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地質学において、石化（古代ギリシャ語のπέτρα（pétra）「岩、石」に由来）とは、有機物が元の物質の置換と元の空隙への鉱物の充填によって化石となる過程のことである。珪化木はこの過程の典型例であるが、バクテリアから脊椎動物まで、あらゆる生物が石化することができる（ただし、骨、くちばし、貝殻などの硬くて耐久性のある物質は、筋肉組織、羽毛、皮膚などの柔らかい遺物よりもこの過程を生き延びる）。石化は、鉱化作用と置換作用という2つの類似した過程の組み合わせによって起こる。これらの過程によって、元の標本の複製が作られ、それは顕微鏡レベルまで類似している。[ 1 ]
石化に関わる過程の一つに鉱物化があります。この過程を経てできた化石には、標本の元の物質が大量に含まれている傾向があります。この過程は、溶解した鉱物（最も一般的なのは石英、方解石、アパタイト（リン酸カルシウム）、菱鉄鉱（炭酸鉄）、黄鉄鉱）[ 2 ]を含む地下水が、標本、特に骨、貝殻、木材[ 3 ]の空隙や空洞を満たすときに起こります。これらの鉱物が水から沈殿すると、生物の組織の空洞が満たされます。一般的な鉱物化の2つのタイプは、珪化作用と黄鉄鉱化作用です。
珪化とは、有機物がシリカで飽和する過程です。シリカの一般的な供給源は火山物質です。研究によると、この過程で元の有機物の大部分が破壊されます。[ 4 ] [ 5 ]珪化は、試料が三角州や氾濫原の堆積物に埋まっているか、生物が火山灰に埋まっているかの2つの環境で最もよく起こります。珪化が起こるには水が必要です。水は存在する酸素の量を減らし、それによって菌類による生物の劣化を減らし、生物の形状を維持し、シリカの輸送と沈着を可能にするからです。この過程は、試料が水性シリカ溶液に浸透したときに始まります。試料の細胞壁は徐々に溶解し、シリカが空隙に沈着します。木材試料では、この過程が進むにつれて、木材の2つの成分であるセルロースとリグニンが分解され、シリカに置き換わります。水が失われると、試料は石に変化します（石化と呼ばれる過程）。珪化が起こるためには、地熱条件として中性から弱酸性のpH [ 6 ]と、浅い深度の堆積環境に似た温度と圧力が必要である。理想的な自然条件下では、珪化は人工的な石化で見られる速度に匹敵する速度で起こり得る[ 7 ] 。
黄鉄鉱化は珪化に似たプロセスですが、生物の孔や空洞に鉄と硫黄が沈着する点が異なります。黄鉄鉱化によって、固体の化石と保存された軟組織の両方が生成されることがあります。海洋環境では、生物が高濃度の硫化鉄を含む堆積物に埋没すると黄鉄鉱化が起こります。生物は腐敗する際に硫化物を放出し、それが周囲の水中の溶存鉄と反応します。鉄と硫化物のこの反応によって黄鉄鉱（FeS 2）が形成されます。周囲の水中の炭酸塩濃度が低く、黄鉄鉱濃度が高いため、生物の炭酸塩殻物質は黄鉄鉱に置き換わります。粘土質の環境にある植物では、黄鉄鉱化はそれほど顕著ではありません。[ 3 ]
置換は、石化に関わる2番目のプロセスであり、溶解した鉱物を含む水が生物の元の固体物質を溶解し、その後鉱物に置き換えられるときに起こります。これは非常にゆっくりと起こり、生物の微細構造を再現します。プロセスの速度が遅いほど、微細構造はより明確になります。置換に一般的に関与する鉱物は、方解石、シリカ、黄鉄鉱、および赤鉄鉱です。[ 3 ]置換のみによって保存された生物の遺骸（鉱化作用との組み合わせとは対照的に）はまれにしか見つかりませんが、これらの化石はより詳細な傾向があるため、古生物学にとって重要です。[ 8 ]
