplingMethodtoWeatheringEffectofDinosaurFossil

DUShengxian1,ZHANGShangkun1,YUXuefeng1,CHENJun1,SONGXiangsuo1,JIAChao2,ZHANGGuorong2

(1.ShandongInstituteofGeologicalSciences,ShandongJinan250013,China；2.CivilEngineeringCollegeofShandongUniversity,ShandongJinan250061,China)

Dinosaurfossilshasgreatscientificvalueinstudyingearthevolution,biologicalevolution,stratigraphiccorrelation,geologicaltimeidentifyandpaleoenvironmentreconstruction.Butweatheringisaseriousproblemafterthedinosaurfossilshavebeenexcavated.Asmanyfossilshavebeendestroyedbyweatheringinafewyearsorevenmorequickly.Inthisarticle,inordertoexploretheweatheringcauseandmechanismofdinosaurfossilgeologicalrelicsfurtherly,TMcouplingmethodisusedforanalyzingweatherregularityofdinosaurfossilinZhuchengcityofShandongprovince.Theinteractionlawbetweenfossilandsurroundingrockundertemperaturechangehasbeenanalyzedinconsideringtheirdeformationincongruity.Itseffectonweatheringhasalsobeendiscussed.Finally,preliminarycauseandregularityofweatheringhasbeenrevealedtoprovidescientificreferencesforfossilprotection.

Dinosaurfossil;weathering;surroundingrock;temperaturestress;TMcoupling

2015-01-29；

2015-03-04；編輯：曹麗麗

中國地質調查局項目“膠萊盆地白堊紀脊椎動物化石保護、開發方案與規劃”(1212011120107)基金支持

杜圣賢(1975—)，男，四川通江人，研究員，主要從事地層古生物與地質礦產研究；E-mail：dushengxian@126.com

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