化石是怎麼形成的？

本文較粗淺而廣泛的講述了化石的分類與形成過程，文章比較長，但是仔細讀是能讀懂的。

化石是怎麼成的是一個很大的問題，研究化石是如何形成的這門學科叫做埋藏學（Taphonomy）
每個地方每個地層的化石都有其獨特的埋藏學特徵，當然所有化石在一起也有一定的埋藏學共性。

首先幾乎所有的化石都有一個掩埋的過程，這是大前提，一個不被沉積物掩埋的生物是不會形成化石的，遺體會被分解者分解，之後在自然的風化作用下消失的無影無蹤，所以被沉積物掩埋是很重要的。水生生物原先就生活在水裡，本來就是一個沉積的環境而不是剝蝕的環境，較生活在陸地上的生物更容易形成化石，陸生生物要麼死在水裡要麼需要在死後藉助外力作用搬運到沉積環境（湖泊、海洋、沼澤等）之中。當然這裡的沉積物不限於在水體中形成，也可以是火山灰、冰川或者沙漠中的沙丘，一切能掩埋生物並且形成岩石的沉積物只要後來不被風化剝蝕都可以形成化石。所以被掩埋是形成化石的大前提。

重點要討論的還是被沉積物掩埋之後如何形成化石的過程，由於不同的化石有不同的形成方式，所以在這裡我將化石的分類與化石的形成方式一起說一下。
化石分為4類：實體化石、模鑄化石、分子化石還有遺迹化石。

從大家熟悉的實體化石開始說起。
一、實體化石
顧名思義，實體化石就是指古生物死了之後的遺體本身形成的化石，我們所熟知的恐龍骨頭、琥珀中的小蟲子、冰凍的猛獁象、印在岩石上的植物葉片等等都是實體化石。
1.稀有情況下形成的實體化石（包括但不限於）：
（1）琥珀包埋
生物被裸子植物分泌的高度粘稠的樹脂包埋，樹脂變硬後包裹在內的生物會相對完整無缺的保存為化石，這些生物一般體型都較小，包括各種節肢動物（昆蟲、蜘蛛、多足類等）、植物碎屑（花朵、葉片、莖幹等）、動物的毛髮（哺乳動物的毛、鳥類的羽毛）、小型脊椎動物（小蜥蜴）等等等等。當然琥珀包裹之後也需要有掩埋的過程，不是光包裹起來就可以的。在地表時間長了也會被風化。

5000萬年前波羅的海琥珀中發現昆蟲剝離的外殼以及蘑菇和哺乳動物毛髮

9900萬年前緬甸琥珀中保存的反鳥類翅膀化石，羽毛結構清晰可見

5000萬年前撫順琥珀中的植物和昆蟲化石

9900萬年前緬甸琥珀中保存的蜥蜴化石

9900萬年前緬甸琥珀中保存的早期被子植物的花朵化石
（2）冰凍，凍住不許走！
生物死亡之後被冰雪覆蓋，掩埋，並且冰雪沒有再融化，一直冰凍在冰雪之中，身體內水分結為冰晶，抑制了屍體的腐敗作用，以這種方式保存的主要是猛獁象，近期也發現了以冰凍方式保存的洞獅幼體，大部分冰凍化石均發現於西伯利亞地區。

3萬9千年前的冰凍猛獁象化石

科學家從1萬年前的冰凍猛獁象化石內提取血液

一個土著居民在野外發現了冰凍猛獁化石

1萬年前冰凍的洞獅幼崽化石

1萬年前冰凍的洞獅幼崽化石
（3）瀝青湖
瀝青湖也可以很好的保存動物的屍體，因為瀝青湖內部是缺氧粘稠封閉不流通的的環境可以有效阻止骨骼的散落，最著名的瀝青湖是美國洛杉磯的拉布雷亞瀝青坑（La Brea Tar Pits），裡面保存有大量的完整的哺乳動物化石（骨骼保存十分完整），現在仍然有小動物會掉進坑裡。

拉布雷亞瀝青坑的全景圖

化石太多了，具體請看Category:La Brea Tar Pits。
2.常見實體化石的形成方式
（1）碳化作用
生物由有機物組成，有機物中在成岩過程中的溫度和壓力條件下，經過分解和蒸餾作用，其中的H、O、N元素揮發逃逸、而碳元素留下來保存為以碳質為主較為穩定的碳質薄膜。這些碳質薄膜的化學成分已經與原始有機物的化學成分大不相同。碳化作用也是有局限性的，具有角質層、纖維質和幾丁質薄膜的生物，例如植物、筆石、昆蟲等更易經過碳化作用保存為化石。而動物的內臟和肌肉等軟體容易被氧化和腐蝕，很難保存為化石。煤其實就是遠古植物的碳化化石。

