Pétrification

En géologie , la pétrification (du grec ancien πέτρα ( pétra ) « roche, pierre ») est le processus par lequel la matière organique devient un fossile par le remplacement de la matière d'origine et le remplissage des espaces poreux d'origine par des minéraux . Le bois pétrifié est typique de ce processus, mais tous les organismes, des bactéries aux vertébrés, peuvent devenir pétrifiés (bien que les matières plus dures et plus durables comme les os, les becs et les coquilles survivent mieux au processus que les restes plus mous comme les tissus musculaires, les plumes ou la peau). La pétrification se produit par une combinaison de deux processus similaires : la perminéralisation et le remplacement. Ces processus créent des répliques du spécimen d'origine qui sont similaires jusqu'au niveau microscopique.

L'un des processus impliqués dans la pétrification est la perminéralisation. Les fossiles créés par ce processus ont tendance à contenir une grande quantité de la matière d'origine du spécimen. Ce processus se produit lorsque l'eau souterraine contenant des minéraux dissous (le plus souvent du quartz , de la calcite , de l'apatite (phosphate de calcium), de la sidérite (carbonate de fer) et de la pyrite ) remplit les espaces poreux et les cavités des spécimens, en particulier des os, des coquilles ou du bois. Les pores des tissus des organismes se remplissent lorsque ces minéraux précipitent hors de l'eau. Deux types courants de perminéralisation sont la silicification et la pyritisation.

La silicification est le processus par lequel la matière organique devient saturée de silice . Une source courante de silice est la matière volcanique. Des études ont montré que dans ce processus, la majeure partie de la matière organique d'origine est détruite. La silicification se produit le plus souvent dans deux environnements : soit le spécimen est enfoui dans les sédiments des deltas et des plaines inondables, soit les organismes sont enfouis dans les cendres volcaniques. L'eau doit être présente pour que la silicification se produise, car elle réduit la quantité d'oxygène présente et réduit donc la détérioration de l'organisme par les champignons, maintient la forme de l'organisme et permet le transport et le dépôt de silice. Le processus commence lorsqu'un spécimen est imprégné d'une solution aqueuse de silice. Les parois cellulaires du spécimen sont progressivement dissoutes et la silice se dépose dans les espaces vides. Dans les échantillons de bois, au fur et à mesure que le processus se déroule, la cellulose et la lignine, deux composants du bois, sont dégradées et remplacées par de la silice. Le spécimen est transformé en pierre (un processus appelé lithification) à mesure que l'eau est perdue. Pour que la silicification se produise, les conditions géothermiques doivent inclure un pH neutre à légèrement acide et une température et une pression similaires à celles des environnements sédimentaires de faible profondeur. Dans des conditions naturelles idéales, la silicification peut se produire à des taux proches de ceux observés dans la pétrification artificielle.

La pyritisation est un processus similaire à la silicification, mais implique plutôt le dépôt de fer et de soufre dans les pores et les cavités d'un organisme. La pyritisation peut donner naissance à des fossiles solides ainsi qu'à des tissus mous préservés. Dans les environnements marins, la pyritisation se produit lorsque les organismes sont enfouis dans des sédiments contenant une forte concentration de sulfures de fer. Les organismes libèrent du sulfure, qui réagit avec le fer dissous dans l'eau environnante, lorsqu'ils se décomposent. Cette réaction entre le fer et les sulfures forme de la pyrite (FeS ₂ ). Le matériau carbonaté de la coquille de l'organisme est ensuite remplacé par de la pyrite en raison d'une concentration plus élevée de pyrite et d'une concentration plus faible de carbonate dans l'eau environnante. La pyritisation se produit dans une moindre mesure chez les plantes vivant dans des environnements argileux.

Le remplacement, le deuxième processus impliqué dans la pétrification, se produit lorsque l'eau contenant des minéraux dissous dissout la matière solide d'origine d'un organisme, qui est ensuite remplacée par des minéraux. Cela peut se produire extrêmement lentement, reproduisant la structure microscopique de l'organisme. Plus la vitesse du processus est lente, mieux la structure microscopique sera définie. Les minéraux couramment impliqués dans le remplacement sont la calcite , la silice , la pyrite et l'hématite . Les restes biotiques préservés par le remplacement seul (par opposition à une combinaison avec la perminéralisation ) sont rarement trouvés, mais ces fossiles présentent une importance pour la paléontologie car ils ont tendance à être plus détaillés.

