張尚坤，于學峰，賈超，杜圣賢，宋香鎖，劉鳳臣，陳軍，陳文芳

(1.山東省地質(zhì)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(chǎn)成礦地質(zhì)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)

近幾年，山東、四川、云南、貴州、甘肅、內(nèi)蒙等地陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多處大型恐龍化石產(chǎn)地，發(fā)掘出了數(shù)量眾多的恐龍化石，從而引起了各界廣泛關(guān)注，對出土的化石也分別采取了相應的保護措施，有的還修建了保護場館和配套的旅游設施。但是，由于對影響恐龍化石風化破壞的主要因素及風化機理研究不夠深入，所采取的保護措施針對性不強，致使挖掘出的恐龍化石很快遭受風化破壞，特別是有的原地保護的化石，更是在短短的數(shù)年間便面目全非。為此，開展系統(tǒng)研究，明確影響恐龍化石及圍巖風化破壞的主要因素及作用機理，對制定有針對性的保護措施，更好地保護這一珍貴資源具有重要意義。

1 影響恐龍化石及圍巖風化的內(nèi)部因素

化石或圍巖自身的化學成分、礦物組成、膠結(jié)物的種類、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等內(nèi)部因素決定了恐龍化石或圍巖抵御外來風化破壞因素的能力。

1.1 恐龍化石及圍巖的礦物成分及化學成分對風化破壞的影響

目前已發(fā)現(xiàn)的恐龍化石主要埋藏在中生代湖濱相、河流相、泥石流相的紫灰色、灰色、黃綠色砂巖、粉砂巖、泥巖中[1-5]，根據(jù)X射線衍射實驗得知：恐龍骨骼化石的主要礦物成分是磷灰石和方解石及少量的石英，化學成分為CaCO3、Ca5[PO4]3F和SiO2(圖1、表1)。圍巖的主要礦物成分為長石、石英、粘土、方解石和部分有機質(zhì)，化學成分為SiO2、Al2O3、CaCO3、K2O、Na2O等[6-7]。鄧建國等[8]在研究自貢地區(qū)恐龍骨骼化石及圍巖特征時發(fā)現(xiàn)：恐龍化石和圍巖中雖然都含有較多的碳酸鹽，但二者中的碳酸鹽與其他成分的結(jié)合狀態(tài)有明顯的差異：在圍巖中碳酸鹽和石英以分散狀態(tài)結(jié)合，而在恐龍化石中方解石則填充在由磷灰石構(gòu)成骨質(zhì)格架之間的孔隙中。由于碳酸鹽容易受到酸的侵蝕，因此已出土的恐龍化石及圍巖的自然風化現(xiàn)象較為嚴重，尤其是圍巖，因碳酸鹽和石英以分散狀態(tài)結(jié)合，其風化破壞最為明顯，而恐龍化石中的碳酸鈣因磷灰石骨架的保護作用，風化則相對較慢。

主要物相：■—CaCO3(方解石)質(zhì)量百分比：33%；▲—Ca5[PO4]3F(磷灰石)質(zhì)量百分比：65%；●—а-SiO2(а-石英)質(zhì)量百分比：2%圖1 恐龍骨骼化石(諸城)X射線衍射圖譜

表1 恐龍骨骼化石成分X射線衍射實驗鑒定成果(諸城)

注：樣品分析由山東省分析測試中心完成,2013年。

碳酸鈣的風化之所以速度快，是由其自身的化學性質(zhì)決定的，其反應式為：

CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2→CaCO3+CO2+H2O

恐龍化石或圍巖中的方解石由原來堅硬不溶于水的CaCO3狀態(tài)，風化成可溶于水的Ca(HCO3)2，而形成的Ca(HCO3)2又極易分解成CaCO3呈粉末附著在化石表面，這些粉末附著力很小，稍受外力即可破碎脫落[9-10]。

