★化 石
概說化石
化石存留在岩石中的動物或植物遺骸。通常如肌肉或表皮等柔軟部分在保存前就已腐蝕殆盡，而隻留下抵抗性較大的部分，如骨頭或外殼。它們接著就被周遭沉積物的礦物質所滲入取代。許多化石也被覆蓋其上的岩石重量壓平。
化石，經過自然界的作用，保存於地層中的古生物遺體和他們的生活遺跡。
簡單地說，化石就是生活在遙遠的過去的生物的遺體或遺跡變成的石頭。在漫長的地質年代裏，地球上曾經生活過無數的生物，這些生物死亡後的遺體或是生活時遺留下來的痕跡，許多都被當時的泥沙掩埋起來。在隨後的歲月中，這些生物遺體中的有機物質分解殆盡，堅硬的部分如外殼、骨骼、枝葉等與包圍在周圍的沉積物一起經過石化變成了石頭，但是它們原來的形態、結構(甚至一些細微的內部構造)依然保留著；同樣，那些生物生活時留下的痕跡也可以這樣保留下來。我們把這些石化的生物遺體、遺跡就稱為化石。從化石中可以看到古代動物、植物的樣子，從而可以推斷出古代動物、植物的生活情況和生活環境，可以推斷出埋藏化石的地層形成的年代和經曆的變化，可以看到生物從古到今的變化等等。
在有文字記載的人類曆史的早期，某些希臘學者曾被在沙漠中及山區有魚及海生貝殼的存在感到迷惑。公元前450年希羅多德注意到埃及沙漠，並正確地認為地中海曾淹沒過那一地區。
公元前400年亞裏士多德就證明化石是由有機物形成的，但是化石之被嵌埋在岩石中是由於地球內部的神秘的塑性力作用的結果。他的一個學生狄奧佛拉斯塔(約公元前350年)也提出了化石代表某些生命形式，但是他認為化石是由埋植在岩石中的種子和卵發展而成的。斯特拉波(約公元前63年到公元20年)注意到海生化石在海平麵之上的存在，正確地推斷出，含有該類化石的岩石曾受到很大的抬升。
在中世紀的黑暗時代，人們對化石有各種各樣的解釋，人們或者解釋為自然界的奇特現象，或者解釋為是魔鬼的特別創造和設計以便來迷惑人。這些迷信以及宗教權威們的反對，妨礙了化石研究達數百年。大約在15世紀初，化石的真正起源被普遍接受了。人們懂得了化石是史前生物的殘體，但仍然認為是基督教聖經上所記載的大洪水的遺跡。科學家與神學家的爭論大約持續了300年。
文藝複興時期，幾個早期自然科學家，著名的達．芬奇論及到化石的問題。他堅決主張，洪水不能對所有化石負責，也無法解釋化石出現在高山上。他們肯定地相信，化石是古代生物無可置疑的證據，並認為海洋曾覆蓋過意大利。他認為，古代動物的遺體被深埋在海底，在後來的某個時候，海底隆起高出海麵，形成了意大利半島。在18世紀末和19世紀初，為化石的研究打下了牢固的基礎，並形成一門科學。從那時起，化石對於地質學家越來越重要了。化石主要發現於海相沉積岩中，當海水中沉積物如石灰質軟泥、沙、貝殼層被壓緊並膠結成岩時，就形成了海相沉積岩。隻有極罕見的化石出現在火山岩和變質岩中。火山岩原來是熔融狀態，它的裏麵是沒有生命的。變質岩是經曆了非常大的變化而形成的，使得原始的岩石中的化石一般都化為烏有。然而，即使在沉積岩中，所保留下來的記錄也隻是史前動植物的很小一部分。如果考慮到形成化石這一過程所需要的苛刻條件，也就不難理解為什麽沉積岩中所保留下來的也隻是史前動植物的很小一部分。
形成條件
雖然一個生物是否能形成化石取決於許多因素，但是有三個因素是基本的：