化石化の過程で生成される化石は、古生物学的研究に用いられるだけでなく、装飾品や情報提供の手段としても利用されてきました。珪化木は様々な用途で使われています。珪化木の板はテーブルの天板に加工されたり、そのまま装飾品として飾られたりすることもあります。また、大きな木片はシンクや洗面器に彫り込まれ、さらに大きな木片は椅子やスツールに加工されることもあります。珪化木やその他の珪化生物は、宝飾品、彫刻、時計、灰皿やフルーツボウル、そして景観や庭園の装飾にも用いられてきました。
珪化木は建築にも使われてきました。コロラド州ラマーのメインストリートにある珪化木ガソリンスタンド[ 9 ]は1932年に建てられ、壁と床は珪化木片でできています。WGブラウンによって建てられたこの建物は、その後オフィススペースと中古車販売店に改装されました。[ 10 ]テキサス州グレンローズでは、建築における化石化した木材の使用例がさらに多く見られます。1920年代から、テキサス州サマーベル郡の農民が珪化木を発見し始めました。地元の職人や石工は、この珪化木から65以上の建物を建て、そのうち45は2009年6月時点でまだ残っていました。これらの建物には、ガソリンスタンド、花壇、コテージ、レストラン、噴水、門柱などがあります。[ 11 ]テキサス州グレンローズは、ダイナソーバレー州立公園とグレンローズ層でも有名で、そこでは白亜紀の恐竜の化石化した足跡を見ることができます。[ 12 ]建築に珪化木を使用したもう1つの例は、アリゾナ州の化石の森国立公園にあるアゲートハウスプエブロです。約990年前にプエブロの先祖によって建てられたこの8部屋の建物は、ほぼ完全に珪化木で建設されており、家族の住居または集会所として使用されていたと考えられています。[ 13 ]
科学者たちは早くも18世紀に生物を人工的に石化しようと試みており、ジローラモ・セガートは人間の遺体を「石化」したと主張した。彼の方法は失われてしまったが、彼の「作品」の大部分はイタリアのフィレンツェにある解剖学博物館に展示されている。[ 14 ]
最近の試みは成功し、記録もされているが、半石化または不完全な石化、あるいは少なくとも何らかの新しいタイプの木材複合材の生成とみなされるべきである。なぜなら、木材材料はある程度残っているからである。木材の構成要素（セルロース、リグニン、リグナン、オレオレジンなど）はケイ酸塩に置き換えられたのではなく、木材物質と接触するとゲル化し、一定期間溶液中でゆっくり反応させた後、またはより速い結果を得るために加熱硬化させた後に、木材内部にケイ酸塩のマトリックスを形成する、特別に配合されたアルミノケイ酸塩の酸性溶液が浸透した。コネチカット州グリニッジのハミルトン・ヒックスは、1986年に米国特許第4,612,050号の下で、木材の急速な人工石化の「レシピ」の特許を取得した。 [ 15 ]ヒックスのレシピは、高濃度のミネラル水とケイ酸ナトリウム溶液にpH4.0～5.5の希酸を組み合わせたものである。木材サンプルは、この鉱物溶液に繰り返し浸漬および塗布することで、溶液が浸透する。特許請求の範囲によれば、このように処理された木材は燃焼せず、珪化木の特徴を獲得する。ヒックスが提案するこの製品の用途には、馬の飼育者が、馬による木材の噛みつきにも耐えられる無毒性の材料で作られた耐火性の厩舎に使用することなどがある。[ 16 ]
2005年、太平洋岸北西部国立研究所（PNNL）の科学者たちは、木材サンプルを人工的に石化させることに成功したと報告した。しかし、自然の石化とは異なり、彼らはサンプルを酸性溶液に浸し、内部にチタンと炭素を拡散させ、不活性雰囲気下で高温オーブン（約1400℃）で焼成することで、木材の初期構造を保ったままの炭化チタンと炭化ケイ素 の人工セラミックマトリックス複合体を得た。将来的には、これらの人工的に石化した木材セラミック材料が最終的に工具産業で使用される可能性がある。他の植物性物質も同様のプロセスで処理され、研磨粉末が得られる可能性がある。[ 17 ]