CN105784579B - 一种用于模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的系统，属于化石腐蚀技术领域。所述系统包括滴定瓶、铁架台、滴定管、滴定针头、显微镜、计算机、显微载物台及烧杯。本发明还涉及利用所述系统模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的方法。本发明在相同腐蚀pH值条件下，动态模拟自然界酸连续腐蚀恐龙骨骼化石，完成了对连续腐蚀时的实时图像摄取及精确定位，实现了连续腐蚀时钙离子的收集。采用CCD实时摄取腐蚀图像，并利用IPP软件进行定量分析，分析结果更具有科学性。本发明装置结构简单、成本低廉、实验过程简化、能实时获取化石形貌变化及矿物离子变化、是一种低成本、低能耗、操作方便、设备简单，能实现对恐龙化石酸雨腐蚀过程进行准确模拟的系统及方法。

Description

一种用于模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的系统及方法
技术领域
本发明属于化石腐蚀技术领域，具体为一种用于模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的系统及方法。
背景技术
恐龙是地球历史上最为成功和体躯最大的陆生动物，它们曾经统治地球长达一亿六千万年之久，但它们在6500万年前的白垩纪末期的突然灭绝给人类留下了一个千古不解之谜。而恐龙化石是人类了解恐龙奥秘的重要实物依据，对于中生代时期地球历史的变迁和爬行动物的演化，及古地理、古气候、古生态等方面的研究都具有非常重要的科学价值。中国是世界上恐龙化石资源最丰富的国家，在二十多个省(市、自治区)都发现了丰富的恐龙化石，恐龙化石是大自然赐予人类的不可再生的宝贵财富，但恐龙化石一旦出土后，就不可避免地受到风雨侵蚀而自然风化和损坏，特别是近代工业的发展，环境污染和酸雨对恐龙化石的侵蚀变得越来越严重。目前，我国酸雨面积已占国土面积的40％，是继欧洲和北美之后的第3大酸雨区。工业污染对恐龙化石的腐蚀主要是释放到空气中的二氧化硫、二氧化碳等酸性气体溶于雾气、雨露和潮湿表面，加上氧气等因素的作用形成了较稀的酸，随着水的气化，酸会增浓，当这种酸和恐龙化石的表面接触时就会发生化学侵蚀，对恐龙化石造成不可逆转及修复的腐蚀。
为了延缓恐龙化石的风化及腐蚀损坏，需要对恐龙化石的风化及腐蚀过程进行探讨，从理论上研究恐龙化石被风化及腐蚀的原因，进而针对腐蚀机理有效地延缓恐龙化石被腐蚀，达到对恐龙化石的保护效果。现有技术中已公开的对化石腐蚀的研究主要有以下几个方面：
邓建国等发表的《恐龙化石的人工加速腐蚀研究》将取自自贡恐龙博物馆恐龙化石样品进行切割、打磨，制成表面光滑块状化石试样(2cm×2cm×1cm)，采用不同浓度硫酸溶液对自贡出土恐龙化石模拟自然酸雨环境进行人工加速腐蚀实验，利用失重法、XRD、XRF和显微法表征恐龙化石腐蚀情况。但这一技术存在以下不足：此技术是将试样首先在显微镜下摄像记录，而后分别放入不同硫酸溶液中浸泡腐蚀，每隔一定时段取出试样清洗、烘干、摄像记录，因而图像的记录间隙进行，不连续；此技术存在实验过程较为繁琐，同时试验不同时段图像摄取位置确定困难，定位容易产生偏差；且此技术不能实现对腐蚀后混合溶液中离子的收集测定。