6億年前的皖南藍田生物群中的藻類化石

4億7千萬年前的澳大利亞本迪戈筆石化石

3億年前二疊紀蒙古的蕨類植物化石

1.6億年前我國內蒙古寧城道虎溝的昆蟲化石

1.6億年前我國內蒙古寧城道虎溝的昆蟲化石
（2）完全礦化作用
又叫礦物質填充作用，指的是原來生物硬體內部的有機質在埋藏後腐爛分解消失殆盡，於是硬體變得疏鬆多孔。硬體在被埋入地下後，地下水可能會滲透含化石的岩層，隨後硬體中的孔隙被溶於地下水的礦物質填充，比如二氧化硅、碳酸鈣、磷酸鹽、黃鐵礦等。硬體變得更加緻密和堅實、重量增加。發生完全礦化作用的生物一般都具有疏鬆多孔的硬體，比如動物的骨骼、植物和貝殼等等。的這種情況常發生在我們所熟悉的恐龍化石的形成過程中。

16萬年前衣索比亞的長者智人(Homo sapiense idaltu)化石
（3）置換作用
生物本身（軟體硬體均可）被孔隙水中的礦物質替換而不是填充在空隙中，這種替換往往是分子級別的，比如硅化木，原來的木質纖維中的碳質被硅質所置換，其微細結構比如年輪和細胞輪廓都清晰可見。常見的置換作用有硅化、磷酸鹽化、黃鐵礦化、鈣化、白雲石化等等。不同成分的礦物置換所保存的化石精細程度也不同，以硅化保存的最高。

6億年前貴州甕安動物胚胎狀化石，磷酸鹽化保存

中泥盆世美國黃鐵礦化的三葉蟲化石（眼睛蟲屬）

早泥盆世蘇格蘭萊尼蕨化石，硅化保存
（4）重結晶作用
生物硬體本身的化學成分不變，在成岩時溫度和壓力升高的情況下，硬體礦物成分在晶體結構上形成了一種熱力學上更加穩定的形式，比如許多貝殼原來是由文石組成，重結晶後就變成了更加穩定的方解石，一般這種方式會破壞原始生物硬體的微細結構。

侏羅紀以色列南部重結晶的石珊瑚化石

始新世法國軟體動物化石

漸新世德國軟體動物化石
需要說明的是，化石的碳化、完全礦化、置換作用和重結晶作用一般都是共同參與到實體化石的形成過程中，統稱為石化作用。化石形成過程中圍岩壓力、溫度、成分、是否有流體參與、流體成分等環境因素以及化石本身的成分和結構決定了哪種化石的形成作用佔主導地位。

二、模鑄化石
不是生物遺體本身形成的化石，而是生物遺體在底質、圍岩、填充物中留下的各種印模和鑄型。
1、印痕化石
一般指擁有軟體的生物其軟體在細粒沉積物或化學沉積物上留下的印痕，經過腐蝕作用和成岩作用後該生物的屍體消失，而印痕還在，這稱作印痕化石。比如一隻水母（軟體）了之後落在水底，底下沉積物很軟但是水母壓出來的痕迹還在，這樣形成的化石就是印痕化石。

澳大利亞埃迪卡拉生物化石

恐龍皮膚化石

植物的印痕化石
2、印模化石
一般指生物硬體在圍岩表面和內部填充物上留下的印模。說白了就是一個貝殼（硬體）壓在沙灘上留下的痕迹。硬體外部（背向軟體一側）壓在沉積物上形成的化石叫外模化石，內部（朝向軟體一側）壓在沉積物上形成的化石叫內膜化石。

石炭紀時期美國的雙殼類外模化石
3、核化石
生物硬體再被沉積物掩埋成岩後，如果封閉的硬體溶解會在其外圍形成空間，沉積物填充在這個空間形成的化石稱為外核化石。如果硬體不溶解，沉積物填充在硬體包圍形成的空間內部，後來硬體溶解，這時形成的化石叫內核化石。內膜一般都會保存在內核化石的外面。

