化石化した木
アリゾナ州で発見された、三畳紀後期（約2億3000万年前）の化石化した木の磨かれた切片。拡大画像では昆虫の残骸が確認できます
化石の森国立公園の化石化した丸太

珪化木（古代ギリシャ語 で「岩」や「石」を意味するπέτραに由来、文字通り「木が石になった」）は、特殊な種類の化石化した木材、つまり陸上植物の化石化した残骸に付けられた名前です。石化は、木や木のような植物が、しばしば完全鉱化と置換を含む鉱化過程を経て石に置き換わった結果です。[ 1 ]細胞壁を構成する有機物は、鉱物（主にオパール、カルセドニー、または石英の形をしたシリカ）で複製されています。場合によっては、茎組織の元の構造が部分的に保持されることがあります。通常は圧痕や圧縮である他の植物の化石とは異なり、珪化木は元の有機物から3次元的に表現されています。

石化の過程は、木材が水や火山灰に埋もれることで地下で起こる。水が存在すると酸素の利用可能性が低下し、バクテリアや菌類による好気性分解が阻害される。堆積物を流れるミネラルを多く含んだ水は、ミネラルが溶液から沈殿して細胞内部やその他の空隙を満たすときに起こる、パーミネラリゼーション（完全鉱化）を引き起こす可能性がある。入れ替わりの過程で、植物の細胞壁は鉱化のテンプレートとして機能する。[ 2 ]細胞の詳細を忠実に保存するには、セルロースとリグニンの分解とミネラルのテンプレート化のバランスをとる必要がある。多くの場合、有機物のほとんどは分解するが、リグニンの一部は残ることがある。[ 3 ]オパールAの形をしたシリカは、温泉環境では比較的速やかに木材を被覆して浸透する。[ 4 ]しかし、化石化した木は、デルタや氾濫原、または火山のラハールや灰床の細粒の堆積物に埋もれた木に最もよく関連付けられています。 [ 5 ] [ 6 ]このような物質が化石化した森林は、化石の森として知られています。

形成

石化したカリキシロンの顕微鏡写真
ユタ州セントジョージ産のカルノータイトが鉱化した木化石
ニューメキシコ州キューバ、ナシミエント鉱山のシナランプ層産の珪化木。右の茶色の木部は、一般的なシリカの鉱化作用を示している。左の黒色の木部は、黄銅鉱などの硫化鉱物を含む珍しい鉱化作用を示している。青緑色の染みは、黄銅鉱が酸化してアズライトとマラカイトになったものである。

珪化木は、植物の木質茎が溶解した鉱物で飽和した湿った堆積物に埋もれることで形成されます。酸素の欠乏により木材の腐敗が遅くなり、鉱物が細胞壁を置き換え、木材の空隙を埋めるようになります。[ 2 ] [ 1 ]

木材は主にホロセルロース（セルロースとヘミセルロース）とリグニンで構成されています。これらの物質を合わせると、木材の乾燥組成の95%を占めます。そのうちほぼ半分はセルロースで、木材の強度の大部分を占めています。セルロースは、ミクロフィブリル状に重合したグルコースの長鎖で構成されており、木材の細胞壁を強化しています。広葉樹の残りの大部分は、様々な単糖の分岐ポリマーであるヘミセルロースで構成されていますが、針葉樹にはフェニルプロパンのポリマーであるリグニンがより多く含まれています。ヘミセルロースとリグニンはセルロースミクロフィブリルを覆って強化します。[ 2 ]

枯れ木は通常、微生物によってホロセルロースから急速に分解されます。リグニンは疎水性（水をはじく性質）であるため、分解速度ははるかに遅くなります。分解速度は温度と水分含有量に左右されますが、酸素の遮断が木材組織を保存する上で最も重要な要素です。リグニンを分解する生物は、その生命活動に酸素を必要とします。その結果、始新世（約5600万年前）より古い化石木材は、ホロセルロースをほぼすべて失い、リグニンのみが残っています。微生物による分解に加えて、アルカリ性環境に埋もれた木材は、アルカリとの無機反応によって急速に分解されます。[ 2 ]

木材は泥、特に火山灰から形成された泥に急速に埋もれることで、分解から保護されます。[ 7 ]木材はその後、鉱化されて石へと変化します。古生代層、特にベレア砂岩のカリキシロン層からは、鉱化されていない木材が発見されていますが、これは非常に稀です。化石化した木材は、後に周囲の堆積物の浸食によって露出します。鉱化されていない化石木材は浸食によって露出すると急速に破壊されますが、化石化した木材は非常に耐久性があります。[ 2 ]

化石化した木には約40種類の鉱物が確認されていますが、シリカ鉱物が圧倒的に重要です。方解石と黄鉄鉱はそれほど一般的ではなく、他の鉱物も極めて稀です。シリカは細胞壁のセルロースと水素結合し、一種の鋳型を形成します。セルロースが分解すると、シリカがセルロースを置換するため、細胞壁はしばしば非常に詳細な状態で保存されます。[ 2 ]このように、珪化は細胞壁内部で始まり、細胞内および細胞間の空間は徐々にシリカで満たされていきます。[ 1 ] [ 8 ] [ 9 ]時間の経過とともに、元の有機物はほぼすべて失われ、化石化した木には約10%しか残っていません。[ 2 ] [ 1 ]残った物質はほぼ純粋なシリカで、鉄、アルミニウム、アルカリ金属、アルカリ土類金属が微量以上含まれています。鉄、カルシウム、アルミニウムが最も一般的で、これらの元素の1つ以上が組成の1%以上を占めることもあります。[ 2 ]