孙明虎等发表的《酸雨对泰山古碑石刻侵蚀的模拟研究》采用pH分别为3.0、3.8、4.7、5.6的人工模拟酸雨对泰山花岗石进行周期浸泡实验，测定不同pH值下的腐蚀速率；同时利用扫描电子显微镜(SEM)观测试验前后样品表面特征；并对浸泡前后的样品表面粉末进行X射线衍射分析，研究我国华东典型山地地区的酸沉降对文物古迹的影响。但这一技术存在以下不足：此技术是以石材作为人工腐蚀研究对象，而并非针对恐龙化石；此技术采用首先在显微镜下摄像腐蚀前石材表面图像，在低离子浓度模拟溶液中浸泡10个周期后的石材在清洁的室内风干，然后用扫描电子显微镜(SEM)，获得各石材被酸雨腐蚀的表面图像，因而图像摄取为间隙进行，不连续，同时，存在定位不准及未对钙离子的变化进行定性分析的缺陷。
汤剑等发表的《模拟酸雨对石灰岩的破坏和表面腐蚀》以不同pH值(4.0，5.6)的稀硫酸溶液模拟酸雨对石灰岩进行淋溶处理，研究不同酸度酸雨对石灰岩腐蚀的影响，包括溶液中pH值变化，Ca2+离子浓度变化、石灰岩表面粗糙度变化、重量损失和表面结构变化。但这一技术存在以下不足：此技术是以石材作为人工腐蚀研究对象，而非针对恐龙骨骼化石，腐蚀对象间存在差异；对石材进行淋溶循环腐蚀时，pH值随着腐蚀循环时间的增加而增大，不能保持PH值的一致性；对钙离子的定性分析不是在相同pH值条件下进行，不能掌握恐龙骨骼化石在相同pH值连续腐蚀情况钙离子的变化规律。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种结构简单、成本低廉、实验过程简化，能实时获取腐蚀过程中化石形貌变化、化石矿物离子变化及易于实现对恐龙化石酸雨腐蚀过程进行模拟的系统及方法，本发明通过以下技术方案来实现：
一种用于模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的系统，包括滴定瓶、铁架台、滴定管、滴定针头、显微镜、计算机、显微载物台及烧杯，所述滴定瓶位于铁架台上端，所述滴定管与滴定瓶的下口部连接，所述滴定针头安装在滴定管的下端，所述显微镜位于显微载物台的上部，所述计算机与显微镜相连接，所述烧杯位于显微载物台下部。铁架台用来对滴定瓶进行固定；滴定管及滴定针头用来实现酸溶液向恐龙骨骼化石切片的传输，对切片进行腐蚀；显微镜用来对恐龙切片进行实时拍照，显微载物台用来对恐龙切片进行放置，以实现对其腐蚀图像的摄取；计算机用来对摄取的腐蚀图像进行处理，烧杯用来对腐蚀混合液进行收集，以实现对其中钙离子的测定。
作为本发明系统的一种优选，所述显微载物台上还设置有槽型玻璃片。槽型玻璃片用来对恐龙骨骼化石切片进行固定，以实现酸溶液对其腐蚀。
作为本发明系统的一种优选，所述槽型玻璃片中还设置有引物线。引物线用来对恐龙骨骼化石经酸溶液腐蚀过后的腐蚀混合液进行引流，使其流入到槽型玻璃片下方的烧杯中，即实现对腐蚀混合液的收集。
作为本发明系统的一种优选，所述显微镜中带有半导体成像(CCD)摄像系统。CCD摄像系统用来实现对被酸溶液腐蚀的恐龙骨骼化石进行实时拍照。
作为本发明系统的一种优选，所述计算机上安装有图像处理软件。计算机及图像处理软件与显微镜相连，用来对显微镜摄取的恐龙骨骼化石腐蚀图像进行获取及处理，在使用时，应根据具体图像效果对图像处理软件的参数进行调节。
作为本发明方法的一种优选，所述图像处理软件为Image-ProPlus(IPP)软件中的RGB和HIS颜色模型。
本发明一种用于研究恐龙化石酸雨腐蚀机理的方法，包括以下步骤：
1)选用恐龙骨骼化石，并制作成切片；
2)配制连续滴定腐蚀用酸溶液，装入滴定瓶；
3)将恐龙骨骼化石切片置放于显微载物台槽型玻片中并固定，然后将滴定针头固定安装在化石切片上部；
4)开启CCD摄像系统，调整显微载物台，使化石图像能够在计算机屏幕中被清晰观察出；
5)开启滴定管上阀门开关，酸溶液从滴定瓶中沿滴定管经滴定针头滴入恐龙化石切片表面，同时，利用CCD摄像系统摄取第一张图像并保存，然后每隔1小时拍摄一次试样显微形貌并保存，酸溶液的连续动态滴定腐蚀时间为12小时，每隔3小时将烧杯中收集的腐蚀混合液放入钙离子测定瓶中，并进行标记；
