任務描述 ①正確分析化石的形成條件，了解化石的石化作用；②了解常見的化石類型；③熟練鑒定化石類型。
壹、化石的概念
化石是指保存在巖層中地質歷史時期的生物遺體和遺跡。因此，化石區別於壹般的巖石在於，它必須與古代生物相聯系，它必須具有諸如形狀、結構、紋飾和有機化學成分等生物特征，或者是由生物生活活動所產生的並保留下來的痕跡。壹些保存在地層中與生物和生物活動無關的物體，雖然在形態上與某些化石十分相似，但只能稱為假化石，如姜結石、龜背石、泥裂、卵形礫石、波痕、放射狀結晶的礦物集合體、礦質結核、樹枝狀鐵質沈澱物等，都不是化石。
因為古生物學是以化石為研究對象的，而且古生物是相對現生生物而言的，它們具有生活時代上的差別。通常古、今生物之間的時間界線被定在距今1萬年左右，即生活在全新世以前的生物才稱為古生物，而全新世以來的生物屬於現生生物的範疇。因此，埋藏在現代沈積物中的生物遺體不是化石，人類歷史以來的考古文物壹般亦不被認為是化石。
二、化石的種類
在古生物學研究的化石中，有些生物體和化石個體較大，利用常規方法在肉眼下就能直接進行研究，這些化石稱為大化石。但是某些生物類別，如有孔蟲、放射蟲、介形蟲、溝鞭藻和矽藻等，以及某些古生物類別的微小部分或微小器官，如牙形石、輪藻和孢子花粉等，形體微小，壹般肉眼難以辨認，這些化石稱為微化石。對於微化石的研究必須采用專門的技術和方法從巖石中將化石處理、分離出來，或磨制成切片。
保存在地層中的龜背石、卵形礫石、放射狀結晶的礦物集合體、礦質結核、樹枝狀鐵錳質沈積物等，在形態上與化石有極其形似性，但它們與生物或生物生命活動無關，我們稱其為假化石（圖1-8）。
圖1-8 假化石
（據郭寶炎，2009）
三、化石的形成過程
研究生物自死亡後埋藏在沈積物中，隨同沈積物經化石化作用形成化石的學科稱為埋藏學。從埋藏學角度，可將化石形成的全部過程分為圖1-9所示的幾個階段。
圖1-9 化石形成的過程
（據孫躍武等，2006）
◎生物群落：是在壹定區域或同壹環境裏各種生物居群相互結合的壹種結構單元。這種單元結合松散，在其形成之前及形成以後，不是固定不變的，而是經常在演變著，但演變有規律性，同時群落也具有相對的穩定性。
◎屍積群：因各種原因生物死亡後屍體堆積而成的屍積群或稱死亡群。屍積群可能屬於同壹群落的成分，亦可能是幾個群落的成分死後的混合堆積。這主要受沈積物的沈積速度、環境穩定性、生物擾動等因素的控制。
◎埋藏群：屍積群被埋藏後稱埋藏群，它可能是原地埋藏，也可能遷移至他處或與其他群落的屍積群相混雜成為異地埋藏。原地埋藏不同於原位埋藏。壹般生物死亡後只要在其所屬群落生活的範圍內埋藏都屬原地埋藏。
◎化石群：埋藏群通過石化作用與周圍的沈積物同時形成化石群。在原地埋藏，其成分由生物群落的組成部分形成的化石群稱化石群落。化石群落是生物群落中被保存下來的壹部分，不能充分表明彼此間的關系（如取食、保護等），但可指明它們原來生活於同壹處所。異地埋藏所形成的化石群稱為化石組合。化石組合可能包括殘留原地種類，即保留壹部分在原地埋藏的種類，而個體大小和數量亦非原來面貌；搬遷種類，即由不同環境遷入的同時期種類；轉移種類，即隨同較老的巖石轉移而來再沈積的不同時期種類。研究原地埋藏的化石群落和異地埋藏的殘留原地種類可恢復原地環境，搬遷種類對研究古地理環境可提供有益的資料，如水流強度、水流方向、能量高低等。壹般埋藏在原地的化石多保存較完整，很少被破壞，有時能保存原來生活時的狀態。異地埋藏的化石經過搬運常有不同程度的磨損或分選等現象。
