【任务描述】 ①正确分析化石的形成条件，了解化石的石化作用；②了解常见的化石类型；③熟练鉴定化石类型。
一、化石的概念
化石是指保存在岩层中地质历史时期的生物遗体和遗迹。因此，化石区别于一般的岩石在于，它必须与古代生物相联系，它必须具有诸如形状、结构、纹饰和有机化学成分等生物特征，或者是由生物生活活动所产生的并保留下来的痕迹。一些保存在地层中与生物和生物活动无关的物体，虽然在形态上与某些化石十分相似，但只能称为假化石，如姜结石、龟背石、泥裂、卵形砾石、波痕、放射状结晶的矿物集合体、矿质结核、树枝状铁质沉淀物等，都不是化石。
因为古生物学是以化石为研究对象的，而且古生物是相对现生生物而言的，它们具有生活时代上的差别。通常古、今生物之间的时间界线被定在距今1万年左右，即生活在全新世以前的生物才称为古生物，而全新世以来的生物属于现生生物的范畴。因此，埋藏在现代沉积物中的生物遗体不是化石，人类历史以来的考古文物一般亦不被认为是化石。
二、化石的种类
在古生物学研究的化石中，有些生物体和化石个体较大，利用常规方法在肉眼下就能直接进行研究，这些化石称为大化石。但是某些生物类别，如有孔虫、放射虫、介形虫、沟鞭藻和硅藻等，以及某些古生物类别的微小部分或微小器官，如牙形石、轮藻和孢子花粉等，形体微小，一般肉眼难以辨认，这些化石称为微化石。对于微化石的研究必须采用专门的技术和方法从岩石中将化石处理、分离出来，或磨制成切片。
保存在地层中的龟背石、卵形砾石、放射状结晶的矿物集合体、矿质结核、树枝状铁锰质沉积物等，在形态上与化石有极其形似性，但它们与生物或生物生命活动无关，我们称其为假化石（图1-8）。
图1-8 假化石
（据郭宝炎，2009）
三、化石的形成过程
研究生物自死亡后埋藏在沉积物中，随同沉积物经化石化作用形成化石的学科称为埋藏学。从埋藏学角度，可将化石形成的全部过程分为图1-9所示的几个阶段。
图1-9 化石形成的过程
（据孙跃武等，2006）
◎生物群落：是在一定区域或同一环境里各种生物居群相互结合的一种结构单元。这种单元结合松散，在其形成之前及形成以后，不是固定不变的，而是经常在演变着，但演变有规律性，同时群落也具有相对的稳定性。
◎尸积群：因各种原因生物死亡后尸体堆积而成的尸积群或称死亡群。尸积群可能属于同一群落的成分，亦可能是几个群落的成分死后的混合堆积。这主要受沉积物的沉积速度、环境稳定性、生物扰动等因素的控制。
◎埋藏群：尸积群被埋藏后称埋藏群，它可能是原地埋藏，也可能迁移至他处或与其他群落的尸积群相混杂成为异地埋藏。原地埋藏不同于原位埋藏。一般生物死亡后只要在其所属群落生活的范围内埋藏都属原地埋藏。
◎化石群：埋藏群通过石化作用与周围的沉积物同时形成化石群。在原地埋藏，其成分由生物群落的组成部分形成的化石群称化石群落。化石群落是生物群落中被保存下来的一部分，不能充分表明彼此间的关系（如取食、保护等），但可指明它们原来生活于同一处所。异地埋藏所形成的化石群称为化石组合。化石组合可能包括残留原地种类，即保留一部分在原地埋藏的种类，而个体大小和数量亦非原来面貌；搬迁种类，即由不同环境迁入的同时期种类；转移种类，即随同较老的岩石转移而来再沉积的不同时期种类。研究原地埋藏的化石群落和异地埋藏的残留原地种类可恢复原地环境，搬迁种类对研究古地理环境可提供有益的资料，如水流强度、水流方向、能量高低等。一般埋藏在原地的化石多保存较完整，很少被破坏，有时能保存原来生活时的状态。异地埋藏的化石经过搬运常有不同程度的磨损或分选等现象。