1.2 恐龍化石及圍巖的膠結(jié)物對風化破壞的影響

膠結(jié)物的組成成分是恐龍化石及圍巖的抗風化破壞能力的重要因素，以硅質(zhì)為膠結(jié)物的恐龍化石或圍巖一般抗風化能力較強，不易發(fā)生風化破壞，而以泥質(zhì)為膠結(jié)物的恐龍化石或圍巖則抗風化能力較差，這是因為泥質(zhì)膠結(jié)物中高嶺土、伊利石、綠泥石、水云母等礦物在風化作用過程中容易發(fā)生膨脹，導致化石或圍巖因脹應力而發(fā)生破裂。此外泥質(zhì)物易隨水流失，使恐龍化石或圍巖中的孔隙增大而變得疏松，導致抵御外界因素破壞的能力變差[9-10]。鈣質(zhì)和鐵質(zhì)膠結(jié)材料則介于硅質(zhì)和泥質(zhì)之間。通過分析恐龍化石及圍巖膠結(jié)物成分以鈣質(zhì)、鐵質(zhì)為主，故其較易風化破壞。

1.3 恐龍化石及圍巖的結(jié)構(gòu)對風化破壞的影響

恐龍化石及圍巖礦物顆粒間隙越大，結(jié)構(gòu)就越疏松(圖2)，其對外界有害氣體、雨水、溶鹽、塵埃的吸附力越強，風化破壞速度也就越快。

圖2 顯微鏡下恐龍骨骼化石照片(諸城)

1.4 恐龍化石及圍巖的軟弱結(jié)構(gòu)面對風化破壞的影響

恐龍化石和圍巖中的軟弱結(jié)構(gòu)面主要包括構(gòu)造裂隙、層面裂隙、卸荷裂隙和風化裂隙。它們的存在導致化石或圍巖抗風化能力降低，且在不同方向上抗風化能力具明顯差異性。

(1)構(gòu)造裂隙

構(gòu)造裂隙會削弱恐龍化石和圍巖的整體強度。構(gòu)造裂隙是滲流的主要通道，極有利于降雨滲入巖體，同時也是地下水的主要儲存空間和運移通道[11]。地下水通過構(gòu)造裂隙運移，并在巖體表面滲出，形成嚴重滲水病害，加速恐龍化石和圍巖破壞。

(2)層面裂隙

層面裂隙發(fā)育程度和分布狀況對恐龍化石和圍巖風化破壞具有重要的影響，層面裂隙與構(gòu)造裂隙具交叉分布，從整體上控制了化石和圍巖的風化破壞強度、滲水作用方向和危害程度[11]。層面裂隙發(fā)育導致恐龍化石或圍巖表面破碎，從而加速了表面風化。

(3)卸荷裂隙

主要發(fā)生在恐龍化石挖掘過程中。開挖面上的化石和圍巖由于受到機械擾動和應力釋放作用，會產(chǎn)生一定的卸載裂隙。雖然卸荷裂隙規(guī)模較小，無一定方向，但當與層面裂隙交叉時，會在化石和圍巖的表面形成形狀各異的片狀脫離體，這些片狀脫離體若受到外力作用，就會風化脫落，加重風化破壞向深度發(fā)展。當水分沿這些裂隙活動時，則易形成滲水病害。

(4)風化裂隙

風化裂隙多與前幾種裂隙具有繼承性，也有部分風化裂隙是在表生風化作用下獨立產(chǎn)生的。它們相互貫通，構(gòu)成網(wǎng)絡，是地下水的主要運移通道和儲存場所，參與形成滲水病害。

2 影響諸城地區(qū)恐龍化石及圍巖風化的外部因素

生物活動、氣溫的反復變化以及各種水溶液和氣體的侵蝕等外部因素，是促使恐龍化石或圍巖發(fā)生風化破壞的最直接的原因。這些風化包括物理風化、化學風化和生物風化。它們使組成化石或圍巖的礦物成分發(fā)生分解、結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生變化，使化石或圍巖由整塊變成碎塊，由堅硬變得疏松，甚至化學成分也發(fā)生改變，從而造成了化石或圍巖的風化破壞。

2.1 恐龍化石及圍巖的物理風化

恐龍化石和圍巖遭受的物理風化主要是因氣候和溫度的變化。由水、風、鹽等參與引起的冰劈、鹽劈、沖刷、刮削、脹縮等機械破壞作用，是導致化石或圍巖風化破壞的最強烈、最直接的外部因素。

