宋香鎖，張尚坤，賈超,杜圣賢,陳誠,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

古生物化石是地層劃分對比和確定地質年代的重要依據，對研究地球演化、生物進化、古地理和古環境再造等有重要的科學價值。古生物化石的研究和產地、標本的保護工作已引起國內外地學界乃至政府部門的極大重視[1-3]。恐龍化石是重要的古脊椎動物化石，近幾年，隨著越來越多的恐龍屬種和恐龍化石產地的發現,中國的恐龍研究也越來越被古生物學領域所關注。山東諸城是我國最重要的恐龍化石產出地之一[4-7]，恐龍化石發掘后面臨著嚴重的風化問題，很多化石在發掘后十幾年甚至幾年后就迅速地被風化破壞掉[8]。為深入研究探索恐龍化石風化的深層次原因和機理[9-12]，對諸城恐龍化石及其賦存的圍巖進行了實地考察和室內試驗研究。通過實地考察發現恐龍化石的風化過程比較復雜，選取合理的化石樣本、實物模型，抓住所研究問題的關鍵，方可得出接近實際的結論。所以根據研究方向，該文在諸城恐龍化石產地采取與化石性質相類似的巖層樣本，通過凍融循環試驗對諸城地區恐龍化石及圍巖的風化影響進行了分析研究，并著重探索了溫度對化石風化破壞的影響。

試驗發現化石的抗風化性與化石和圍巖的力學性能關系最密切。因此研究不同類型的化石和圍巖在凍融循環作用后所產生的力學性能及變形特征[13]，對于有針對性地選擇實施保護措施，有著非常重要的現實意義。

1 凍融循環試驗

1.1 試驗操作步驟

該次巖石的凍融循環試驗操作按以下5個步驟進行，即①試樣制備；②試件烘干和飽和處理；③測量試件并進行凍融循環；④安裝試樣并加荷載；⑤描述試樣破壞后的形態并進行詳細記錄。

試樣制備：用鉆巖機、切石機、磨片機從原始巖塊中取得巖樣。所取巖樣規格為直徑5cm、高10cm的圓柱體。制備5組試樣，每組3塊，共15件。

觀察確定所取試件巖樣均屬于砂巖，其節理發育情況不僅相同。試驗前對試件進行分組編號為1～5(表1)。

表1 化石試塊參數

試件的凍融循環：取2～5組進行飽和處理后放入冰箱內冷凍4h，然后取出注入水浸沒試件4h，即為一個循環，根據工程需要及試驗要求分別對2～5組進行10次、20次、30次、40次凍融循環。凍融循環結束后，從水中取出試件進行抗壓強度試驗(凍融循環暫停時需將試塊放入0～2℃的空氣中保存,圖1)

圖1 試塊的凍融

安裝試件、加載，如圖2所示。

將上述4組樣件每次凍融循環試驗前后特別是將第4組試樣置于流變儀內，使之均勻受載，然后以每秒0.5～1.0MPa的加載速度加荷，直至試樣破壞，記下破壞(最大)荷載(P)。

圖2 巖樣的壓載過程

對試樣破壞后的形態進行描述，并記錄有關數據(表2)。

表2 化石試樣單軸抗壓強度試驗記錄

將制備的5組試樣巖石的單軸抗壓強度進行計算，計算值保留2位有效數字。

1.2 影響巖石單軸抗壓強度的因素

影響巖石的抗壓強度內在因素主要有以下幾個方面：①結晶程度和顆粒大小，結晶巖石比非結晶巖石強度高，細粒結晶的巖石比粗粒結晶的巖石強度高。②膠結情況，硅質膠結的抗壓強度較高，石灰質膠結的巖石抗壓強度較低，泥質膠結的巖石抗壓強度最低。③礦物成分，不同礦物組成的巖石，具有不同的抗壓強度，這是由礦物本身的特點決定的。④水的作用，含水度越高，巖石抗壓強度越低。⑤容重的影響，不同容重的巖石有著不同的抗壓強度，化石密度越小，其抗壓張度越小，反之抗壓強度增大。