シリカが最初にどのような形態をとるのかは、依然として研究の対象となっています。オパールとして最初に堆積し、その後長い時間をかけて石英に結晶化したという証拠があります。 [ 2 ] [ 9 ]一方、シリカが直接石英として堆積したという証拠もいくつかあります。[ 8 ]

シリカを豊富に含む温泉では、木材は数百年で珪化することがあります。[ 10 ]このような環境で石化した木材は地質学的記録のごく一部に過ぎませんが、[ 2 ]温泉堆積物は古生物学者にとって重要です。なぜなら、そのような堆積物には、植物のより繊細な部分が精巧な詳細まで保存されている場合があるからです。これらのラーガーシュテッテ堆積物には、古生代ライニーチャート層とイーストカークトン石灰岩層が含まれており、陸上植物の進化の初期段階を記録しています。[ 11 ]

珪化木の色のほとんどは微量金属に由来します。中でも鉄は最も重要であり、その酸化状態によって様々な色合いを生み出します。クロムは鮮やかな緑色の珪化木を生み出します。色の変化は、鉱化の過程の違いを反映していると考えられます。場合によっては、微量金属のクロマトグラフィーによる分離によって色の変化が生じることもあります。 [ 12 ]

木材は、炭層のコンクリーションで見られるように、方解石によって石化されることもある。方解石によって石化した木材は、元の有機質をより多く保持する傾向がある。石化は細胞壁への針鉄鉱の沈着から始まり、続いて空隙への方解石の沈着が続く。[ 13 ]炭化した木材は珪化に抵抗性があり、通常は他の鉱物によって石化される。[ 1 ]シリカ鉱物以外の鉱物によって石化した木材は、ウラン、セレン、ゲルマニウムなどの重金属を蓄積する傾向があり、ウランはリグニンを多く含む木材に最も多く含まれ、ゲルマニウムは炭層に保存された木材に最も多く含まれる。ホウ素、亜鉛、リンは化石木材では異常に少なく、微生物によって浸出または捕捉されたことを示唆している。[ 2 ]

あまり一般的ではありませんが、珪化木に含まれる鉱物として黄銅鉱やその他の硫化鉱物が挙げられます。これらは、ニューメキシコ州キューバ近郊のナシミエント鉱山などで銅鉱石として採掘されています。[ 14 ]

模造石化木材

科学者たちは、自然の石化プロセスをより深く理解するため[ 2 ] 、そしてセラミック材料としての利用可能性を探るため[ 15 ]、木材の石化プロセスを再現しようと試みてきました。初期の試みでは、シリカ源としてメタケイ酸ナトリウムが使用されていましたが、オルトケイ酸テトラエチルの方が有望であることが証明されました。[ 2 ]

用途

化石化した木で作られたテーブル

化石木は宝飾品としてはあまり使われていませんが、ブックエンド、テーブルトップ、時計の文字盤、その他の装飾品などの装飾品として主に使われています。[ 16 ]化石の森国立公園の近くにある先祖プエブロ人の建造物の多くは化石木で建てられており、その中にはアゲートハウスプエブロも含まれています。[ 17 ]化石木はニューエイジヒーリングにも使われています。[ 18 ] [ 19 ]

発生事例

化石化した木は、デボン紀（約3億9000万年前）の木本植物が初めて陸上に出現した時代から現在に至るまで、世界中の堆積層で発見されています。化石化した「森」は、火山噴火によって生態系全体が埋もれた場合（幹は成長時の位置に残っていることが多い）、または河川環境で流木が集積したもののいずれかです。イエローストーン国立公園のアメジストリッジには、噴火によって27の森林生態系が連続して埋もれた様子が見られます。一方、ペトリファイド・フォレスト国立公園は、河川環境で流木が集積した特に優れた例です。[ 2 ]

火山灰は、風化によって大量のシリカが放出されるため、木材の保存に特に適しています。堆積層に化石化した木材が存在することは、しばしば風化した火山灰の存在を示唆しています。[ 5 ]化石化した木材は、長石やその他の鉱物が豊富に含まれ、分解時にシリカを放出するアルコス堆積層でも形成されます。石炭紀からペルム紀にかけての温暖なスーパーモンスーン気候は、このプロセスを促進させたようです。火山灰層に生息する化石林の保存は、気候の影響を受けにくく、より多様な種を保全することができます。[ 20 ]

化石化した木が多数存在する地域は次のとおりです。

アフリカ

エル・クルル（スーダン北部）近郊の化石化した木の塊
ナミビアの化石化した丸太とウェルウィッチア 化石の森

アジア

オセアニア

ヨーロッパ

北アメリカ

アメリカ合衆国アリゾナ州、化石の森国立公園の化石化した丸太

南アメリカ

ブラジル、パレオロタ・ジオパークの化石化した丸太
エクアドル、プヤンゴ化石の森

関連項目

参考文献

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