Application of solid state physics characterization techniques for the study of vertebrate fossils recovered from excavation sites in Greece

Abstract

In the current Thesis, paleontological samples of fossil bones, teeth and tusks excavated from various localities of Northern Greece as well as sediment samples were examined by means of Optical (OM) and Scanning Electron (SEM) microscopies, X-Ray Fluorescence (XRF), X-Ray Photoelectron (XPS), X-Ray Absorption Fine Structure (XAFS) and Raman spectroscopies as well as Natural Radioactivity measurements. The examined fossil skeletal remains consist of B-type carbonated hydroxyapatite (CHA) that was partially transformed to fluorapatite or chlorapatite. The presence of amorphous calcium phosphate was detected in the perissodactyl bone sample from the Milia locality while A- and B-type CHA was observed in the Titanochelon carapace sample from the Epanomi locality. Sr K-edge XAFS spectroscopy revealed changes in the average distances of the second and third neighboring shell of the hydroxyapatite structure with increasing Sr content while a mixed Ca(1) and Ca(2) occupancy for the Sr atoms in the non-equivalent Ca(1) and Ca(2) sites of the apatite unit cell was observed. A small preference for the Ca2 site was observed for approximately 0.08–0.11 Sr atoms per formula unit (apfu) and a clear preference for substitution in the Ca2 site for 0.18 Sr apfu. The Raman crystallinity of bone and tooth enamel apatite was found to increase with geological age indicating progressive apatite crystallization. The binding energy of the Ca2p3/2 component in the Ca2p high resolution XPS spectra as well as the energy difference between the major peaks of the L3-edge in the Ca L2,3-edge XANES spectra were found to be sensitive to the carbonate content of the fossilized apatite mineral. A method for the assessment of the CO3/Ca content in fossillized and geologic apatites by means of Ca L2,3-, C K-edge XANES and XPS spectroscopies is described. Moreover, the Ca L2,3-edge XANES spectrum of HA is simulated as a sum of two atomic multiplet spectra arising from the different local symmetry of the two non-equivalent Ca sites in the HA lattice using the CTM4XAS code. The effects of varying calcite inclusion on the features of the HA Ca L2,3-edge XANES spectrum and particularly on the energy separation of the a2 and a1 peaks and the intensity ratio of the a1/a2 and b1/b2 peaks are presented. Furthermore, the origins of the macroscopic coloration of fossilized skeletal remains are investigated. Yellow and brown staining was found to be related to the presence of Fe hydroxides (goethite, ferrihydrite, lepidocrocite), purple and black staining was associated with the formation of phyllomanganate (birnessite) and tectomanganate (hollandite, psilomelane) Mn oxides while pink staining was related to the deposition of tectosilicate and nesosilicate minerals. Microscopic and spectroscopic investigation of the histological and chemical alterations induced by fossilization processes on skeletal remains unearthed from the Milia, Kryopigi, Platania, Thermopigi, Xerias, Epanomi, Michaniona, Kilkis and Almopia excavation sites are presented and are correlated with taphonomic processes and the geochemical conditions of the depositional site. A new type of bioerosion characteristic of fossilization under aquatic environments, observed in the specimens of the Milia excavation site, is also described. High levels of natural radionuclides were detected in the sediments of the Platania excavation slope as well as in the examined fossil skeletal remains. The observed fractionation of the 238U series radionuclides in the lower sediment layers along with the findings of Mn K-edge XAFS spectroscopy revealed the presence of sedimentary layers of different hydromorphological features, associated with wetting and drying cycles, which resulted in the precipitation of tectomanganate Mn oxides and the post-depositional reworking of the fossil skeletal remains.