Введение
Процесс окаменелости
В геологии, петрификация – это процесс, посредством которого органический материал превращается в окаменелость путем замещения исходного вещества и заполнения первоначальных пор минералами. Окаменевшее дерево является типичным примером этого процесса, но все организмы, от бактерий до позвоночных, могут подвергнуться петрификации (хотя более твердые и прочные материалы, такие как кости, клювы и раковины, сохраняются в этом процессе лучше, чем более мягкие остатки, такие как мышечная ткань, перья или кожа). Петрификация происходит в результате сочетания двух схожих процессов: перминерализации и замещения. Эти процессы создают реплики исходного образца, сохраняя детали вплоть до микроскопического уровня.
Перминерализация
Один из процессов, связанных с окаменелостью, — это перминерализация. Ископаемые, образованные в результате этого процесса, как правило, сохраняют значительное количество исходного материала образца. Этот процесс происходит, когда грунтовые воды, содержащие растворенные минералы (наиболее часто кварц, кальцит, апатит (фосфат кальция), сидерит (карбонат железа) и пирит), заполняют поры и полости в образцах, особенно в костях, раковинах или древесине. Поры тканей организмов заполняются при осаждении этих минералов из воды. Два распространенных типа перминерализации — силикация и пиритизация.
Силицирование
Силицификация – это процесс, при котором органическое вещество насыщается диоксидом кремния (кремнем). Распространенным источником кремния являются вулканические материалы. Исследования показали, что в ходе этого процесса большая часть исходного органического вещества разрушается. Силицификация чаще всего происходит в двух средах: либо образец захоронен в отложениях дельт и пойм рек, либо организмы захоронены в вулканическом пепле. Вода необходима для протекания силицификации, поскольку она снижает содержание кислорода, тем самым замедляя разложение организма грибками, сохраняет форму организма и обеспечивает транспортировку и отложение диоксида кремния. Процесс начинается с пропитывания образца водным раствором кремнезема. Клеточные стенки образца постепенно растворяются, и диоксид кремния откладывается в образовавшиеся пустоты. В образцах древесины по мере протекания процесса целлюлоза и лигнин – два компонента древесины – разрушаются и замещаются диоксидом кремния. Образец превращается в камень (этот процесс называется литификацией) по мере потери воды. Для протекания силицификации геотермические условия должны быть нейтральными или слабокислыми, а температура и давление должны соответствовать условиям осадочных сред на небольшой глубине. В идеальных природных условиях силицификация может происходить со скоростью, приближающейся к скорости, наблюдаемой при искусственном окаменении.
Пиритизация
Пиритизация – это процесс, сходный с силицификацией, но вместо этого включающий осаждение железа и серы в порах и полостях организма. Пиритизация может приводить к образованию как твердых окаменелостей, так и сохранению мягких тканей. В морских условиях пиритизация происходит, когда организмы захороняются в отложениях, содержащих высокую концентрацию сульфидов железа. При разложении организмы выделяют сульфид, который реагирует с растворенным железом в окружающей воде. Эта реакция между железом и сульфидами образует пирит (FeS2). Карбонатный материал раковины организма затем замещается пиритом из-за более высокой концентрации пирита и более низкой концентрации карбоната в окружающей воде. Пиритизация встречается в меньшей степени у растений в глинистых средах.
Применение
Не только окаменелости, образовавшиеся в процессе окаменения, используются для палеонтологических исследований, но и применяются в качестве декоративных и познавательных элементов. Окаменелое дерево используется различными способами. Из плит окаменелого дерева изготавливают столешницы, а сами плиты иногда демонстрируются как декоративные объекты. Также из крупных кусков дерева вырезают раковины и умывальники. Другие крупные фрагменты могут быть использованы для изготовления стульев и табуретов. Окаменелое дерево и другие окаменелые организмы также применяются в ювелирных изделиях, скульптуре, часовом деле, для изготовления пепельниц и фруктовниц, а также в ландшафтном и садовом дизайне.
Архитектура
В строительстве также используется окаменелая древесина. Автозаправочная станция Petrified Wood Gas Station, расположенная на улице Мейн-стрит в Ламаре, штат Колорадо, была построена в 1932 году и состоит из стен и полов, возведенных из фрагментов окаменелой древесины. Здание, построенное У. Г. Брауном, впоследствии было переоборудовано в офисное пространство и автосалон подержанных автомобилей. Глен Роуз, штат Техас, предлагает еще больше примеров использования окаменелой древесины в архитектуре. Начиная с 1920-х годов фермеры округа Сомервелл, штат Техас, начали находить окаменелые деревья. Местные мастера и каменщики построили из этой окаменелой древесины более 65 сооружений, 45 из которых сохранялись по состоянию на июнь 2009 года. Среди этих сооружений – автозаправочные станции, клумбы, коттеджи, рестораны, фонтаны и столбы ворот. Глен Роуз, штат Техас, также известен Государственным парком Долины динозавров и формацией Глен Роуз, где можно увидеть окаменелые следы динозавров мелового периода. Другой пример использования окаменелой древесины в строительстве – Агатный Дом Пуэбло в Национальном парке Петрифицированный лес в Аризоне. Построенный предками народа Пуэбло около 990 лет назад, этот восьмикомнатный дом был возведен почти полностью из окаменелой древесины и, предположительно, служил либо семейным жилищем, либо местом для собраний.
Искусственная окаменение
Ученые пытались искусственно окаменеть организмы еще в 18 веке, когда Гироламо Сегато утверждал, что якобы "окаменел" человеческие останки. Его методы были утеряны, но большая часть его "произведений" выставлена в Музее Анатомического департамента во Флоренции, Италия. Более поздние попытки были успешными и задокументированы, однако их следует рассматривать как полуокаменелость, неполную окаменелость или, по крайней мере, как создание нового типа древесного композита, поскольку древесный материал сохраняется в определенной степени; компоненты древесины (целлюлоза, лигнины, лигнаны, олеорезины и т.д.) не заменяются силикатом, а пропитываются специально разработанными кислотными растворами алюминосиликатных солей, которые вступают в реакцию с древесиной, образуя силикатную матрицу внутри древесины после медленного воздействия в течение определенного времени в растворе или при термообработке для ускорения процесса. Гамильтон Хикс из Гринвича, штат Коннектикут, получил патент США № 4,612,050 в 1986 году на свой "рецепт" быстрой искусственной окаменелости древесины. Рецепт Хикса состоит из сильно минерализованной 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. Согласно заявлению в патенте, древесина, обработанная таким образом, не горит и приобретает характеристики окаменевшей древесины. Хикс предполагает, что этот продукт может использоваться, например, коневодами для строительства огнестойких конюшен из нетоксичных материалов, устойчивых к разгрызанию лошадьми. В 2005 году ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) сообщили об успешной искусственной окаменелости образцов древесины. В отличие от естественной окаменелости, они пропитывали образцы кислотными растворами, диффундировали в них титан и углерод и обжигали в высокотемпературной печи (около 1400 °C) в инертной атмосфере, получив искусственный керамический матричный композит из карбида титана и карбида кремния, сохраняющий исходную структуру древесины. В будущем эти искусственно окаменевшие древесные керамические материалы могут заменить металлические суперсплавы (покрытые сверхтвердой керамикой) в инструментальной промышленности. Другое растительное сырье также можно обрабатывать аналогичным способом для получения абразивных порошков.