Fossilisation des apatites biologiques : approche cristallochimique et applications géochimiques

par Julie Aufort

Thèse de doctorat en Physique et chimie des matériaux

Sous la direction de Etienne Balan.

Le président du jury était Maguy Jaber.

Le jury était composé de Antoine Zazzo.

Les rapporteurs étaient Pascale Roy, Christophe Drouet.


  • Résumé

    Les fragments de squelettes de vertébrés préservés sous forme de fossiles fournissent des informations paléo-environnementales uniques via leur composition isotopique et leur teneur en éléments traces. Toutefois la validité de ces informations dépend crucialement de la préservation de l’enregistrement géochimique biogénique au cours de la fossilisation. Ce travail a pour objectif de comprendre comment s’effectue l’acquisition de l’information géochimique puis sa préservation en étudiant les propriétés de fractionnement isotopique de l’apatite, constituant inorganique majeur des os et dents de vertébrés, et les mécanismes de transformations cristallochimiques impliqués par la fossilisation. Celles-ci sont sondées à l’échelle atomique à l’aide des spectroscopies ATR-FTIR et RMN du solide, leur interprétation s’appuyant sur la modélisation des spectres ATR-FTIR et le calcul ab initio (DFT) des propriétés de fractionnement isotopique à l’équilibre de l’apatite. Les transformations à l’échelle atomique observées suite à l’altération d’os actuel en solution aqueuse attestent d’un processus de dissolution partielle de l’apatite biogénique et de formation de fluor- ou hydroxy- apatite carbonatée secondaire à la surface des cristallites, selon la présence ou non de fluor en solution. Ces résultats ont ensuite été appliqués à l’étude de la transformation d’os fossiles issus des environnements karstiques de Bolt’s Farm dans le Berceau de l’Humanité (Afrique du Sud) et des environnements fluvio-lacustres volcano-sédimentaires des collines Tugen dans la vallée du Rift Grégory (Kenya). La formation de fluorapatite carbonatée est systématiquement observée, de l’hydroxyapatite carbonatée est également formée dans les fossiles de Bolt’s Farm moins fluorés, soulignant ainsi le potentiel des ossements fossiles à révéler les conditions précoces de fossilisation. Un degré maximal de transformation, aussi bien des os fossiles que des os actuels altérés, est observé à environ 60 % d’apatite secondaire, suggérant l’idée d’un rôle protecteur de cette phase contre la dissolution totale de l’apatite primaire.

  • Titre traduit

    Fossilization of biological apatites : crystal-chemical approach and geochemical applications


  • Résumé

    Chemical and stable isotope compositions of fossil remains of vertebrates provide unique palaeo-environmental information. However, its reliability depends on the preservation of the biogenic geochemical record during the fossilisation process. This work aims to undersand how the geochemical record is acquired and preserved by studying the isotopic fractionation properties of apatite, the main inorganic constituent of vertebrates bones and teeth, and the crystal-chemical transformations occuring during fossilisation. These transformations are probed at the atomic scale using ATR-FTIR and solid-state NMR spectroscopies and their interpretation is supported by the modelling of ATR-FTIR spectra and DFT calculations of theoretical equilibrium isotopic fractionation properties. Atomic scale transformations of bones altered in aqueous solutions consist of partial dissolution of the biogenic apatite and formation of secondary carbonated fluor- or hydroxy- apatite, depending on the presence or absence of fluoride in the solution. These results were then applied to the study of the transformation of fossil bones from the karstic environments of Bolt’s Farm cave system (Cradle of Humankind, South Africa) and from the fluvio-lacustrine environments of the Tugen Hills (Gregory Rift, Kenya). Systematic formation of secondary carbonated fluorapatite is observed, as well as formation of secondary carbonated hydroxyapatite in the less fluorinated Bolt’s Farm fossils, highlighting the potentiality of fossil bones to record local physical-chemical conditions prevailing in fossilisation environments. The ~ 60 % maximum fraction of secondary apatite observed in fossils and modern bones altered under controlled conditions suggests it has a protective role against further dissolution of the primary apatite.


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