四、化石的形成條件
地史時期的生物遺體及其生命活動的痕跡在被沈積物埋藏後，經歷了漫長的地質年代，隨著沈積物的成巖作用，埋藏在沈積物中的生物體在成巖作用下經過物理化學作用的改造，即石化作用，而形成化石。化石的形成和保存取決於以下幾方面的條件。
（壹）生物本身條件
從生物本身條件來說，最好具有硬體，因為軟體部分容易腐爛、分解而消失，而硬體主要是由礦物質組成的，能夠比較持久地抵禦各種破壞作用。但是，硬體的礦物質成分不同，保存為化石的可能性也不同。由方解石、矽質化合物和甲氰磷酸鈣等礦物組成的生物硬體，在成巖和石化作用過程中比較穩定，容易保存為化石；含鎂方解石等不穩定礦物，在轉化為穩定礦物之前則容易遭受破壞。有機質硬體如角質層、木質、幾丁質薄膜等，雖易遭受破壞，但在成巖過程中可炭化而保存為化石，如植物葉子、筆石體壁等。在某些極為特殊的條件下，壹些動物的軟體部分有時也能保存成為化石，如我國撫順松脂包裹的昆蟲化石（圖1-10 之1），波蘭斯大盧尼瀝青湖中的披毛犀化石（圖1-10 之2），西伯利亞第四紀凍土中的猛獁象化石（圖1-10 之3，4）等。
（二）生物死亡的環境條件
生物死後屍體所處的物理化學環境直接影響化石的保存和形成。在高能水動力條件下，生物屍體容易被磨損破壞；水體pH 值小於7.8 時，碳酸鈣組成的硬體易溶解；氧化環境中有機質易腐爛，而還原條件下有機質容易保存下來。此外，當時生活著的動物吞食和細菌的腐蝕作用亦影響化石的保存。
圖1-10 完整實體化石
（據Scott，1978；河北師範學院生物系，1975；夏樹芳，1978）
1.琥珀中的昆蟲化石；2.瀝青湖中的披毛犀化石；3，4.凍土層中的猛獁象化石
（三）埋藏條件
生物死後掩埋的沈積物不同，保存為化石的可能性亦不同。如果生物屍體是被化學沈積物、生物成因的沈積物所埋藏，那麽，除軟體部分外，硬體比較容易保存下來。如果是被粗碎屑沈積物埋藏，則由於粗碎屑沈積物的機械活動性和富孔隙，生物屍體容易遭受破壞。但在某些特殊的沈積物（如松脂、冰川凍土）中，壹些生物的軟體部分亦能完好地保存下來（圖1-10）。
（四）時間條件及成巖作用的條件
只有生物死後迅速被埋藏起來才有可能被保存為化石，生物屍體如果暴露於空氣中，會受氧化作用或被其他生物吞食而遭破壞，即使是硬體部分，也會被長時間風化作用所毀壞。因此，生物死後，必須要有某種沈積作用將其迅速掩埋，才能較好地保存下來。被埋藏起來的生物屍體還必須經過長時期的石化作用（即成巖作用）後才能形成化石。有時生物死後雖被迅速埋藏，但不久又因各種原因被重新暴露出來而遭受破壞，也不能形成化石。有時被埋藏在淺層沈積物中的生物屍體還有被生活在泥底中的生物吞食的可能。另壹方面，保存在壹些較古老的巖層中的化石，因發生巖層變形和變質作用亦容易使化石遭受破壞。
沈積物在固結成巖作用過程中，其壓實和結晶作用都會影響化石的石化作用和化石的保存。壹些孔隙度較高、含水分較多的碎屑沈積物壓實作用顯著，因而保存在其中的化石變形作用明顯。保存在碳酸鹽沈積物中的化石，由於沈積物的成巖重結晶作用，由碳酸鈣組成的生物體也將發生重結晶，因而生物體的結構容易被破壞。只有壓實作用較小且未經過嚴重重結晶作用的情況下，才能保存完好的化石。
