В геологии окаменение или петрифика́ция (от древнегреческого πέτρα ( pétra ) «камень, скала») — это процесс, при котором органический материал становится ископаемым путем замены исходного материала и заполнения исходных пор минералами . Окаменевшее дерево является типичным примером этого процесса, но все организмы, от бактерий до позвоночных, могут окаменеть (хотя более твердые, прочные материалы, такие как кости, клювы и раковины, переживают этот процесс лучше, чем более мягкие останки, такие как мышечная ткань, перья или кожа). Окаменение происходит посредством комбинации двух схожих процессов: перминерализации и замены. Эти процессы создают копии исходного образца, которые похожи вплоть до микроскопического уровня. [1]
Одним из процессов, вовлеченных в окаменение, является перминерализация. Окаменелости , созданные в ходе этого процесса, как правило, содержат большое количество исходного материала образца. Этот процесс происходит, когда грунтовые воды, содержащие растворенные минералы (чаще всего кварц , кальцит , апатит (фосфат кальция), сидерит (карбонат железа) и пирит ), [2] заполняют поры и полости образцов, особенно костей, раковин или древесины. [3] Поры тканей организмов заполняются, когда эти минералы выпадают в осадок из воды. Два распространенных типа перминерализации — это окремнение и пиритизация.
Силицификация — это процесс, при котором органическое вещество насыщается кремнием . Распространенным источником кремния является вулканический материал. Исследования показали, что в этом процессе большая часть исходного органического вещества разрушается. [4] [5] Силицификация чаще всего происходит в двух средах — либо образец захоронен в отложениях дельт и пойм, либо организмы захоронены в вулканическом пепле. Для силицификации должна присутствовать вода, поскольку она уменьшает количество присутствующего кислорода и, следовательно, уменьшает разрушение организма грибками, поддерживает форму организма и позволяет транспортировать и откладывать кремний. Процесс начинается, когда образец пропитывается водным раствором кремния. Стенки клеток образца постепенно растворяются, и кремний откладывается в пустых пространствах. В образцах древесины по мере протекания процесса целлюлоза и лигнин, два компонента древесины, разрушаются и заменяются кремнием. Образец превращается в камень (процесс, называемый литификацией) по мере потери воды. Для того, чтобы произошло окремнение, геотермические условия должны включать нейтральный или слегка кислый pH [6] и температуру и давление, аналогичные мелкоглубинным осадочным средам. В идеальных природных условиях окремнение может происходить со скоростью, приближающейся к той, которая наблюдается при искусственном окаменении. [7]
Пиритизация — это процесс, похожий на окремнение, но вместо этого включающий отложение железа и серы в порах и полостях организма. Пиритизация может привести как к твердым окаменелостям, так и к сохраненным мягким тканям. В морской среде пиритизация происходит, когда организмы захоронены в отложениях, содержащих высокую концентрацию сульфидов железа. Организмы выделяют сульфид, который реагирует с растворенным железом в окружающей воде, когда они разлагаются. Эта реакция между железом и сульфидами образует пирит (FeS2 ) . Карбонатный материал оболочки организма затем заменяется пиритом из-за более высокой концентрации пирита и более низкой концентрации карбоната в окружающей воде. Пиритизация происходит в меньшей степени в растениях в глинистой среде. [3]
Замена, второй процесс, вовлеченный в окаменение, происходит, когда вода, содержащая растворенные минералы, растворяет исходный твердый материал организма, который затем заменяется минералами. Это может происходить чрезвычайно медленно, копируя микроскопическую структуру организма. Чем медленнее скорость процесса, тем лучше будет определена микроскопическая структура. Минералы, обычно участвующие в замене, - это кальцит , кремний , пирит и гематит . [3] Биотические останки, сохранившиеся только за счет замены (в отличие от сочетания с перминерализацией ), встречаются редко, но эти окаменелости представляют ценность для палеонтологии, поскольку они, как правило, более детализированы. [8] [ ненадежный дополнительный источник? ]
Окаменелости, полученные в процессе окаменения, используются не только для палеонтологических исследований, но и в качестве декоративных и информативных предметов. Окаменелое дерево используется несколькими способами. Плиты окаменелого дерева могут быть использованы в качестве столешниц, или сами плиты иногда выставляются в декоративном виде. Кроме того, более крупные куски дерева вырезаются в раковины и тазы. Другие большие куски также могут быть использованы в качестве стульев и табуретов. Окаменелое дерево и другие окаменелые организмы также используются в ювелирных изделиях, скульптуре, изготовлении часов, пепельниц и ваз для фруктов, а также в ландшафтных и садовых украшениях.