四、化石的形成条件
地史时期的生物遗体及其生命活动的痕迹在被沉积物埋藏后，经历了漫长的地质年代，随着沉积物的成岩作用，埋藏在沉积物中的生物体在成岩作用下经过物理化学作用的改造，即石化作用，而形成化石。化石的形成和保存取决于以下几方面的条件。
（一）生物本身条件
从生物本身条件来说，最好具有硬体，因为软体部分容易腐烂、分解而消失，而硬体主要是由矿物质组成的，能够比较持久地抵御各种破坏作用。但是，硬体的矿物质成分不同，保存为化石的可能性也不同。由方解石、硅质化合物和甲氰磷酸钙等矿物组成的生物硬体，在成岩和石化作用过程中比较稳定，容易保存为化石；含镁方解石等不稳定矿物，在转化为稳定矿物之前则容易遭受破坏。有机质硬体如角质层、木质、几丁质薄膜等，虽易遭受破坏，但在成岩过程中可炭化而保存为化石，如植物叶子、笔石体壁等。在某些极为特殊的条件下，一些动物的软体部分有时也能保存成为化石，如我国抚顺松脂包裹的昆虫化石（图1-10 之1），波兰斯大卢尼沥青湖中的披毛犀化石（图1-10 之2），西伯利亚第四纪冻土中的猛犸象化石（图1-10 之3，4）等。
（二）生物死亡的环境条件
生物死后尸体所处的物理化学环境直接影响化石的保存和形成。在高能水动力条件下，生物尸体容易被磨损破坏；水体pH 值小于7.8 时，碳酸钙组成的硬体易溶解；氧化环境中有机质易腐烂，而还原条件下有机质容易保存下来。此外，当时生活着的动物吞食和细菌的腐蚀作用亦影响化石的保存。
图1-10 完整实体化石
（据Scott，1978；河北师范学院生物系，1975；夏树芳，1978）
1.琥珀中的昆虫化石；2.沥青湖中的披毛犀化石；3，4.冻土层中的猛犸象化石
（三）埋藏条件
生物死后掩埋的沉积物不同，保存为化石的可能性亦不同。如果生物尸体是被化学沉积物、生物成因的沉积物所埋藏，那么，除软体部分外，硬体比较容易保存下来。如果是被粗碎屑沉积物埋藏，则由于粗碎屑沉积物的机械活动性和富孔隙，生物尸体容易遭受破坏。但在某些特殊的沉积物（如松脂、冰川冻土）中，一些生物的软体部分亦能完好地保存下来（图1-10）。
（四）时间条件及成岩作用的条件
只有生物死后迅速被埋藏起来才有可能被保存为化石，生物尸体如果暴露于空气中，会受氧化作用或被其他生物吞食而遭破坏，即使是硬体部分，也会被长时间风化作用所毁坏。因此，生物死后，必须要有某种沉积作用将其迅速掩埋，才能较好地保存下来。被埋藏起来的生物尸体还必须经过长时期的石化作用（即成岩作用）后才能形成化石。有时生物死后虽被迅速埋藏，但不久又因各种原因被重新暴露出来而遭受破坏，也不能形成化石。有时被埋藏在浅层沉积物中的生物尸体还有被生活在泥底中的生物吞食的可能。另一方面，保存在一些较古老的岩层中的化石，因发生岩层变形和变质作用亦容易使化石遭受破坏。
沉积物在固结成岩作用过程中，其压实和结晶作用都会影响化石的石化作用和化石的保存。一些孔隙度较高、含水分较多的碎屑沉积物压实作用显著，因而保存在其中的化石变形作用明显。保存在碳酸盐沉积物中的化石，由于沉积物的成岩重结晶作用，由碳酸钙组成的生物体也将发生重结晶，因而生物体的结构容易被破坏。只有压实作用较小且未经过严重重结晶作用的情况下，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沉积物中的生物遗体在成岩过程中经过物理化学作用的改造而形成化石的作用。主要有以下3种类型。