五、化石的石化作用
化石的石化作用是指埋藏在沈積物中的生物遺體在成巖過程中經過物理化學作用的改造而形成化石的作用。主要有以下3種類型。
（壹）礦質填充作用
生物的硬體組織中的壹些空隙，通過石化作用被壹些礦物質沈澱充填，生物的硬體變得致密和堅實。這種填充作用可發生在生物硬體結構之中，如貝殼中的微孔、脊椎動物的骨髓等，也可發生在生物硬體結構之間，如有孔蟲殼的房室、珊瑚的隔壁之間等。
（二）置換作用
在石化作用過程中，原來生物體的組成物質被溶解，並逐漸被外來礦物質所填充。如果溶解和填充的速度相當，以分子的形式置換，那麽原來生物的微細結構可以被保存下來，例如，華北二疊系的矽化木，其原來的木質纖維均被矽質置換，但其微細結構如年輪以及細胞輪廓都仍清晰可見（圖1-11）；中北美洲西部三疊系中矽化的動物標本，壹些微小和精細的殼飾都完好地被保存下來。如果置換速度小於溶解速度，則生物體的微細構造不會保存，僅保留其外部形態。常見的置換作用有矽化、鈣化、白雲石化和黃鐵礦化等。
圖1-11 石化作用
（據童金南，2007）
（三）炭化作用
石化作用過程中生物遺體中不穩定的成分經分解和升餾作用而揮發消失，僅留下較穩定的炭質薄膜而保存為化石。例如，以幾丁質成分（C15 H26 N2 O10）為主的筆石和植物葉子經升餾作用，H、N和O揮發逃逸，留下炭質化石薄膜（圖1-11）。
六、化石的保存類型
根據化石可以保存的特點，化石可以分為實體化石、模鑄化石、遺跡化石和化學化石四類。
（壹）實體化石
指生物的遺體或其壹部分保存為化石。在極為特殊的情況下，由於密封、冷藏、幹燥等條件避開了空氣的氧化和細菌的腐蝕，其硬體和軟體幾乎未遭受變化，可以比較完整地保存下來。例如猛獁象（第四紀冰期西伯利亞凍土層中於1901 年發現，其生存於距今25000年以前，不僅骨骼完整，連皮、毛、血肉，甚至胃中食物都保存完整）（圖1-10 之3，4）。又如我國撫順煤田古近系撫順群（始新世至漸新世）琥珀中常見保存完整的蚊、蜂和蜘蛛等昆蟲化石（圖1-10 之1）。此外，由於氣候幹燥使生物體失去水分而被保存為幹屍（木乃伊）。
（二）模鑄化石
是生物遺體在底質或圍巖中留下的各種印痕和復鑄物。雖然並非實體本身，但能反映生物體的主要特征。按其與圍巖的關系主要有：
◎印痕：專指生物死後，遺體沈落在松軟細密底層上留下的印痕。生物遺體已損毀消失。常見的印痕化石有植物葉片、動物觸角、腔腸動物的水母等（圖1-12）。
圖1-12 雲南澄江下寒武統的印痕化石及其軟體復原圖
（據侯先光等，1989）
1.動物軟體印痕化石；
2.動物軟體復原圖
◎印模：主要指生物硬體（如貝殼等）在圍巖上印壓的模。可分外模和內模（圖1-13）。外模是硬體外表的印模；內模是硬體內表的印模。印模化石都能反映原生物的形態構造特征，但其上的紋飾構造則與原生物表面凹凸相反。
◎核：核化石含有整體之意，能反映生物形態、大小、紋飾等特征。核有內核、外核之分。有的生物如雙殼類，閉合的雙殼中軟體腐壞消失留下的空間，為泥沙所填充，形成與原空間形狀大小相等的完整實體，是為內核。內核的表面亦即內模。同樣，如果殼內空間尚未充填而其空間與原殼空間同形等大，此空間若再被填充，圍巖上原印壓的外模，反印於填充物之上，即形成與原殼形狀大小壹致而成分均壹的整體，稱為外核，亦可稱為復型，即原殼體的復型（圖1-14）。
圖1-13 腕足類的背殼及其印模化石