2.1.1 水對恐龍化石及圍巖物理風化的影響

(1)滲水對恐龍化石及圍巖的風化破壞

恐龍化石及圍巖的風化破壞與滲水病害有直接關(guān)系。滲水破壞是通過微弱滲流以不同形態(tài)、不同方式、緩慢地、周期性地作用于化石及圍巖而形成的，其作用機理較復雜。其破壞作用主要包括3方面：①浸濕軟化圍巖和化石，削弱其力學強度；②機械潛蝕和化學潛蝕；③滲流沉淀物的間接破壞作用，包括結(jié)晶性侵蝕、分解性侵蝕和有機質(zhì)分解破壞等[11]。

(2)水的結(jié)冰—融化—結(jié)冰對恐龍化石及圍巖的風化破壞

恐龍化石和圍巖中的水遇到低溫結(jié)冰時，體積會增大1/11，由此產(chǎn)生的膨脹力也相當大。據(jù)測算：1g水結(jié)冰時，1cm2的膨脹力可達960kg[10,12]。這種由水結(jié)冰膨脹導致的冰劈作用會使化石和圍巖在冬季產(chǎn)生裂隙。當溫度升高后，冰發(fā)生融化，壓力消失，裂隙會產(chǎn)生收縮力，同樣會使化石或圍巖產(chǎn)生破壞。水反復結(jié)冰—融化，體積不斷漲縮，導致化石及其圍巖的裂隙不斷加大，從而充填更多水分，下次結(jié)冰時產(chǎn)生更大的膨脹力，使化石或圍巖遭受更大的風化破壞。特別是當恐龍化石與其圍巖的礦物組成不一樣時，它們之間勢必因膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生一定的應力差[13]，這種差應力與脹縮力相互作用，致使化石的破壞更加劇烈。

恐龍化石或圍巖從內(nèi)向外致密性逐步降低，故表面水的滲透也呈內(nèi)少外多的梯級分布，從而導致化石力學強度從內(nèi)到外明顯下降。實驗表明，化石在飽水狀態(tài)下力學強度只有干燥時的一半左右，說明水對恐龍化石強度影響相當大。

(4)降水對化石及圍巖的機械破壞

若沒有防護工程，降雨在發(fā)掘出的恐龍化石及其圍巖的表面反復沖刷，使部分已風化變異的物質(zhì)被攜走，雨水灌入風化裂隙又將對隙壁產(chǎn)生機械和化學潛蝕。特別是降雨量大，降雨集中的地區(qū)，這種破壞作用更甚，長此以往，會使化石和圍巖的表面出現(xiàn)沖刷溝槽。常年降水的地區(qū)，恐龍化石或圍巖長時間浸泡在水中，會使恐龍化石或圍巖的結(jié)構(gòu)變得疏松，機械強度下降，從而易造成風化破壞。特別是有結(jié)冰期的地區(qū)，化石或圍巖富含水分，一旦結(jié)冰，冰劈作用會加速恐龍化石或圍巖的風化破壞。

2.1.2 風對恐龍化石及圍巖物理風化的影響

裸露于地表或發(fā)掘后的恐龍化石和圍巖不可避免的要遭受風的破壞作用。風的破壞主要是剝蝕作用，一般10級風可產(chǎn)生的壓力約為666.6～799Pa。風會剝落化石及圍巖表面的疏松顆粒，使風化作用進一步向縱深發(fā)展。同時，雨霧借助風力刮到不能直接降落的部位，加強和擴大了雨水破壞作用[11]。

2.1.3 空隙中溶鹽的結(jié)晶與潮解對恐龍化石及圍巖物理風化的影響

恐龍化石及其圍巖空隙中的溶鹽隨著溫度、濕度的變化，發(fā)生結(jié)晶與溶解，由此產(chǎn)生的膨脹、收縮力對化石和圍巖產(chǎn)生破壞作用。當溫度下降，濕度增大時，空隙中的鹽分從空氣中吸收水分變成鹽溶液，滲入到恐龍化石或圍巖的內(nèi)部，并將沿途的鹽溶解；而溫度升高，濕度降低時，恐龍化石或圍巖空隙中的水分蒸發(fā)，鹽分濃度增大，達到飽和時，鹽分結(jié)晶析出[8]。鹽分結(jié)晶生長會導致體積膨大，從而產(chǎn)生膨脹力，使恐龍化石或圍巖產(chǎn)生新的裂隙，這種破壞作用與冰劈類似，被稱為鹽劈。如此反復進行，新的裂隙不斷產(chǎn)生、擴大，最終導致了化石表層呈現(xiàn)大量裂縫。