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν παλαιοντολογικά δείγματα οστών, οδόντων/δοντιών και χαυλιοδόντων καθώς και 15 δείγματα ιζήματων προερχόμενων από παλαιοντολογικές ανασκαφές της Βόρειας Ελλάδας. Οι τεχνικές χαρακτηρισμού που χρησιμοποιήθηκαν περιλαμβάνουν οπτική (ΟΜ) και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), φασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων-Χ (XRF), φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων-Χ (XPS), φασματοσκοπία απορρόφησης ακτίνων-Χ λεπτής υφής (XAFS), φασματοσκοπία Raman καθώς και μετρήσεις φυσικής ραδιενέργειας. Βρέθηκε ότι τα απολιθώματα αποτελούνται κυρίως από Β-τύπου ανθρακικό υδροξυαπατίτη (CHA) ο οποίος έχει μετατραπεί μερικώς σε φθοροαπατίτη ή χλωροαπατίτη. Η ύπαρξη άμορφης φάσης φωσφορικού ασβεστίου ανιχνεύθηκε μόνο σε ένα οστό περισσόδακτυλου από την ανασκαφή της Μηλιάς ενώ ανθρακικός υδροξιαπατίτης τύπου-Α και τύπου- Β παρατηρήθηκε στο χέλυο της γιγανιαίας χελώνας Titanochelon από την ανασκαφή της Επανομής. Η ανάλυση των φασμάτων XAFS στην Κ-ακμή του Sr έδειξε ότι αυξανομένης της περιεκτικότητας Sr στη δομή του υδροξυαπατίτη παρατηρούνται αλλαγές στις αποστάσεις δεύτερης και τρίτης γειτονίας. Η υποκατάσταση Sr συντελείται/λαμβάνει χώρα και στις δυο μη-ισοδύναμες θέσεις Ca της δομής του υδροξυαπατίτη με μικρή προτίμηση για τη θέση Ca2 σε συγκεντρώσεις 0.08–0.11 Sr apfu (αριθμό ατόμων στο χημικό τύπο) ενώ καθαρή προτίμηση υποκατάστασης στη θέση Ca2 παρατηρήθηκε για 0.18 Sr apfu. Η κρυσταλλικότητα του απολιθωμένου απατίτη σε οστά και αδαμαντίνη δοντιών, όπως αυτή προσδιορίστηκε με φασματοσκοπία Raman, βρέθηκε να αυξάνει αυξανομένης της γεωλογικής ηλικίας των δειγμάτων. Επιπλέον παρατηρήθηκε ότι η ενέργεια σύνδεσης των φωτοηλεκτρονίων που αντιστοιχούν στην Ca2p3/2 κορυφή των XPS φασμάτων καθώς και η ενεργειακή διαφορά των κύριων κορυφών της L3-ακμής απορρόφησης του Ca στα φάσματα XANES, φέρουν πληροφορίες σχετικά με το περιεχόμενο του απολιθωμένου απατίτη σε ανθρακικά ιόντα. Στη διατριβή παρουσιάζεται επίσης μια μεθοδολογία για τον προσδιορισμό του λόγου CO3/Ca σε δείγματα απατίτη με χρήση φασματοσκοπιών XPS και XANES των ακμών απορρόφησης L2,3 του Ca και Κ του C. Επιπλέον, το φάσμα XANES της L2,3-ακμής του Ca προσομοιώθηκε με το πρόγραμμα CTM4XAS ως άθροισμα συνεισφορών πυκνοτήτων άδειων καταστάσεων δυο μη-ισοδύναμων θέσεων του Ca στη μοναδιαία κυψελίδα του υδροξυαπατίτη. Στην εργασία μελετάται επίσης η επίδραση της ύπαρξης καλσίτη στο φάσμα XANES της ακμής L2,3 του Ca του υδροξυαπατίτη και ειδικότερα στην ενεργειακή διαφορά των κορυφών a2 και a1 καθώς και στο λόγο των εντάσεων των a1/a2 και b1/b2 κορυφών. Τα αίτια της μακροσκοπικής χρώσης των απολιθωμένων οστών και δοντιών διερευνώνται επίσης. Η παρουσία κίτρινου και καφε χρωματισμού αποδίδεται στην ύπαρξη υδροξειδίων του Fe (γκαιτίτης, φερρυδρίτης, λεπιδοκροκίτης), ο ιώδης και μαύρος χρωματισμός σε οξείδια του μαγγανίου (μπιρνεσσίτης, ολλανδίτης, ψιλομέλανας) ενώ ο ρόδινος χρωματισμός αποδίδεται στην παρουσία τεκτοπυριτικών και νησοπυριτικών ορυκτών. Επιπλέον παρουσιάζεται η μικροσκοπική και φασματοσκοπική μελέτη των ιστολογικών και χημικών μεταβολών που συντελέστηκαν κατά την απολίθωση δειγμάτων οστών και δοντιών από τις παλαιοντολογικές ανασκαφές της Μηλιάς, της Κρυοπηγής, της Πλατανιάς, της Θερμοπηγής, της Ξεριάς, της Επανομής, της Μηχανιώνας, του Κιλκίς και της Αλμωπίας ενώ τα αποτελέσματα συσχετίζονται με ταφονομικές διαδικασίες καθώς και με τις γεωχημικές συνθήκες του περιβάλλοντος απόθεσης. Ένα νέο είδος μικροβιακής δραστηριότητας, χαρακτηριστικό της απολίθωσης σε υδάτινο περιβάλλον, παρατηρήθηκε σε δείγματα από την ανασκαφή της Μηλιάς. Υψηλά ποσά φυσικής ραδιενέργειας παρατηρήθηκαν στα ιζήματα και τα απολιθώματα της Πλατανιάς. Τα αποτελέσματα αυτά σε συνδυασμό με τις μετρήσεις XAFS στην ακμή Κ του Mn, δείχνουν την ύπαρξη στρωμάτων ιζήματος με διαφορετικά υδρομορφολογικά χαρακτηριστικά που σχετίζονται με κύκλους ύγρανσης και ξήρανσής των ιζημάτων που οδήγησαν στο σχηματισμό οξειδίων του Mn στα απολιθώματα και την μετακίνηση αυτών σε χαμηλότερα υποστρώματα.