◎鑄型：生物殼體埋於沈積物中，已形成外模和內核，然後殼體被溶蝕，所留空隙再被其他物質填充，即成為原來生物遺體的鑄型。鑄型與外核表面壹致，皆與未變或變化實體化石相似，但未保存遺體內部構造，且成分與原生物完全不同（圖1-14）。鑄型與外核區別為後者不含內核。
圖1-14 模鑄化石及其形成過程
（據譚光弼等，1983）
1.雙殼類殼瓣內部軟體；2.埋藏後軟體腐爛；3a.殼內被充填；4a.殼內空間被溶解，形成內核；3 b.殼內未充填，殼被溶蝕；4 b.整個空間被充填而形成外核（復型）；3 c.殼內空間被充填；4 c.殼被溶蝕，且空隙填以其他物質，形成鑄型
（三）遺跡化石
保留在巖層中的生物生活活動的痕跡和遺物稱為遺跡化石。遺跡化石對於研究生物活動方式和習性，以及恢復古環境有重要意義。遺跡化石中脊椎動物的足跡是最吸引人的。從足跡上看是爪印還是蹄印，可推知該動物是食肉的還是食草的。我國曾發現不少足跡化石，如陜西神木東山崖侏羅系的禽龍足跡是最大的足跡化石之壹（圖1-15 之1）。無脊椎動物中蠕形動物的爬跡，舌形貝和蠕蟲類的潛穴（圖1-15之9，10），以及壹些生物的覓食跡都是常見的遺跡化石。
圖1-15 遺跡化石
（據夏樹芳，1978；Ekdale et al.，1984；Seilacher，1970，1984）
1.足跡；2.行跡；3，4.拖跡；5.爬行跡；6～8.停息跡；9，10.潛穴跡
遺跡化石還包括動物的排泄物或卵（蛋化石）。各種動物的糞團、糞粒還可形成糞化石。魚糞化石（屬於糞團化石中的壹種）比較常見，如貴州桐梓青杠哨白堊系中找到的魚糞化石。鑒定糞化石可以根據形態、大小、物質成分進行，如螺旋狀的糞化石就可能是具有螺旋瓣腸道的魚類排泄物。爬行類和鳥類的蛋化石比較常見。我國白堊紀地層中的恐龍蛋化石是世界著名的，在山東萊陽地區以及廣東南雄均發現成窩壘疊起來的恐龍蛋化石。我國黃土高原第四紀的土質層中也常發現完整的鴕鳥蛋化石。
自從人類出現以後，古代人類的勞動工具、文化遺跡等可歸屬於化石，但須指出這是指舊石器時代的遺物。例如，北京山頂洞人使用過的石器和骨器等。而新石器時代的遺物，壹般屬於文物考古的範疇。
（四）化學化石
地史時期生物有機質軟體部分雖然遭受破壞未能保存為化石，但分解後的有機成分，如脂肪酸、氨基酸等仍可殘留在巖層中。這些物質仍具有壹定的有機化學分子結構，雖然常規方法不易識別，但借助於壹些先進的手段和分析設備，仍能把它們從巖層中分離或鑒別出來，進行有效的研究。目前，人們已從巖層中分離出多糖、核苷酸、嘧啶、烴類和各種氨基酸。這些重大進步，推動了當代分子古生物學、古生物化學和生物成礦作用等新興學科的迅速發展，對探索生命起源，闡明生物發展歷史，以及對生物成因的礦產的探查和研究都有重要意義。
七、技能訓練——化石保存類型識別
（壹）目的要求
（1）通過化石標本的觀察，初步掌握實體化石保存類型，了解遺跡化石的形態。
（2）通過化石標本的觀察和模擬化石形成，加深對模鑄化石的理解。
（二）訓練內容
1.實體化石
①生物原體化石
②變質遺體化石
充填作用——脊椎動物骨骼
交代作用——a.鈣化（三葉蟲）；b.矽化（珊瑚、矽化木）；c.黃鐵礦化（菊石）；炭化作用（古植物、筆石）
2.模鑄化石
①外模（三葉蟲）
②內模（腕足類、雙殼類）
③內核（腹足類）
④外核（石膏模型）
⑤鑄型
3.遺跡化石
禽龍足跡、恐龍蛋