(1)有機物必須擁有堅硬部分，如殼、骨、牙或木質組織。然而，在非常有利的條件下，即使是非常脆弱的生物，如昆蟲或水母也能夠變成化石。
(2)生物在死後必須立即避免被毀滅。如果一個生物的身體部分被壓碎、腐爛或嚴重風化，這就可能改變或取消該種生物變成化石的可能性。
(3)生物必須被某種能阻礙分解的物質迅速地埋藏起來。而這種掩埋物質的類型通常取決於生物生存的環境。海生動物的遺體通常都能變成化石，這是因為海生動物死亡後沉在海底，被軟泥覆蓋。軟泥在後來的地質時代中則變成頁岩或石灰岩。較細粒的沉積物不易損壞生物的遺體。在德國的侏羅紀的某些細粒沉積岩中，很好地保存了諸如鳥、昆蟲、水母這樣一些脆弱的生物的化石。
演變過程
人們已知道，由附近火山落下的火山灰曾覆蓋過整片森林，在森林化石中有時還可見到依然站立的樹，以很好的姿態被保存下來。流沙和焦油瀝青通常也能迅速把動物掩埋起來。焦油瀝青的行為好像一個捕獲野獸的陷阱，又像防腐劑能阻止動物堅硬部分的分解。洛杉磯的蘭喬·拉·布雷(RancholaBrea)瀝青湖由於在其中發現許多骨化石而聞名了，在其中發現的骨化石包括長著銳利牙齒的野豬、巨大的陸地樹獺以及其他已經絕滅的動物。在冰期生存的某些動物的遺體被凍結在冰或凍土之中。顯然，被冰凍的動物有的可以保存下來。
雖然地球上曾有眾多的人們並不知道的生物生存過，而隻有少數生物留下了化石。然而，使生物變成化石的條件即使都滿足了，仍然還有其他原因使得某些化石從未被人們發現過。例如，很多化石由於地麵剝蝕而被破壞掉，或它的堅硬部分被地下水分解了。還有一些化石可能被保存在岩石中，但由於岩石經曆了強烈的物理變化，如褶皺、斷裂或熔化，這種變化可以使含化石的海相石灰岩變為大理岩，而原先存在於石灰岩中的生物的任何痕跡會完全或幾乎完全消失。還有很多化石則存在於無法獲得來進行研究的沉積岩層中，也還有很多出露於地表的含化石的岩石分布在世界上的某些地方，卻沒有進行地質學研究。另外一個很普遍的問題是，可能由於生物的殘體變成碎片或保存得很差，而不能充分顯示出該生物的情況。
再者，當我們向過去回溯的時間越古老，化石記錄缺失的時間間隔越長。岩石越老，受到破壞性力量的機會就越多，化石也就越加不可辨認。而且由於較古老的生物和今天的生物不同，因而對它們進行分類就很困難，這一情況使問題進一步複雜化了。然而，盡管如此，大量保存下來的生物化石仍為我們認識過去提供很好的記錄。
動物和植物變成化石可以通過很多不同途徑，但究竟通過哪種途徑，通常取決於：
(1)生物的本來構成；
(2)它所生存的地方；
(3)生物死後，影響生物遺體的力。
大多數古生物學家認為生物殘體的保存有4種形式，每一種形式取決於生物遺體的構成或者生物遺體所經曆的變化。
生物的本來的柔軟部分隻有當它被埋在能夠阻止其柔軟部分分解的介質中時，才能得以保存。這種介質有凍土或冰，飽含油的土壤和琥珀。當生物在非常幹燥的條件下變成木乃伊，也能保存它的身體上本來的柔軟部分。這種情況一般隻發生於幹旱地區或沙漠地區，並且在遺體不被野獸吃掉的情況下。