（一）矿质填充作用
生物的硬体组织中的一些空隙，通过石化作用被一些矿物质沉淀充填，生物的硬体变得致密和坚实。这种填充作用可发生在生物硬体结构之中，如贝壳中的微孔、脊椎动物的骨髓等，也可发生在生物硬体结构之间，如有孔虫壳的房室、珊瑚的隔壁之间等。
（二）置换作用
在石化作用过程中，原来生物体的组成物质被溶解，并逐渐被外来矿物质所填充。如果溶解和填充的速度相当，以分子的形式置换，那么原来生物的微细结构可以被保存下来，例如，华北二叠系的硅化木，其原来的木质纤维均被硅质置换，但其微细结构如年轮以及细胞轮廓都仍清晰可见（图1-11）；中北美洲西部三叠系中硅化的动物标本，一些微小和精细的壳饰都完好地被保存下来。如果置换速度小于溶解速度，则生物体的微细构造不会保存，仅保留其外部形态。常见的置换作用有硅化、钙化、白云石化和黄铁矿化等。
图1-11 石化作用
（据童金南，2007）
（三）炭化作用
石化作用过程中生物遗体中不稳定的成分经分解和升馏作用而挥发消失，仅留下较稳定的炭质薄膜而保存为化石。例如，以几丁质成分（C15 H26 N2 O10）为主的笔石和植物叶子经升馏作用，H、N和O挥发逃逸，留下炭质化石薄膜（图1-11）。
六、化石的保存类型
根据化石可以保存的特点，化石可以分为实体化石、模铸化石、遗迹化石和化学化石四类。
（一）实体化石
指生物的遗体或其一部分保存为化石。在极为特殊的情况下，由于密封、冷藏、干燥等条件避开了空气的氧化和细菌的腐蚀，其硬体和软体几乎未遭受变化，可以比较完整地保存下来。例如猛犸象（第四纪冰期西伯利亚冻土层中于1901 年发现，其生存于距今25000年以前，不仅骨骼完整，连皮、毛、血肉，甚至胃中食物都保存完整）（图1-10 之3，4）。又如我国抚顺煤田古近系抚顺群（始新世至渐新世）琥珀中常见保存完整的蚊、蜂和蜘蛛等昆虫化石（图1-10 之1）。此外，由于气候干燥使生物体失去水分而被保存为干尸（木乃伊）。
（二）模铸化石
是生物遗体在底质或围岩中留下的各种印痕和复铸物。虽然并非实体本身，但能反映生物体的主要特征。按其与围岩的关系主要有：
◎印痕：专指生物死后，遗体沉落在松软细密底层上留下的印痕。生物遗体已损毁消失。常见的印痕化石有植物叶片、动物触角、腔肠动物的水母等（图1-12）。
图1-12 云南澄江下寒武统的印痕化石及其软体复原图
（据侯先光等，1989）
1.动物软体印痕化石；
2.动物软体复原图
◎印模：主要指生物硬体（如贝壳等）在围岩上印压的模。可分外模和内模（图1-13）。外模是硬体外表的印模；内模是硬体内表的印模。印模化石都能反映原生物的形态构造特征，但其上的纹饰构造则与原生物表面凹凸相反。
◎核：核化石含有整体之意，能反映生物形态、大小、纹饰等特征。核有内核、外核之分。有的生物如双壳类，闭合的双壳中软体腐坏消失留下的空间，为泥沙所填充，形成与原空间形状大小相等的完整实体，是为内核。内核的表面亦即内模。同样，如果壳内空间尚未充填而其空间与原壳空间同形等大，此空间若再被填充，围岩上原印压的外模，反印于填充物之上，即形成与原壳形状大小一致而成分均一的整体，称为外核，亦可称为复型，即原壳体的复型（图1-14）。
图1-13 腕足类的背壳及其印模化石
