Pushing the limits of neutron tomography in palaeontology: Three-dimensional modelling of in situ resin within fossil plants

Chris Mays, Joseph J. Bevitt, and Jeffrey Stilwell

Plain Language Abstract

A high-resolution, three-dimensional model of a fossil seed cone from the Chatham Islands revealed the presence of internal fossil resin (amber). Its distribution of resin bodies supports the affinity with the modern conifer genus Sequoia (Family Cupressaceae). The model was constructed employing neutron tomography (a technique analogous to X-ray computed tomography [CT], but with neutrons instead of X-rays), and the high neutron attenuation contrasts between the resin, the enclosing organically preserved (coalified) plant remains, and sediment matrix allowed for a clear-cut segmentation of these different components. The results demonstrate the feasibility of detecting different organic compounds within a given fossil specimen using neutrons. With emerging advances in this technology, a wider variety of organic compounds and anatomical features within a given specimen should be discernible; this will have far-reaching implications for the forms and functions of fossils, as well as their post-burial histories and conservation.

Resumen en Español

En los límites de la tomografía de neutrones en paleontología: modelado tridimensional de resina in situ en el interior de plantas fósiles

La tomografía computarizada es una técnica cada vez más utilizada para el estudio no destructivo de fósiles. Mientras que la ciencia de la tomografía computarizada (TC) de rayos X ha avanzado mucho desde sus primeras aplicaciones en fósiles a principios de la década de 1980, las aplicaciones y limitaciones de la tomografía de neutrones (TN) permanecen relativamente inexploradas en paleontología. Las tomografías de neutrones de resolución más alta hasta la fecha en paleontología se llevaron a cabo en un ejemplar de Austrosequoia novae-zeelandiae (Ettingshausen) Mays y Cantrill obtenido de los estratos del Cretácico medio (Cenomaniense; ~ 100-94 Ma) de las Islas Chatham, este de Zelandia. Previamente, la especie ha sido identificada con resina fósil in situ (ámbar); los nuevos análisis de tomografía de neutrones mostraron una señal de atenuación de neutrones anómalamente alta para la resina fósil. Los datos resultantes proporcionaron un fuerte contraste entre los materiales: 1) resina fósil; 2) materia vegetal carbonificada; y 3) matriz sedimentaria. Ello supuso obtener distintas representaciones tridimensionales de los mismos. Estos datos facilitaron un modelo anatómico de masas de resina endógenas dentro del eje del cono y los conjuntos de brácteas. Los tipos de masas de resina y sus distribuciones respaldan una estrecha relación con Sequoia Endlicher (Cupressaceae), un grupo de coníferas cuyos representantes actuales solo se encuentran en el Hemisferio norte. Este estudio demuestra la viabilidad de la TN como un medio para diferenciar compuestos orgánicos químicamente distintos dentro de los fósiles. Aquí, hacemos recomendaciones específicas con respecto a: 1) la idoneidad de los diferentes tipos de preservación fósil para utilizar la TN; 2) la conservación de ejemplares orgánicos con consolidantes y adhesivos hidrogenados; y 3) la aplicación de métodos emergentes (por ejemplo, contraste de fase de neutrones) para mejoras adicionales cuando se obtienen imágenes de estructuras anatómicas con pequeños detalles. Estos hallazgos demuestran que todavía estamos lejos de alcanzar los límites conceptuales de la TN como medio para extraer fósiles virtualmente, o para obtener imágenes de su anatomía interna, incluso cuando están presentes dentro de la matriz de roca.

Palabras clave: tomografía de neutrones; resina; cono de semilla; Cupressaceae; Cretácico; conservación

 

Traducción: Enrique Peñalver (Sociedad Española de Paleontología) or Diana Elizabeth Fernández

Résumé en Français

Repousser les limites de la tomographie par neutrons en paléontologie : modélisation tridimensionnelle de la résine in situ dans des plantes fossiles