Окаменевшее дерево также использовалось в строительстве. Газовая станция Petrified Wood, [9] расположенная на Main St Lamar, Colorado , была построена в 1932 году и состоит из стен и полов, построенных из кусков окаменевшего дерева. Сооружение, построенное WG Brown, с тех пор было преобразовано в офисное помещение и автосалон подержанных автомобилей. [10] Глен Роуз, Техас, представляет собой еще больше примеров использования окаменелого дерева в архитектуре. Начиная с 1920-х годов фермеры округа Сомервелл, Техас, начали находить окаменелые деревья. Затем местные мастера и каменщики построили более 65 сооружений из этого окаменевшего дерева, 45 из которых все еще стояли по состоянию на июнь 2009 года. Эти сооружения включают заправочные станции, клумбы, коттеджи, рестораны, фонтаны и воротные столбы. [11] Глен Роуз, Техас , также известен государственным парком «Долина динозавров» и формацией Глен Роуз , где можно увидеть окаменелые следы динозавров мелового периода. [12] Другим примером использования окаменелого дерева в строительстве является Agate House Pueblo в Национальном парке Petrified Forest в Аризоне. Построенное предками пуэбло около 990 лет назад, это восьмикомнатное здание было построено почти полностью из окаменелого дерева и, как полагают, служило либо семейным домом, либо местом встреч. [13]
Ученые пытались искусственно окаменеть организмы еще в XVIII веке, когда Джироламо Сегато утверждал, что якобы «окаменел» человеческие останки. Его методы были утеряны, но большая часть его «частей» выставлена в Музее кафедры анатомии во Флоренции , Италия. [14]
Более поздние попытки были как успешными, так и задокументированными, но их следует рассматривать как полуокаменение или неполное окаменение или, по крайней мере, как создание какого-то нового типа древесного композита, поскольку древесный материал сохраняется в определенной степени; компоненты древесины (целлюлоза, лигнины, лигнаны, олеорезины и т. д.) не были заменены силикатом, но были пропитаны специально разработанными кислотными растворами алюмосиликатных солей, которые превращаются в гель при контакте с древесным веществом и образуют матрицу силикатов внутри древесины после того, как их оставили медленно реагировать в течение определенного периода времени в растворе или подвергли термическому отверждению для более быстрого результата. Гамильтон Хикс из Гринвича, штат Коннектикут , получил патент на свой «рецепт» быстрого искусственного окаменения древесины по патенту США 4 612 050 в 1986 году. [15] Рецепт Хикса состоит из высокоминерализованной воды и раствора силиката натрия в сочетании с разбавленной кислотой с pH 4,0-5,5. Образцы древесины пропитываются этим минеральным раствором путем многократного погружения и нанесения раствора. Древесина, обработанная таким образом, согласно патенту, не может гореть и приобретает свойства окаменелого дерева. Некоторые варианты использования этого продукта, предложенные Хиксом, включают использование коневодами, которым нужны огнестойкие конюшни, построенные из нетоксичного материала, который также был бы устойчив к жеванию древесины лошадьми. [16]
В 2005 году ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) сообщили, что им удалось искусственно окаменеть образцы древесины. Однако в отличие от естественного окаменения, они пропитывали образцы кислотными растворами, диффундировали внутрь с титаном и углеродом и обжигали их в высокотемпературной печи (около 1400 °C) в инертной атмосфере, чтобы получить искусственный керамический матричный композит из карбида титана и карбида кремния, все еще показывающий первоначальную структуру древесины. Будущее использование приведет к тому, что эти искусственно окаменевшие древесно-керамические материалы в конечном итоге заменят металлические суперсплавы (которые покрыты сверхтвердой керамикой) в инструментальной промышленности. Другие растительные вещества можно было бы обрабатывать аналогичным способом и получать абразивные порошки. [17]