大概動物柔軟部分的化石得以保存的最著名的例子是在阿拉斯加和西伯利亞。在這兩個地區的凍原上發現的大量的凍結的多毛的猛獁遺體——一種絕滅的象。這些巨獸有的已被埋藏達25000年。當凍土融解，猛獁的遺體就暴露出來。也有些屍體保存得很不好，當它們暴露出來時，其肉被狗吃了，其長牙被象牙商倒賣。猛獁象的毛皮現在在很多博物館展覽，有的把猛獁象的肉體或肌肉放在乙醇中保存。
生物身體的柔軟部分在東波蘭的飽含油的土壤中也發現到，在這裏有保存很好的一種絕滅的犀牛的鼻角、前腿和部分皮。在新墨西哥州和亞利桑那州的洞穴中和火山口裏發現了地樹懶的天然形成的木乃伊。這裏的極端幹燥的沙漠氣候能夠使動物的軟組織在腐爛之前就全部脫水，並能保存部分的皮、毛、腱、爪等。
生物變成化石的更有趣和不尋常的一種方式就是在琥珀中保存。古代的昆蟲可被某些針葉樹分泌出的粘樹膠所捕獲。當鬆脂硬結後並進一步變成琥珀，昆蟲便留在其中。有些昆蟲和蜘蛛被保存得非常好，甚至能在顯微鏡下研究它的細毛和肌肉組織。
雖然生物體的軟組織的保存形成了一些有趣的和令人歎為觀止的化石，但這種方式形成的化石是相對罕見的。古生物學家更經常地是研究保存在岩石中的化石。
生物體上的硬組織也能被保存下來。差不多所有的植物和動物都擁有一些硬部分，例如蛤、蠔或蝸牛；脊椎動物的牙和骨頭；蟹的外殼和能夠變成化石的植物的木質組織。生物體的堅硬部分由於是以能抵抗風化作用和化學作用的物質構成的，所以這類化石分布的較普遍。無脊椎動物例如蛤、蝸牛和珊瑚等的殼是由方解石(碳酸鈣)組成的，其中很多沒有戚幾乎沒有發生物理變化而被保存下來。脊椎動物的骨頭和牙以及許多無脊椎動物的外甲含有磷酸鈣，因為這種化合物抵抗風化作用的能力非常強，所以許多由磷酸鹽組成的物質也能保存下來，如曾發現一枚保存極好的魚牙。由矽質(二氧化矽)組成的骨骼也具有這種性質。微體古生物化石的矽質部分和某些海綿通過矽化而變成化石。另一些有機物具有幾丁質(一種類似於指甲的物質)的外甲，節足動物和其他有機物的幾丁質外甲可以成為化石，由於它的化學成分和埋葬的方式，使這種物質以碳的薄膜的形式而保存下來。碳化作用(或蒸餾作用)是生物埋葬之後在緩慢腐爛的過程中發生的，在分解過程中，有機物逐漸失去所含有的氣體和**成分，僅留下碳質薄膜。這種碳化作用和煤的形成過程相同。在許多煤層中可以看到大量的碳化植物化石。
在許多地方，植物、魚和無脊椎動物就是以這種方式保存下它們的化石。
有些碳的薄膜精確地記錄了這些生物的最精細的結構。
化石還可以通過礦化作用和石化作用而保存下來。當含礦化的地下水把礦物沉澱於生物體的堅硬部分所在的空間時，使得生物的堅硬部分變得更堅硬、抵抗風化作用的能力更強。較普通的礦物有方解石、二氧化矽和各種鐵的化合物。所謂置換作用或礦化作用是生物體的堅硬部分被地下水溶解，與此同時其他物質在所空出來的位置上沉澱下來的過程。有些置換形成的化石的原始結構被置換的礦物所破壞。
不僅動植物的遺體能形成化石，而且表明它們曾經存在過的證據或蹤跡也都能形成化石。痕跡化石能提供有關該生物特點的相當多的情況。很多殼、骨、葉以及生物的其他部分，都能以陽模和陰模的形式保存下來。如果一個貝殼在沉積物硬化成岩之前就被壓入海底，它的外表特征就會留下壓印(陰模)。如果陰模後來又被另外一種物質充填，就形成陽模。陽模能顯示出貝殼本來的外部特征。外部陰模顯示的是生物體硬部分的外部特征，內部陰模顯示的是生物體堅硬部分的內部特征。