La tomographie assistée par ordinateur est une technique de plus en plus populaire pour l’étude non invasive des fossiles. Alors que la science de la tomodensitométrie par rayons X (CT) a grandement mûri depuis ses premières applications à des fossiles dans les années 1980, les applications et limitations de la tomographie par neutrons (NT) restent relativement peu explorées en paléontologie. Des scans par tomographie par neutrons avec la plus haute résolution jamais atteinte en paléontologie ont été effectués sur un spécimen d’Austrosequoia novae-zeelandiae (Ettingshausen) Mays et Cantrill trouvé dans des couches du Crétacé moyen (Cénomanien ; ~100 Ma–94 Ma) des îles Chatham, à l’est de la Zealandia. Précédemment, cette espèce a été identifiée avec de la résine fossile (ambre) in situ ; les nouvelles analyses par tomographie par neutrons démontrent une atténuation anormalement forte du signal de neutrons pour la résine fossile. Les données obtenues ont fourni un fort contraste entre les représentations tridimensionnelles de : 1) la résine fossile ; 2) la matière végétale carbonifiée ; et 3) la matrice sédimentaire. Ces données ont facilité la construction d’un modèle anatomique des corps de résine endogènes au sein de l’axe du cône et des complexes d’écailles de bractée. Les types et les distributions des corps de résine soutiennent une forte affinité avec Sequoia Endlicher (Cupressaceae), un groupe de conifères dont les membres actuels sont seulement trouvés dans l’hémisphère nord. Cette étude démontre la faisabilité de la NT comme moyen de différencier des composés organiques distincts au sein des fossiles. Dans cet article, nous formulons des recommandations spécifiques concernant : 1) l’adéquation des styles de préservation des fossiles pour la NT ; 2) la préservation des spécimens organiques avec des consolidants hydrogènes et des colles ; et 3) l’application des méthodes récemment développées (e.g., NT par contraste de phase) pour encore améliorer l’illustration très détaillée des structures anatomiques. Ces découvertes démontrent que nous sommes encore loin d’atteindre les limites conceptuelles de la NT comme moyen d’extraire virtuellement les fossiles, ou de capturer leur anatomie interne même quand ils sont pris dans une matrice rocheuse.

Mots-clés : tomographie par neutrons ; résine ; cône ; Cupressaceae ; Crétacé ; préservation

Translator: Antoine Souron

Deutsche Zusammenfassung

Ausloten der Grenzen von Neutronen-Tomographie in der Paläontologie: dreidimensionales Modellieren von in situ Harzen innerhalb fossiler Pflanzen

Computer-Tomographie ist eine zunehmend beliebte Technik um Fossilien zerstörungsfrei zu untersuchen. Während sich die Röntgen-Computer-Tomographie (CT) seit der ersten Anwendung bei Fossilien in den frühen 1980er Jahren stark weiterentwickelt hat, bleiben Anwendung und Grenzen von Neutronen-Tomopgraphie (NT) relativ unerforscht in der Paläontologie. Die höchstauflösenden neutronentomographischen Scans in der Paläontologie bislang wurden von Austrosequoia novae-zeelandiae (Ettingshausen) Mays and Cantrill gemacht, ein Stück, das aus den mittelkretazischen Schichten (Cenoman; ~100–94 Ma) der Stratham Inseln (östliches Zealandia) stammt. Bislang wurde die Art mit in situ Harz (Bernstein) identifiziert. Die neue neutronentomographische Analyse wies ein ungewöhnlich hohes Neutronendämpfungssignal für fossiles Harz auf. Die resultierenden Daten lieferten einen starken Kontrast und deutliche dreidimensionale Repräsentanzen: 1) des fossilen Harzes; 2) es inkohlten Pflanzenmaterials und 3) der Sedimentmatrix. Diese Daten vereinfachten das anatomische Modell eines endogenen Harzkörpers innerhalb der Zapfen-Achse und des Deckblattkomplexes. Form und Verteilung der Harzkörper unterstützen eine nahe Verbindung mit Sequoia Endlicher (Cupressaceae), einer Gruppe von Koniferen, deren heutige Mitglieder nur in der nördlichen Hemisphäre gefunden werden. Diese Untersuchung demonstriert die Umsetzbarkeit von NT als Möglichkeit chemisch verschiedene organische Verbindungen innerhalb von Fossilien zu unterscheiden. Wir machen hier konkrete Empfehlungen in Bezug auf: 1) die Eignung von fossilen Erhaltungsarten für NT; 2) die Erhaltung von organischen Stücken mit wasserstoffhaltigen Konsolidierungsmitteln und Klebemitteln; und 3) die Anwendung von Zukunftsmethoden (Neutronenphasenkontrast) für weitere Verbesserungen bei der Abbildung von fein-detaillierten anatomischen Strukturen. Diese Funde zeigen, dass wir die konzeptionellen Grenzen von NT als ein Mittel zum virtuellen Extrahieren von Fossilien oder zum Abbilden ihrer internen Anatomie selbst wenn sie in Matrix eingeschossen sind, noch lange nicht erreicht haben.

Schlüsselwörter: Neutronen-Tomographie; Harz; Zapfen; Cupressaceae; Kreide; Erhaltung

Translator: Eva Gebauer

Arabic

Translator: Ashraf M.T. Elewa