云南是一個多山的省份，但由于盆地、河谷、丘陵，低山、中山、高山、山原、高原相間分布，各類地貌之間條件差異大，類型多樣復雜。全省土地面積按地形劃分，山地占84%，高原、丘陵約占10%，壩子(盆地、河谷)僅占6%。境內(nèi)徑流面積在100 km2以上的河流889條，分屬長江、珠江、紅河、瀾滄江、怒江、伊洛瓦底江6大水系，另有滇池、洱海等30個高原湖泊，因此，云南省水資源總量豐富。但由于時空分布等原因,云南省巖溶石山地區(qū)占全省國土面積的28.14%，地表水滲漏嚴重，與全國形勢一樣，同樣面臨著嚴重的水資源挑戰(zhàn)，因此，對稻資源耐旱性多樣性的研究及優(yōu)異耐旱稻資源的篩選可促進云南節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

2.1.4 溫度對恐龍化石及圍巖物理風化的影響

裸露于地表或發(fā)掘后的恐龍化石及圍巖受外界溫度變化的影響，表面溫度與內(nèi)部溫度會發(fā)生不一致的變化，從而導致表面與內(nèi)部發(fā)生程度不同的收縮或膨脹，由此可產(chǎn)生一定的差應力，當化石或圍巖不能適應這個差應力時，就將產(chǎn)生裂隙。循環(huán)往復，裂隙不斷擴大，導致化石或圍巖風化破壞。露天的化石或圍巖白天受烈日暴曬，表面受熱膨脹，而內(nèi)部則受到的影響較小；夜晚表面又比內(nèi)部冷卻的更快，收縮的也更快，由此引起的不均勻膨脹，會使化石產(chǎn)生裂隙和表面片狀剝落[8,14-17]，使化石遭到破壞。而處于恒溫、恒濕環(huán)境的化石則受溫度影響較小。此外，溫度升高還會加速化學腐蝕的進行，降低化石或圍巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度，進而加速了恐龍化石風化破壞的速度。

2.2 恐龍化石及圍巖的化學風化

隨著工業(yè)的發(fā)展和人口迅速增長，大量的有害氣體排入大氣中，造成嚴重的環(huán)境污染，據(jù)聯(lián)合國環(huán)境衛(wèi)生署統(tǒng)計，全世界每年有10億噸以上有害氣體排入大氣中[8,18-19]，而且這種趨勢是有增無減，這些有害氣體不僅僅危害人類健康，還使包括化石在內(nèi)的各種巖石遭到不同程度的有害氣體侵蝕。而化學風化對恐龍化石或圍巖的危害主要表現(xiàn)在化石表面及其裂隙內(nèi)部的水(包括裂隙水、孔隙水、毛細水等)與大氣中的O2，CO2，NO2，SO2等發(fā)生反應，形成酸，酸使礦物中的K+，Na+，Ca2+，Mg2+等離子溶解移動或交換[20-21]。隨著這些離子的析出，化石或圍巖的空隙會增多、增大，吸水率也隨之升高，從而導致化石或圍巖體積膨脹，機械強度降低，造成風化破壞。

2.2.1 空氣中氮、硫、碳氧化物對化石的腐蝕

空氣中的有害氣體主要包括NO，CO，NO2，CO2，SO2，N2O5，SO3等。這些氧化物氣體易在恐龍化石或圍巖表面遇到空氣中的水分而形成無機酸。

NO+O2(空氣中)→NO2

(1)

NO2+H2O→HNO3

(2)

SO2+H2O→H2SO3→H2SO4

(3)

SO3+H2O→H2SO4

(4)

CO+O2(空氣中)→CO2

(5)

CO2+H2O→H2CO3

(6)