6)利用计算机图像处理软件对步骤5)中摄取的不同时段图像进行数据化处理，获取图像中色阶面积值随时间的变化情况；
7)对步骤5)不同时段收集到的腐蚀混合液分别进行钙离子含量的测定。
作为本发明方法的一种优选，所述切片大小为3cm×1.5cm×0.1cm。使用时需将切片打磨、抛光至表面光滑。
作为本发明方法的一种优选，所述酸溶液为硫酸溶液，碳酸溶液或硝酸溶液中的一种或几种。
作为本发明方法的一种优选，所述滴定针头距离恐龙骨骼化石切片的垂直距离为0.1～1mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.实现了在相同腐蚀液浓度、pH值条件下，动态模拟自然界酸连续腐蚀恐龙骨骼化石的物理条件，包括自然的滴定状态、维持酸浓度不变等。
2.完成了在相同pH值条件下对恐龙骨骼化石连续腐蚀时的实时图像摄取，实现了恐龙化石腐蚀时图像摄取的精确定位，克服了一般技术中在图像摄取时定位不准确性问题，做到了在材料整个腐蚀过程中的实时观察和实时图像摄取。
3.实现了在相同pH值条件下对恐龙骨骼化石连续腐蚀时钙离子的连续收集，从而能准确地掌握恐龙化石在腐蚀过程中矿物质的腐蚀变化情况。
4.采用CCD技术实时摄取腐蚀各阶段图像，利用IPP软件将摄取图像进行定量分析，分析结果更具有科学性；定量表征恐龙骨骼化石腐蚀程度变化，实现自然界酸雨对恐龙化石腐蚀过程的模拟，进而分析恐龙化石在自然环境下的风化进程。
5.与现有技术相比，本发明所用装置结构简单、成本低廉、实验过程简化、能实时获取腐蚀过程中化石形貌变化及矿物离子变化、腐蚀液间转换容易，是一种低成本、低能耗、操作方便、设备兼容性好，能实现对恐龙化石风化腐蚀过程进行准确模拟的新系统及方法。
附图说明
图1为本发明模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的系统；
图2为本发明不同硫酸浓度下恐龙骨骼化石腐蚀图像中R色阶面积值随时间变化曲线；
附图说明：1-滴定瓶；2-铁架台；3-滴定管；4-滴定针头；5-显微镜；6-计算机；7-显微载物台；8-烧杯；9-槽型玻璃片；10-引物线；11-恐龙骨骼切片；12-酸溶液；13-腐蚀混合液。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种用于模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的系统，如图1所示，包括滴定瓶1、铁架台2、滴定管3、滴定针头4、显微镜5、计算机6、显微载物7台及烧杯8，所述滴定瓶1位于铁架台2上端，所述滴定管3与滴定瓶1的下口部连接，所述滴定针头4安装在滴定管3的下端，所述显微镜5位于显微载物台7的上部，所述计算机6与显微镜5相连接，所述烧杯位于显微载物台7下部。铁架台2用来对滴定瓶1进行固定；滴定管3及滴定针头4用来实现酸溶液12向恐龙骨骼化石切片11的传输，对骨骼化石切片11进行腐蚀；显微镜5用来对骨骼化石切片11进行实时拍照，显微载物台7用来对骨骼化石切片11进行放置，以实现对其腐蚀图像的摄取；计算机6用来对摄取的腐蚀图像进行处理，烧杯8用来对腐蚀混合液13进行收集，以实现对其中钙离子的测定。
所述显微载物台7上还设置有槽型玻璃片9，槽型玻璃片9用来对恐龙骨骼化石切片进行固定，以实现酸溶液对其腐蚀。所述槽型玻璃片9中还设置有引物线10。引物线10用来对恐龙骨骼化石经酸溶液12腐蚀过后的腐蚀混合液13进行引流，使其流入到槽型玻璃片9下方的烧杯8中，即实现对腐蚀混合液13的收集。所述显微镜中带有半导体成像(CCD)摄像系统，CCD摄像系统用来实现对被酸溶液腐蚀的恐龙骨骼化石进行实时拍照；所述计算机6上安装有图像处理软件，计算机及图像处理软件与显微镜5相连，用来对显微镜5摄取的恐龙骨骼化石腐蚀图像进行获取及处理，在使用时，应根据具体图像效果对图像处理软件的参数进行调节。
