Virtual palaeontology: the effects of mineral composition
and texture of fossil shell and hosting rock on the quality
of X-ray microtomography (XMT) outcomes
using Palaeozoic brachiopods

Sangmin Lee, G.R. Shi, Tae-Yoon S. Park, Jae-Ryong Oh, Horng-Sheng Mii, and Mirinae Lee

Plain Language Abstract

Palaeontologists can create virtual models of fossils from cross sectional images taken by high-resolution scanning (X-ray microtomography). This process is being used to produce three-dimensional (3-D) reconstructions of the internal external details of fossils still enclosed in a host rock. Rocks and fossils can be made of different materials, and we set out to discover what effect this had on the quality of the 3-D models being produced.
We tested this by scanning 11 brachiopods infilled with sediment. Our results showed that there was very good contrast in the cross sections of original shell material infilled with sandy quartz grains, and they produced the most detailed 3-D models of the internal features of a brachiopod shell. However, the more shells changed in texture and composition after burial, particularly if they had become silica replaced or recrystallized, the increasingly less contrast there was with the host rock, and consequently the detail in the 3-D models was affected. Another observation was that it was more difficult to reconstruct the detailed internal features of a brachiopod shell when the sediment infilling the shell also contained fragments of other fossil materials.
In summary, our study shows that if there is not sufficient difference in mineral composition and texture between the host rock and fossil, then correspondingly there is little contrast in the cross sectional images. This ultimately impacts on the detail and quality of the 3-D model being produced.

Abstract in Korean

현대 과학기술의 발전과 함께, 미세 X선 단층촬영 기법은 다양한 화석 연구에 활발히 이용되고 있다. 하지만, 이 미세 X선 단층촬영을 통해 얻는 영상의 해상도는 화석과 그를 둘러싼 암석 사이의 밀도 차이에 비례하기 때문에, 항상 만족할만한 결과를 낳지는 못한다. 이 연구에서는 화석과 그 주변 물질의 광물 조성과 구조 차이가 미세 X선 단층촬영 영상 결과의 해상도에 어떤 영향을 미치는지를 알아보기 위해 다양한 퇴적암내에서 보존된 11개의 고생대 완족동물 시료들을 분석하였다. 그 결과, 고화질의 내부구조 복원을 위해선 화석 껍질과 그 주변 물질을 이루는 광물간의 조성과 구조에 충분한 차이가 필요하다는 점을 확인하였고, 탄산칼슘으로 이루어진 화석과 석영 입자들로 이루어진 주변 퇴적물의 조합이 최상의 화석 내부구조 복원을 가능하게 한다는 것을 알아내었다. 또한, 규화나 재결정과 같은 속성작용도 영상 결과물의 해상도에 영향을 미친다는 것과, 퇴적물내에 다른 생물의 파편이 포함되면서 내부구조 복원시 왜곡이 발생할 수도 있다는 것을 발견하였다.

Resumen en Español

Paleontología virtual: los efectos de la composición mineral y la textura de la concha fósil y la roca matriz en la calidad de los resultados de la microtomografía de rayos X (XMT) utilizando braquiópodos paleozoicos

La microtomografía de rayos X (XMT) se ha convertido en una herramienta común para investigaciones detalladas de una amplia gama de fósiles. Sin embargo, la XMT no siempre ha garantizado un resultado satisfactorio, ya que la resolución de las imágenes XMT depende críticamente del contraste entre el fósil y la roca matriz. En este trabajo se aplicó la XMT a 11 ejemplares de braquiópodos paleozoicos seleccionados de una serie de diferentes rocas sedimentarias con el fin de investigar el alcance en la calidad de los resultados con los efectos de la composición mineral y la textura en la roca y en la concha fósil. Nuestro estudio muestra que un contraste suficiente en la composición mineral y la textura entre la concha del braquiópodo y su material de relleno es necesario para obtener resultados XMT de alta calidad. Específicamente, los especímenes de braquiópodos con carbonato de calcio original, rellenos principalmente con granos de cuarzo, parecen producir los mejores resultados XMT caracterizados por estructuras internas de la concha claramente definidas. También descubrimos que la diagénesis es significativa para obtener resultados de calidad. Los procesos diagenéticos que incluyen silicificación y recristalización en la concha de los braquiópodos y/o en el material de relleno generalmente tienden a disminuir la resolución de los resultados con XMT, aunque este impacto es considerablemente complicado por el grado y aspecto de la diagénesis. Otro factor de menor importancia se refiere a la presencia de bioclastos dispersos en la roca matriz sedimentaria que potencialmente podrían confundirse con estructuras internas de concha genuina.

Palabras clave: tomografía computarizada; estructuras internas; relleno sedimentario; diagénesis; reconstrucción tridimensional

Traducción: Enrique Peñalver (Sociedad Española de Paleontología)

Résumé en Français

text

Translator: Antoine Souron

Deutsche Zusammenfassung

Virtuelle Paläontologie: Die Effekte von Mineralzusammensetzung und Struktur fossiler Schalen und Matrix auf die Qualität von Röntgen-Mikrotomographie-Ergebnissen mit paläozoischen Brachiopoden

Röntgen-Mikrotomographie ist zu einem beliebten Tool für detaillierte Untersuchungen einer großen Bandbreite an Fossilien geworden. Ein zufriedenstellendes Ergebnis ist jedoch nicht immer garantiert, da die Auflösung der Röntgen-Mikrotomographie-Abbildung entscheidend vom Kontrast zwischen Fossil und Matrix abhängt. In dieser Arbeit wurde Röntgen-Mikrotomographie bei 11 paläozoischen Brachiopoden aus verschiedenen Sedimentgesteinen angewandt, um die Auswirkungen von Mineralzusammensetzung und Struktur des Gesteins und der fossilen Schale auf die Qualität der Röntgen-Mikrotomographie-Ergebnisse zu untersuchen. Unsere Untersuchung zeigt, dass ein ausreichender Kontrast in Mineralzusammensetzung und Struktur zwischen Brachiopodenschale und Matrix nötig ist, um hochauflösende Röntgen-Mikrotomographie-Ergebnisse zu erzielen. Insbesondere Brachiopoden mit ihrem ursprünglichen Kalziumkarbonat, verfüllt hauptsächlich mit Quarzkörnchen, scheinen die besten Röntgen-Mikrotomographie-Ergebnissen zu produzieren, die durch klar definierte interne Schalenstrukturen charakterisiert sind. Wir haben außerdem herausgefunden, dass auch die Diagenese wichtig zur Bestimmung der Röntgen-Mikrotomographie Qualität ist. Diagenetische Prozesse wie Silifizierung und Rekristallisation der Schale und/oder des Füllmaterials tendieren dazu die Auflösung der Röntgen-Mikrotomographie-Ergebnisse zu verringern, auch wenn dieser Effekt deutlich durch Grad und Dimension der Diagenese verkompliziert wird. Ein anderer Faktor mit geringerer Bedeutung sind Bioklasten im umgebenden Sediment, die potentiell mit den originalen internen Schalenstrukturen verwechselt werden können.

Schlüsselwörter: Computertomographie; interne Strukturen; Sedimentfüllung; Diagenese; dreidimensionale Rekonstruktion

Translator: Eva Gebauer

Arabic

in progress

Translator: Ashraf M.T. Elewa