(1)～(6)式中形成的無機酸對恐龍化石及其圍巖的腐蝕是十分嚴重的，特別是對以方解石為主要礦物成分的恐龍化石或圍巖的腐蝕尤為嚴重，從而遭受強烈的風化破壞。其風化機理是[21-24]:

①SO2，SO3使恐龍化石風化的機理如(7)～(8)式所示:

CaCO3+SO2+H2O→CaSO3→CaSO4·2H2O

(7)

CaCO3+SO3+2H2O→CaSO4·2H2O+CO2↑

(8)

硫酸鈣不僅溶解度大，而且能產(chǎn)生水合作用，這導致化石或圍巖機械強度降低。

②CO，CO2使恐龍化石風化的機理如(9)式所示:

CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2

(9)

一氧化碳遇氧氣即氧化為二氧化碳，二氧化碳和水共同作用，使化石或圍巖中的難溶鹽CaCO3轉(zhuǎn)化為易溶鹽Ca(HCO3)2。干燥時，溶入水的Ca(HCO3)2結(jié)晶析出，裂隙中晶體析出過程產(chǎn)生的壓力使化石開裂產(chǎn)生裂隙；受潮時Ca(HCO3)2晶粒又重新溶解，如此長期反復變化，使化石不斷遭受風化破壞。

③NO，NO2使化石風化的機理如(10)式所示:

CaCO3+2HNO3→Ca(NO3)2+H2O+CO2↑

(10)

NO在空氣中遇氧很快變成NO2，NO2與空氣中的水結(jié)合則產(chǎn)生腐蝕性很強的硝酸，硝酸若與恐龍化石或圍巖接觸，不溶于水的CaCO3與硝酸發(fā)生化學反應，形成可溶性的硝酸鈣隨水流失，從而使化石風化破壞。

2.2.2 空氣中有害氫化物氣體對恐龍化石的腐蝕

空氣中有害氫化物主要來自工業(yè)廢氣和汽車尾氣，特別是氯堿化工，其生產(chǎn)過程中可產(chǎn)生大量的HCl。HCl在化石或圍巖表面反復發(fā)生化學反應，形成易溶于水的CaCl2。從而使化石表層脫落、剝蝕。

氯化氫使恐龍化石風化的機理如(11)式所示:

CaCO3+2HCl→CaCl2+H2O+CO2↑

(11)

2.2.3 空氣中顆粒懸浮物對化石的侵蝕

空氣中顆粒懸浮物成分十分復雜，來源很廣，主要有：酸、堿、鹽等的固體粉末；NO2，SO2，SO3等與水及金屬氧化物作用生成的次生鹽類；燃料燃燒產(chǎn)生的各種有機化合物—煙塵[9]；塵埃等。這些顆粒懸浮物降落在化石表面，一旦遇到潮濕空氣，可溶性的酸、堿、鹽就會使化石表層受腐蝕而風化、剝落。

2.2.4 溶鹽對化石的化學破壞

溶鹽對化石的破壞既嚴重又復雜，是一種典型的物理化學反應?？扇苄喳}隨地下水或地表水深入化石或圍巖中，在化石或圍巖內(nèi)部發(fā)生化學反應或結(jié)晶膨脹，使化石或圍巖風化破壞。此外，受外界水和酸性氣體的影響，難溶性鹽可轉(zhuǎn)化成易溶性鹽，易溶鹽隨水流失，加速了化石的風化。

2.2.5 酸雨、酸霧對化石的化學溶蝕破壞

酸雨、酸霧接觸到恐龍化石和圍巖，會產(chǎn)生較強的破壞作用。特別是含鈣較高的化石或圍巖對酸雨更敏感，在酸雨淋蝕巖石的過程中，帶入侵蝕性HNO3，HSO4，H2CO3等氧化劑，促使碳酸鹽、硫酸鹽分解，形成可溶性鹽，使化石或圍巖變松、變軟。

