普林斯頓地質(zhì)學家通過巖石創(chuàng)建3-D虛擬之旅來解開化石之謎

普林斯頓地球科學家AdamMaloof和A??kshayMehra借助工業(yè)研磨機和一些創(chuàng)意添加物，可以將巖石轉(zhuǎn)變成三維數(shù)字景觀。在這里，2017屆的Mehra(指點)和AdrianTasistro-Hart準備收集Cloudina化石樣本，并討論納米比亞ZebraRiverFarm含Cloudina斑塊礁的幾何形狀。

你有沒有想過你可以在巖石中旅行?這聽起來更像是魔術(shù)而不是科學，但普林斯頓的科學家們已經(jīng)找到了一種方法使其(幾乎)成為現(xiàn)實。

借助工業(yè)研磨機和超高分辨率相機，普林斯頓地球科學家AdamMaloof和A??kshayMehra可以解構(gòu)巖石樣本并創(chuàng)建科學家可以從任何角度觀察的三維數(shù)字版本。此外，他們還開發(fā)了軟件，允許計算機在沒有人為偏見的情況下分割圖像和隔離對象。

利用這項技術(shù)結(jié)合詳細的實地觀察，他們檢查了大約5.45億年前生活在世界大部分地區(qū)的一種薄殼生物Cloudina，普遍認為它是有史以來第一個“生物礦化器”，一種可以創(chuàng)造殼或骨頭以及軟組織。

雖然之前的研究人員認為Cloudina是造礁者，但Maloof和Mehra能夠利用他們對這種生物精致的管狀結(jié)構(gòu)的3-D重建得出結(jié)論，這些化石是從其他地區(qū)運來的，這表明Cloudina只起到了在最早的珊瑚礁系統(tǒng)中起次要作用。他們的工作出現(xiàn)在最新一期的美國國家科學院院刊上。

“我以為進去后我們會了解到關(guān)于這個令人驚嘆的第一個生物礦化器和第一個造礁者的各種信息，但事實證明Cloudina更像是一個珊瑚礁居民，”地球科學副教授Maloof說。他現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)向了下一個最古老的潛在造礁者，一種生活在大約5.2億年前的名為Archaeocyathid的海綿。

事實證明，Cloudina難以進行詳細研究，因為它脆弱的外殼太脆弱，無法從周圍的石灰?guī)r中物理提取，而且無法使用傳統(tǒng)的X射線斷層掃描技術(shù)對其進行遠程成像，這需要感興趣的物體與周圍材料之間的密度差異.由于Cloudina在化學上與石灰石相同，因此X射線實際上看不到這些化石。

PrincetonGrindingImagingandReconstructionInstrument(GIRI)包括一個工業(yè)研磨機、各種成像系統(tǒng)、燈和一個用于將樣品固定到位的強力磁鐵。在金剛石或硅膠輪去除幾微米后，樣品移到高分辨率圖片上，然后移回。

大約五年前，Maloof和SituStudio的合作者BradSamuels組裝了這項技術(shù)，創(chuàng)造了他現(xiàn)在所說的“活頁簿”，即在巖石上千層薄片中移動的數(shù)字渲染圖。被稱為“GIRI”或“研磨機”的PrincetonGrindingImagingandReconstructionInstrument是對地質(zhì)學家長期以來想知道巖石內(nèi)部是什么樣子的渴望的回應(yīng)。

“自達爾文以來，人們一直試圖弄清楚化石在3-D中的樣子，當它們嵌入巖石中并且很難將它們?nèi)〕鰰r，”Maloof說。“當時人們以這種方式制作連續(xù)部分——但也許不是這種規(guī)模——他們會磨掉一點石頭，畫出來，再磨一點，畫出來。……這可能非常耗時。”

輸入GIRI，它可以切割薄至幾微米(不到1%毫米)的切片，并且可以連續(xù)數(shù)周每天24小時運行。由于每個切片需要大約90秒來切割和成像，研究人員必須在速度和規(guī)模之間做出選擇。Maloof和Mehra拍攝的大部分標本都被切成30微米的薄片，大約是人類頭發(fā)厚度的三分之一。一個典型的一英寸厚的1,500切片樣品需要大約一天半的時間來研磨和成像;在此期間，操作員只需更換一次機器液體并清潔擦拭器(每次切割后清潔表面)。

“這個過程是破壞性的，”馬洛夫說。“恐龍骨骼、月球樣本——有些標本人們不太可能給我們。它并沒有真正阻止我們，因為大多數(shù)樣品并不珍貴。Cloudina，它們有無數(shù)個——我們永遠不可能把它們?nèi)磕ニ椤?rdquo;

GIRI可以生成任何實體物體的3D渲染圖，無論它是否具有有效X射線計算機顯微斷層掃描(通常稱為X射線CT或顯微CT)所需的密度差異。此外，因為你在拍攝每一片的超高分辨率照片，所以你總是看到巖石本身，而不僅僅是遙感可以提供的密度模型。

“這當然是破壞性的，這是缺點，但很棒的是你可以看到照片并進行直接觀察，”Maloof。“這就是改變我生活的原因：我喜歡它不是模特。你可以看到它。在任何給定的切片上，如果你發(fā)現(xiàn)了一些很棒的東西，你可以找到切片并說，“它看起來像什么?”......我們正在內(nèi)部進行虛擬游覽，而不是查看波形并試圖解釋它們。”