完成上述模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程系统的安装，即可进行人工模拟恐龙化石酸雨腐蚀试验，本发明人工模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的方法包括以下步骤：
1)选用恐龙骨骼化石，并制作成3cm×1.5cm×0.1cm的切片；
2)配制连续滴定腐蚀用硫酸溶液(浓度分别为0.5mol/L、1mol/L、2mol/L)，装入滴定瓶，并分别标记为1#、2#、3#；
3)将恐龙骨骼化石切片置放于显微载物台槽型玻片中并固定，然后将滴定针头固定安装在化石切片上部，保持滴定针头距离恐龙骨骼化石切片的垂直距离为0.5mm。
4)开启CCD摄像系统，调整显微载物台，使化石图像能够在计算机屏幕中被清晰观察出；
5)开启滴定管上阀门开关，将硫酸溶液(浓度为0.5mol/L)从滴定瓶中沿滴定管经滴定针头滴入恐龙化石切片表面，同时，利用CCD摄像系统摄取第一张图像并保存，然后每隔1小时拍摄一次试样显微形貌并保存，硫酸溶液的连续动态滴定腐蚀时间为12小时，每隔3小时从烧杯中收集10ml的腐蚀混合液放入钙离子测定瓶中，并进行标记，将滴定液更换为1mol/L和2mol/L的硫酸溶液，重复上述滴定过程；
6)利用计算机图像处理软件Image-ProPlus(IPP)软件中的RGB和HIS颜色模型对步骤5)中摄取的不同时段图像进行数据化处理，获取图像中色阶面积值随时间的变化情况；
7)对步骤5)不同时段收集到的腐蚀混合液分别进行钙离子含量的测定。
按照上述步骤即完成本发明人工模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程，利用IPP软件中RGB和HIS颜色模型进行数据处理，获取图像中色阶的面积值随时间变化情况，本发明不同浓度下恐龙骨骼化石腐蚀图像中R色阶面积值随时间变化趋势如图2所示，其中，横坐标表示腐蚀时间，纵坐标表示图像中R色阶面积值，R色阶面积值可以从直观上反应恐龙化石的腐蚀量，R色阶面积值越大，腐蚀量越多，R色阶面积值越小，腐蚀量越小。
从图2可以看出：三种不同硫酸浓度下，腐蚀图像中R色阶面积值随腐蚀时间的延长，呈现先大后逐渐减小的趋势。表明硫酸溶液与恐龙化石中的方解石发生剧烈反应生成了硫酸钙并被溶液带走，随着腐蚀时间的增长，恐龙化石中的方解石及钙离子含量逐渐降低，硫酸溶液对其腐蚀也逐渐减弱，反应逐渐减弱，图像中R色阶面积值也越来越小，最后趋于平缓。三种不同浓度硫酸溶液对恐龙化石的腐蚀都是呈现先大后减小的趋势，但在腐蚀力度上也存在着差异，浓度为2mol/L的硫酸溶液，由于其浓度高，对恐龙化石的腐蚀大，R色阶面积值也越大，相反，浓度为0.5mol/L的硫酸溶液，其浓度低，对恐龙化石的腐蚀性相对较弱，在整个腐蚀过程中R色阶面积值也相对较小，这一结论与酸浓度越大，其腐蚀性越强的理论想符合。
利用原子吸收光谱仪对腐蚀混合液中的钙离子含量进行测定，验证腐蚀混合液中钙离子随时间的变化趋势。本实验选定浓度为0.5mol/L硫酸溶液进行滴定的腐蚀混合液进行钙离子含量测定，在不同滴定时间段腐蚀混合液中钙离子含量如下表1所示：
表1 不同时间段腐蚀混合液中钙离子含量
腐蚀时间(h) 腐蚀混合溶液中Ca2+含量(μg/ml) Ca2+含量增加量(μg/ml)
3 4.253927 4.253927
