Afin de bien comprendre les mécanismes mis en jeu lors de la fossilisation, un petit rappel de la structure de l’os est nécessaire.

L’os est un tissu vascularisé en continuel remaniement et constitué de différents types de cellules dont les plus importantes sont les ostéocytes (cellules osseuses matures), les ostéoblastes (cellules osseuses souches) et les ostéoclastes (cellules qui dégradent l’os). La matrice extracellulaire est formée d’éléments organiques et inorganiques :

La phase organique est constituée à 90 % de collagène, sécrété par les ostéoblastes et s’associant pour former des fibres, ce qui confère à l’os sa flexibilité ainsi que sa résistance à la pression, la tension et la torsion.

La phase inorganique est constituée de petits cristaux  d’hydroxyapatite carbonatée [Ca₅(PO₄CO₃)₃(OH)] faiblement cristallisée. Elle est responsable de la dureté de l’os et en partie de sa résistance à la compression. C’est notamment la petite taille des cristaux qui différencie l’apatite biologique de l’apatite minérale.

L’os mature forme deux types de structure :

(1) une partie centrale (os spongieux) composée de travées séparées par des espaces qui contiennent la moelle osseuse.

(2) Une partie périphérique (os compact), densément minéralisée et composée d’unités appelées ostéons. Chaque ostéon est formé de plusieurs couches de lamelles osseuses concentriques entourant, au centre, le canal de Havers. Les canaux de Havers renferment notamment des nerfs et des vaisseaux sanguins.

La diagenèse des os est un phénomène complexe au cours duquel de nombreux minéraux vont être formés. Elle peut être décomposée en plusieurs phases.

Dégradation de la matière organique : l’intense activité bactérienne qui débute peu après la mort de l’animal dégrade les tissus. Le collagène est détruit grâce à l’intervention d’enzymes spécifiques, les collagénases. Les acides produits localement lors de la décomposition des tissus mous et du collagène vont contribuer à dissoudre l’apatite osseuse (phase inorganique de l’os frais) et permettre aux collagénases de pénétrer plus profondément dans la structure osseuse induisant  une accélération de la décomposition chimique des composés organiques.

Après plusieurs mois, l’activité bactérienne disparaît et ce sont des facteurs environnementaux qui contrôlent les processus de fossilisation. On assiste alors aux phases suivantes :

Recristallisation de l’apatite osseuse : la matrice osseuse va se recristalliser en intégrant des éléments chimiques extérieurs. L’hydroxyapatite carbonatée de l’os frais [Ca₅(PO₄CO₃)₃(OH)] est remplacée par de la fluorapatite carbonatée [Ca₅(PO₄CO₃)₃F] ou de la fluorapatite [Ca₅(PO₄)₃F] mieux cristallisées. En général, la recristallisation conserve la microstructure de l’os intacte, mais une destruction partielle des structures les plus fines peut également être observée.

Enrichissement en éléments en trace : les éléments chimiques extérieurs qui pénètrent dans l’os dépendent de la nature du sédiment et des eaux d’infiltrations.

Perminéralisation : de nouveaux minéraux, dissous dans les eaux d’infiltration, précipitent et remplissent les cavités del’os ainsi que les fractures. Ces minéraux réduisent progressivement les échanges entre l’os et le milieu environnant.

Processus de compaction/fracturation : au fur et à mesure de son enfouissement, l’os fossile va subir des pressions de plus en plus importantes entraînant des déformations et des cassures. Ces nouvelles fractures peuvent ultérieurement être remplies par divers minéraux, en fonction de la nature des sédiments.

On parle de diagenèse précoce pour les phénomènes débutant avec l’activité bactérienne et se terminant par la fin de la recristallisation de l’apatite osseuse, et de diagenèse tardive pour les phénomènes se déroulant après cette recristallisation.