◎铸型：生物壳体埋于沉积物中，已形成外模和内核，然后壳体被溶蚀，所留空隙再被其他物质填充，即成为原来生物遗体的铸型。铸型与外核表面一致，皆与未变或变化实体化石相似，但未保存遗体内部构造，且成分与原生物完全不同（图1-14）。铸型与外核区别为后者不含内核。
图1-14 模铸化石及其形成过程
（据谭光弼等，1983）
1.双壳类壳瓣内部软体；2.埋藏后软体腐烂；3a.壳内被充填；4a.壳内空间被溶解，形成内核；3 b.壳内未充填，壳被溶蚀；4 b.整个空间被充填而形成外核（复型）；3 c.壳内空间被充填；4 c.壳被溶蚀，且空隙填以其他物质，形成铸型
（三）遗迹化石
保留在岩层中的生物生活活动的痕迹和遗物称为遗迹化石。遗迹化石对于研究生物活动方式和习性，以及恢复古环境有重要意义。遗迹化石中脊椎动物的足迹是最吸引人的。从足迹上看是爪印还是蹄印，可推知该动物是食肉的还是食草的。我国曾发现不少足迹化石，如陕西神木东山崖侏罗系的禽龙足迹是最大的足迹化石之一（图1-15 之1）。无脊椎动物中蠕形动物的爬迹，舌形贝和蠕虫类的潜穴（图1-15之9，10），以及一些生物的觅食迹都是常见的遗迹化石。
图1-15 遗迹化石
（据夏树芳，1978；Ekdale et al.，1984；Seilacher，1970，1984）
1.足迹；2.行迹；3，4.拖迹；5.爬行迹；6～8.停息迹；9，10.潜穴迹
遗迹化石还包括动物的排泄物或卵（蛋化石）。各种动物的粪团、粪粒还可形成粪化石。鱼粪化石（属于粪团化石中的一种）比较常见，如贵州桐梓青杠哨白垩系中找到的鱼粪化石。鉴定粪化石可以根据形态、大小、物质成分进行，如螺旋状的粪化石就可能是具有螺旋瓣肠道的鱼类排泄物。爬行类和鸟类的蛋化石比较常见。我国白垩纪地层中的恐龙蛋化石是世界著名的，在山东莱阳地区以及广东南雄均发现成窝垒叠起来的恐龙蛋化石。我国黄土高原第四纪的土质层中也常发现完整的鸵鸟蛋化石。
自从人类出现以后，古代人类的劳动工具、文化遗迹等可归属于化石，但须指出这是指旧石器时代的遗物。例如，北京山顶洞人使用过的石器和骨器等。而新石器时代的遗物，一般属于文物考古的范畴。
（四）化学化石
地史时期生物有机质软体部分虽然遭受破坏未能保存为化石，但分解后的有机成分，如脂肪酸、氨基酸等仍可残留在岩层中。这些物质仍具有一定的有机化学分子结构，虽然常规方法不易识别，但借助于一些先进的手段和分析设备，仍能把它们从岩层中分离或鉴别出来，进行有效的研究。目前，人们已从岩层中分离出多糖、核苷酸、嘧啶、烃类和各种氨基酸。这些重大进步，推动了当代分子古生物学、古生物化学和生物成矿作用等新兴学科的迅速发展，对探索生命起源，阐明生物发展历史，以及对生物成因的矿产的探查和研究都有重要意义。
七、技能训练——化石保存类型识别
（一）目的要求
（1）通过化石标本的观察，初步掌握实体化石保存类型，了解遗迹化石的形态。
（2）通过化石标本的观察和模拟化石形成，加深对模铸化石的理解。
（二）训练内容
1.实体化石
①生物原体化石
②变质遗体化石
充填作用——脊椎动物骨骼
交代作用——a.钙化（三叶虫）；b.硅化（珊瑚、硅化木）；c.黄铁矿化（菊石）；炭化作用（古植物、笔石）
2.模铸化石
①外模（三叶虫）
②内模（腕足类、双壳类）
③内核（腹足类）
④外核（石膏模型）
⑤铸型
3.遗迹化石
禽龙足迹、恐龙蛋