6 4.854865 0.600938
9 5.144973 0.290108
12 5.207139 0.062166
从表1可以看出，随着腐蚀时间的延长，收集到的腐蚀混合液中Ca2+离子含量呈现增长的趋势，但在前3小时Ca2+腐蚀量达到4.253927μg/ml，而到12小时Ca2+腐蚀量缩小到0.062166μg/ml，说明开始时腐蚀增加较快而后续则腐蚀增加比较缓慢，这一结果与采用图像中R色阶面积值分析结果基本一致，说明本发明方法能有效对恐龙化石腐蚀过程进行模拟，能实时对腐蚀图像进行摄取并能利用摄取的图像对腐蚀趋势进行准确分析，能有效达到人工模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选用恐龙骨骼化石，并制作成切片；
2)配制连续滴定腐蚀用酸溶液，装入滴定瓶；
3)将恐龙骨骼化石切片置放于显微载物台槽型玻璃片中并固定，然后将滴定针头固定安装在化石切片上部；
4)开启CCD摄像系统，调整显微载物台，使化石图像能够在计算机屏幕中被清晰观察出；
5)开启滴定管上阀门开关，酸溶液从滴定瓶中沿滴定管经滴定针头滴入恐龙化石切片表面，同时，利用CCD摄像系统摄取第一张图像并保存，然后每隔1小时拍摄一次试样显微形貌并保存，酸溶液的连续动态滴定腐蚀时间为12小时，每隔3小时将烧杯中收集的腐蚀混合液放入钙离子测定瓶中，并进行标记；
6)利用计算机图形处理软件对步骤5)中摄取的不同时段图像进行数据化处理，获取图像中色阶面积值随时间的变化情况；
7)对步骤5)不同时段收集到的腐蚀混合液分别进行钙离子含量的测定；
上述方法采用以下系统来实现，所述系统包括滴定瓶、铁架台、滴定管、滴定针头、显微镜、计算机、显微载物台及烧杯，所述滴定瓶位于铁架台上端，所述滴定管与滴定瓶的下口部连接，所述滴定针头安装在滴定管的下端，所述显微镜位于显微载物台的上部，所述计算机与显微镜相连接，所述烧杯位于显微载物台下部。
2.如权利要求1所述一种用于模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的方法，其特征在于，所述槽型玻璃片中还设置有引物线。
3.如权利要求1所述一种用于模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的方法，其特征在于，所述显微镜中带有所述CCD摄像系统。
4.如权利要求1所述一种用于模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的方法，其特征在于，所述计算机上安装有图像处理软件。
5.如权利要求4所述一种用于模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的方法，其特征在于，所述图像处理软件为Image-ProPlus(IPP)软件中的RGB和HIS颜色模型。
6.如权利要求1所述一种用于模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的方法，其特征在于，所述切片大小为3cm×1.5cm×0.1cm。
7.如权利要求1所述一种用于模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的方法，其特征在于，所述酸溶液为硫酸溶液，碳酸溶液或硝酸溶液中的一种或几种。
8.如权利要求1所述一种用于模拟恐龙化石酸雨腐蚀过程的方法，其特征在于，所述滴定针头距离恐龙骨骼化石切片的垂直距离为0.1～1mm。
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