2.3 恐龍化石及其圍巖的生物風化破壞

地球上存在著大量的、各種各樣的生物，這些生物生長在地球表面的各個角落，包括空氣中、水中以及發(fā)掘后化石的裂隙中。導致恐龍化石及其圍巖破壞的生物主要有2大類:一類是地衣、細菌、真菌等微生物；二是植物、苔蘚、昆蟲及哺乳動物等較高級的生物。這些生物在化石及其圍巖表面或表層空隙中生長、代謝、活動與死亡的整個生命過程中都直接或間接地侵蝕破壞恐龍化石及圍巖。生物的風化破壞作用盡管較為緩慢，但長期作用的累積效應仍不可低估。據(jù)估計，地球上約有三分之一的巖石表層腐蝕是生物作用的結(jié)果。但因受氣候因素影響，不同的地區(qū)生物繁殖的種類、數(shù)量和繁殖速度是不相同的，由此產(chǎn)生的風化破壞也有顯著的區(qū)別。氣候溫暖濕潤的地區(qū)生物種類多、繁殖快、活動頻率高，產(chǎn)生的生物風化作用就強。

2.3.1 植物根系對恐龍化石或圍巖的風化破壞

植物根系對恐龍化石或圍巖的風化破壞，又稱根劈作用。潛入恐龍化石及圍巖縫隙中的植物的根系隨植物的生長而日益壯大，其對恐龍化石或圍巖裂隙的脹應力也隨之逐漸增大，從而導致裂隙不斷發(fā)展，造成嚴重的機械破壞。地表水也會攜帶著土壤中的可溶鹽，沿著植物根系慢慢滲到化石或圍巖中。當水分蒸發(fā)或運移時，溶鹽在化石或圍巖中遷入遷出或結(jié)晶析出，導致化石或圍巖成分、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，加速了化石的化學風化及物理風化。

2.3.2 菌類微生物及低等植物對恐龍化石或圍巖的風化破壞

在氣候適宜的地區(qū)，特別是溫暖潮濕環(huán)境中的恐龍化石或圍巖的表面(或表層)多有菌類及低等植物的共生復合體生長繁殖。菌類(特別是霉菌)和一些低等植物的生長繁殖，會產(chǎn)生酸解作用和絡解作用，其結(jié)果是受作用的恐龍化石或圍巖被分解成含有腐植質(zhì)的松散土壤。微生物酸解作用主要表現(xiàn)為巖石中礦物元素以離子形式從巖石中溶出的過程，微生物的絡解作用是微生物在生命過程中形成上面所述的各種有機酸，這些酸作為配體與Ca2+，Mg2+等離子形成絡合物并從巖石中溶出[9]，從而使恐龍化石或圍巖遭到破壞。

2.3.3 昆蟲及哺乳動物等高等生物對恐龍化石或圍巖的風化破壞

昆蟲及哺乳動物等高等生物在恐龍化石或圍巖上生活、活動時，會導致化石或圍巖因踩踏、鉆穴等而遭受破壞。他們留在化石或圍巖表面的排泄物富含各類化學物質(zhì)，對化石或圍巖具有較強的腐蝕作用。另外，人類的各種生產(chǎn)活動，對恐龍化石和圍巖造成的劇烈破壞也是不容忽視的。

3 結(jié)論

導致恐龍化石及其圍巖風化破壞的因素包括內(nèi)因和外因，外因是直接因素，內(nèi)因則反映了恐龍化石或圍巖抵御風化破壞的能力。同等外因作用下，物理化學性質(zhì)穩(wěn)定的化石或圍巖抗風化能力強，就不易發(fā)生風化破壞。同樣的化石或圍巖受到不同的外因影響，也會產(chǎn)生不同的破壞作用。因此，不同恐龍化石產(chǎn)地采取保護措施時，應根據(jù)恐龍化石自身的狀況和當?shù)氐臍夂驐l件、地理要素、經(jīng)濟社會發(fā)展狀況等，篩選出可能導致恐龍化石或圍巖風化破壞的主要因素，然后有針對性地采取措施予以保護。南方溫濕地區(qū)應以防滲水、防酸雨、防生物破壞為重點；北方干冷地區(qū)則重點是防冰凍、防風沙、防潮、防溶鹽等，當然，防止突然降水引起的沖刷也十分重要。對于四季分明、降水集中的過渡地帶，造成恐龍化石風化破壞的因素十分復雜，因此采取保護措施時，也要因地制宜，既要考慮防滲、防潮、防酸雨、防生物破壞，又要考慮防冰凍、防溶鹽等。