一些動物以痕、印、足跡、孔、穴的形式留下了它們曾經存在的證據。
其中如足跡，不僅能表明動物的類型，而且提供了有關環境的資料。恐龍的足跡化石不僅揭示了它的足的大小和形狀，還提供了有關它的長度和重量的線索，留有足跡的岩石還能幫助確定恐龍生存的環境條件。世界上最著名的恐龍足跡化石發現於得克薩斯州索美維爾縣羅斯鎮附近的帕盧西河床中的晚白堊紀石灰岩中，年代大約在1．1億年前。留有恐龍足跡的大的石灰岩板被運到全世界的博物館中，成為這種巨大爬行動物的亞證據。無脊椎動物也能留下蹤痕。在許多砂岩和石灰岩沉積層的表麵可以看到它們的蹤跡。無脊椎動物的蹤痕既有簡單的蹤跡，也有蟹及其他爬蟲的洞穴。
這些蹤痕提供了有關這些生物的活動方式和生活環境的證據。洞穴是動物為著藏身覓食而在地上、木頭上、石頭上以及其他能打洞的物質上打出的管狀或圓洞狀的孔穴，後來若被細物質充填，就可能得以保存下來。打出該洞穴的動物的遺體偶爾也能在充滿洞中的沉積物中找到。在鬆軟的海底，蠕蟲、節肢動物、軟體動物以及其他動物都可留在洞穴裏。某些軟體動物，如鑿船蟲——一種鑽木的蛤、石蜊——一種鑽石的蛤，它們的洞穴化石和鑽孔化石也常常能被發現。在人們所知的最古老的化石之中，有管狀構造，據認為這種管狀構造是蠕蟲的洞穴。在許多最古老的砂岩中，就有這種管狀構造。
鑽孔是某些動物為了覓食、附著和藏身而打的洞。鑽孔經常出現在化石的貝殼、木頭和其他生物體的化石之上。鑽孔也是一種化石。像鑽孔蝸牛這種食內動物就能穿過其他動物的殼來鑽孔以吃食其軟體部分。許多古代軟體動物的殼上可見到像是鑽孔蝸牛打的整齊的洞。
化石對於追溯動植物的發展演化是有用的，因為在較老的岩石中的化石通常是原始的和較簡單的，而在年代較新的岩石中的類似種屬的化石就要複雜和高級。
某些化石作為環境的指示物是很有價值的。例如造礁珊瑚似乎總是生活在與今天相似的條件下。因此，如果地質學家找到了珊瑚礁化石——珊瑚最初被埋藏的地方，就可以有理由地認為，這些含有珊瑚的岩石形成於溫暖的相當淺的海中。這就使得勾畫出史前時期海的位置及範圍成為可能。珊瑚礁化石的存在還可指示出古代水體的深度、溫度、底部條件和含鹽度。
化石的一個更重要的用途是用來進行對比——確定若幹岩層間彼此相互關係的密切的程度。通過對比或比較各岩層所含的特征化石，地質學家可以確定一個特定區域的某種地質建造的分布。有的化石在地質曆史上生存的時間相當短，然而在地理分布上卻相當廣泛。這種化石被稱為指示化石。由於這種化石通常隻是和某一特定時代的岩石共生，所以在對比中特別有用。
微體生物的化石對於石油地質工作者作為指示化石特別有用。微體古生物學家(研究微體古生物的學者)通過對從鑽孔中取得的岩心進行衝洗、將微小的化石分離出來，然後在顯微鏡下進行研究。通過對這些細小的古生物遺體的研究所獲得的資料對於判斷地下岩層的年代和儲油的可能性是非常有價值的。微體古生物化石對於世界油田之重要可從某些儲油地層用某些關鍵的有孔蟲的屬來命名這一點見其一斑。其他微體古生物化石，例如：介形蟲、孢子和花粉，也被用來確定世界其他許多地區的地下岩層。
雖然植物化石對於指示氣候十分有用，但用於地層對比就不很可靠。植物化石提供了許多有關整個地質時代的植物演化的資料。