科学家解析哈密翼龙化石风化机理

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  近日,《中国科学:地球科学》及其英文版SCIENCE CHINA Earth Sciences同时在线发表了中国科学院古脊椎动物与古人类研究所汪筱林团队和中国科学院大学合作关于哈密翼龙化石风化机理的最新研究成果。

  论文通讯作者汪筱林告诉《中国科学报》,通过哈密翼龙化石及围岩风化机理的研究,可为后续保护工作奠定基础。在日后进行保护时,除了研发合适的加固材料对化石和围岩进行加固保护处理外,受潮后的盐害治理也是重中之重。这一研究结果对极干旱高盐碱地区的化石保护具有普遍意义,具有潜在的应用价值。

  发现于我国新疆哈密戈壁的数以千万计的哈密翼龙及其三维立体保存的蛋与胚胎化石,被认为是翼龙研究两百年来最激动人心的发现之一。

  然而,化石标本从极其干旱炎热的原产地戈壁大漠到了相对潮湿的地方后,就会出现严重的自然风化现象,具体表现为化石围岩粉化和翼龙骨骼破碎。即便是进行渗胶加固处理后,依旧出现上述问题,严重威胁化石的安全,也影响后续研究和博物馆展陈。亟需开展针对性很强的风化机理研究。

  论文第一作者、博士研究生李颖告诉记者,早在2019年,研究团队对哈密翼龙化石围岩粉化破碎的原因就已进行了初步分析研究。通过薄片岩相和扫描电镜分析,结合X射线衍射结果,发现组成围岩的碎屑颗粒之间起着粘结作用的是石盐、方解石和黏土矿物。通过离子色谱分析,发现化石围岩的可溶盐含量高出安全域值近4倍。

  该研究是在对哈密翼龙化石围岩风化机理研究的基础上,对骨骼化石开展进一步的研究,主要是要了解骨骼化石自然风化破碎的原因,以及了解化石与围岩自然风化破碎的异同。

  借助X射线荧光光谱分析,发现骨骼化石钙磷比约为1.16,明显低于羟基磷灰石的1.67。通过傅里叶红外光谱仪分析,发现骨骼的磷酸盐结晶度指数高达4.17,且存在CO32-替代骨骼中羟基磷灰石PO43-的现象。通过X射线衍射图谱发现骨骼化石中含有少量方解石,借助扫描电镜及能谱仪,发现这些方解石填充在骨骼的脉管道内。以上结果均表明化石经历了严重的后期成岩改造作用。

  除此之外,通过X射线衍射及离子色谱分析对中空骨骼等内部的填充物进行分析,初步认为骨骼化石自然开裂剥落破碎的主要原因包括两个方面:

  首先,与围岩风化原因类似,骨骼化石也遭受强烈的盐碱矿物遇潮自然风化作用(盐风化)。化石从常年干旱炎热的戈壁地区到了相对湿润的新环境后,随着外界环境温度和湿度的变化,NaCl、Na2SO4等可溶盐在骨骼内不断溶解和重结晶,必然产生巨大的结晶压和水化压。而翼龙化石在埋藏后的成岩过程中,有机质流失,其抗拉强度急剧下降。当温湿度发生变化,可溶盐不断溶解重结晶,此过程中释放的结晶压和水化压已经超过化石的抗拉强度,使化石开裂剥落。

  其次,由于化石各组分之间热膨胀系数不同,在巨大温差作用下,化石内部产生巨大热应力导致开裂。应力的来源一方面是在骨骼的脉管道等孔隙中存在一定量的方解石,其热膨胀系数存在各向异性,随着温度不断变化,骨骼内的方解石与羟磷灰石膨胀收缩的体积不同,造成应力的局部集中,产生微裂隙,从而对化石结构造成破坏。

  另一方面,由于外部围岩、骨骼化石和内部填充物三者之间的热膨胀系数不同,在温度变化下,以方解石为主的内部填充物、骨骼化石和外部砂岩的热膨胀系数不同导致化石产生热应力,在昼夜温度的循环变化下,围岩—骨骼化石界面和骨骼化石—填充物界面会不断产生应力,在长期的应力作用下会使得化石开裂剥落。

  该研究得到国家自然科学基金面上项目和基础科学中心项目、中国科学院青年创新促进会基金和哈密市政府合作项目的资助。

  相关论文信息:http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11430-020-9702-8 

  http://engine.scichina.com/doi/10.1360/SSTe-2020-0103

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