Les fossiles produits par le processus de pétrification ne sont pas seulement utilisés pour des études paléontologiques, mais ils ont également été utilisés comme pièces décoratives et informatives. Le bois pétrifié est utilisé de plusieurs façons. Les plaques de bois pétrifié peuvent être transformées en plateaux de table, ou les plaques elles-mêmes sont parfois exposées de manière décorative. De plus, de plus gros morceaux de bois ont été sculptés pour en faire des éviers et des bassines. D'autres gros morceaux peuvent également être transformés en chaises et tabourets. Le bois pétrifié et d'autres organismes pétrifiés ont également été utilisés dans la joaillerie, la sculpture, l'horlogerie, les cendriers et les coupes à fruits, ainsi que dans les décorations de paysage et de jardin.

Le bois pétrifié a également été utilisé dans la construction. La station-service Petrified Wood, située sur Main St Lamar, Colorado , a été construite en 1932 et se compose de murs et de planchers construits à partir de morceaux de bois pétrifié. La structure, construite par WG Brown, a depuis été convertie en espace de bureau et en concession de voitures d'occasion. Glen Rose, Texas, fournit encore plus d'exemples de l'utilisation du bois fossilisé en architecture. À partir des années 1920, les agriculteurs du comté de Somervell, au Texas, ont commencé à découvrir des arbres pétrifiés. Les artisans et maçons locaux ont ensuite construit plus de 65 structures à partir de ce bois pétrifié, dont 45 étaient encore debout en juin 2009. Ces structures comprennent des stations-service, des parterres de fleurs, des cottages, des restaurants, des fontaines et des poteaux de portail. Glen Rose, Texas est également connu pour le parc d'État de Dinosaur Valley et la formation Glen Rose , où des empreintes de dinosaures fossilisées de la période crétacée peuvent être observées. Un autre exemple de l'utilisation du bois pétrifié dans la construction est l' Agate House Pueblo dans le parc national de Petrified Forest en Arizona. Construit par les ancêtres Pueblo il y a environ 990 ans, ce bâtiment de huit pièces a été construit presque entièrement en bois pétrifié et aurait servi soit de maison familiale, soit de lieu de réunion.

Les scientifiques ont tenté de pétrifier artificiellement des organismes dès le XVIIIe siècle, lorsque Girolamo Segato a prétendu avoir soi-disant « pétrifié » des restes humains. Ses méthodes ont été perdues, mais la majeure partie de ses « pièces » sont exposées au Musée du Département d'anatomie de Florence , en Italie.

Des tentatives plus récentes ont été couronnées de succès et documentées, mais doivent être considérées comme une semi-pétrification ou une pétrification incomplète ou au moins comme la production d'un nouveau type de composite de bois, car le matériau bois reste dans une certaine mesure ; les constituants du bois (cellulose, lignines, lignanes, oléorésines, etc.) n'ont pas été remplacés par du silicate, mais ont été infiltrés par des solutions acides spécialement formulées de sels d'aluminosilicate qui se gélifient au contact de la matière ligneuse et forment une matrice de silicates dans le bois après avoir été laissés à réagir lentement pendant une période de temps donnée dans la solution ou durcis à la chaleur pour des résultats plus rapides. Hamilton Hicks de Greenwich, Connecticut , a reçu un brevet pour sa « recette » de pétrification artificielle rapide du bois sous le brevet américain 4 612 050 en 1986. La recette de Hicks se compose d'eau hautement minéralisée et d'une solution de silicate de sodium combinée à un acide dilué avec un pH de 4,0 à 5,5. Des échantillons de bois sont imprégnés de cette solution minérale par immersion et applications répétées de la solution. Le bois traité de cette manière est, selon les revendications du brevet, incapable de brûler et acquiert les caractéristiques du bois pétrifié. Certaines utilisations de ce produit, comme le suggère Hicks, incluent l'utilisation par les éleveurs de chevaux qui souhaitent des écuries ignifuges construites avec un matériau non toxique qui serait également résistant à la mastication du bois par les chevaux.

En 2005, des scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont annoncé avoir réussi à pétrifier artificiellement des échantillons de bois. Cependant, contrairement à la pétrification naturelle, ils ont infiltré des échantillons dans des solutions acides, les ont diffusés en interne avec du titane et du carbone et les ont cuits dans un four à haute température (environ 1 400 °C) dans une atmosphère inerte pour produire un composite à matrice céramique artificiel de carbure de titane et de carbure de silicium présentant toujours la structure initiale du bois. Les utilisations futures verraient ces matériaux bois-céramique pétrifiés artificiellement remplacer à terme les superalliages à base de métal (qui sont recouverts de céramique ultra-dure) dans l'industrie de l'outillage. D'autres matières végétales pourraient être traitées dans un processus similaire et produire des poudres abrasives.