2 試驗結果分析

根據試驗測得結果，獲得了不同凍融循環次數后化石樣件的力學性能、變形性能、彈性模量及峰值變形模量等。

2.1 強度特性

先對凍融循環試驗前的試件進行抗壓測試，觀察巖石試件在單軸向壓力作用下的破壞情況。試驗證明，破裂面與載荷軸線的夾角可近似為破壞角，這一結果與理論上的角度相符合(圖3)。

失重率是化石抗凍性的一個評價指標,圖4表明在化石凍融初期,重量損失不甚明顯,隨著凍融循環次數的增加,重量損失率有所增加，在達到一定次數后重量損失明顯加快。

從圖5中可以看出,凍融循環次數對化石抗壓強度的影響較為明顯,隨著凍融循環次數的增加,化石抗壓強度特性均呈下降趨勢。凍融循環10次以后尤為明顯,抗壓強度曲線有陡然下降的趨勢[14]。經過40次凍融循環后，化石極限抗壓強度降低至初始強度的60%左右。

圖3 試件的破壞形態

圖4 化石質量損失與凍融循環次數關系曲線

圖5 化石抗壓強度與凍融循環次數關系曲線

對恐龍化石來說，僅以凍融破壞抗壓強度降低和質量損失率來作為評價指標尚不全面，有時還應結合彈性模量以及凍融產生的泥化掉塊作為化石破壞參考指標，來進行綜合評價。

2.2 應力應變曲線及變形性能

單軸受壓時峰值應變隨凍融循環次數的增加而變小，而且隨著凍融次數的增加峰值應變下降幅度增大(圖6)。

圖6 極限應變與凍融循環次數關系曲線

試件在單軸壓縮條件下經不同凍融循環次數后的應力與應變關系曲線如圖7所示：

圖7 各組試塊應力-應變曲線

隨凍融循環次數的增加，應力應變曲線逐漸扁平，峰值點位置明顯下降和左移，說明化石極限壓應力逐漸降低與其相應的應變值也在減小；并且可以從圖7看出彈性模量在凍融循環后再降低。含節理試塊在破壞過程中出現應力不變應變增加的現象，此現象推測為結構面(節理處)達到屈服，結構面材料發生蠕變流動。

凍融過程中巖樣的破壞：凍融循環后巖塊的節理發育，而近乎垂直于軸線的節理較多(圖8)。

圖8 凍融循環后節理的發育

在凍融循環后相應的恐龍化石會出現泥化，掉塊等現象，并且隨著次數的增加節理數會增加，多次凍融循環后表面變得酥松，表面會出現一層泥狀物。

凍融循環后，試塊抗壓強度、彈性模量、峰值應變都出現降低，而且隨著凍融次數的增加，這些現象更為明顯。

將化石試件進行凍融循環，觀察試件的泥化等風化現象。經過凍融后的化石樣本出現了質量損失及掉塊、泥化等現象，并且樣本的掉塊現象較嚴重(圖9)。

圖9 凍融循環后化石的泥化掉塊

3 結論

(1)凍融循環試驗后試樣出現了近乎垂直于軸線的多條節理裂紋，這與在現場看到的化石表面出現橫向裂紋一樣。出現這種現象的原因主要是水和溫度的共同作用所導致。

(2)試驗證明凍融循環會降低圍巖的強度、彈性模量等，多次凍融循環后圍巖、化石出現質重損失、泥化、掉塊等現象；巖石的彈性模量、內聚力隨凍融循環次數的增加而依次減小。

(3)巖石抗壓強度隨凍融循環次數的增加總體上呈現降低趨勢，起初凍融循環使巖石抗壓強度降低幅度較大，而向后降低幅度變緩。