核化石和鑄型化石的形成過程。

很直觀的腹足類內核化石

很直觀的腹足類內核化石

石炭紀美國腕足類動物外核和外模化石

馬達加斯加的菊石外核化石，可發現內部成分一致，沒有內部結構。
4、鑄型化石
生物硬體內部被外來沉積物填充，後來硬體溶解留下硬體所在的空間，之後這部分空間又被另一種礦物質填充，類似於工藝鑄成品一樣，這時所形成的填充物和原來硬體的大小和形狀幾乎一樣，外部具有原來硬體的紋飾，內部包裹著內核化石，這種化石稱為鑄型化石。鑄型化石反應的內部與外部特徵與原生物硬體一樣。一般鑄型化石會和內核化石一起保存。

三、分子化石
分子化石是指原始的生物遺體腐爛之後，其中有些分子仍然會存留在沉積物中，其在有機質演化中具有一定的穩定性，受成岩、成土等地質作用影響較小，沒有或較少發生變化，基本保存了原始生物生化組分的碳骨架，可以反映原始生物成分的相關信息。分子化石主要包括以下幾種生物化學組分：蛋白質、核酸、糖類（單糖、纖維素、幾丁質）、類脂物（烷烴、芳烴、酸、酮、醇）、木質素。

四、遺迹化石
是指生物的生命活動留下的痕迹和遺物
1.軟底沉積物中動物的痕迹
各種動物在比較軟的沉積物上或者內部活動留下的痕迹，比如各種動物運動、休息、還有挖洞在沉積物上留下的痕迹。這些化石的形成過程類似於模鑄化石的形成過程。常常是動物活動之後留下印痕，後來印痕被與底質不同的沉積物填充，形成化石。

三葉蟲的爬跡化石，克魯斯跡（Cruziana）

三葉蟲的停息跡化石（凸面，實際上應該是另一面凹進去的），Rusophycus

中侏羅世以色列甲殼類動物鑽孔形成的遺迹化石

白堊紀時期山東諸城恐龍腳印化石，指示180°轉彎2.軟底沉積物中植物的痕迹
比如植物根滲入底層內留下的痕迹稱為根跡，這個與植物根的吸收作用中的離子交換有關。

4.11到4.08億年前我國雲南河流沉積物中保存的早期維管植物的根跡（白色的）。
3.硬質底層上生物的侵蝕痕迹
動物為了居住、固著或躲避敵人的襲擊等在堅硬的岩石底層上、其他動物介殼上或木質物上鑽鑿的不規則孔洞形成的遺迹稱鑽孔跡。有一些食肉的頭足類及腹足類為便於取食而在硬質底層上鑽鑿孔洞，或在被侵襲動物的殼上磨蝕出孔洞而形成鑽洞跡。

中新世美國玉螺科動物在紫莖屬植物上留下的鑽孔化石
4.動物的排出物
動物生命活動過程中體內排出的產物，常見的有動物的糞化石。其次有卵、蛋化石；動物的胃石、胃殘留物等代謝排泄物也可形成化石。一般糞化石都是鑄型化石。

最長的恐龍糞便化石，已在洛杉磯拍賣。

恐龍蛋化石

鴨嘴龍的胃石
5.古人類的勞動工具及文化遺迹（新石器時代之前）
古人類用過的石器和骨器。如果以後人類滅絕了，人類所創造的文明痕迹要是被數萬年之後的智慧生命發現也可被稱作遺迹化石。

附加一個網友經常問到的假化石，野外看到這個不要高興太早。

實際上這種是古生物學中非常常見的一種「假化石」--樹枝石（或樹模石），在野外非常容易遇到，它幾乎可見於各類岩石之中，沉積岩、岩漿岩及變質岩中都有發現，尤其變質岩中比較常見，它不僅存在岩石的層面上，與層面垂直、斜交面或岩石的節理、裂隙面上都曾發現過，凡是岩石中有縫隙的地方，幾乎都可能找到它們。這種現象通常認為是含氧化錳的礦物溶液沿岩石縫隙浸染形成的，我國古植物學家李星學院士早在1955年就這一現象專門在《地質知識》雜誌上撰文指出，他提出樹枝石的成因「一般認為是含有氧化錳的膠質溶液浸潤於岩石的破面、裂隙或層面，並逐漸乾涸結晶時，沿著分子長軸方向發展的結果」。像冬季寒冷的早晨，在內暖外冷的玻璃窗上，有時也可以看到由水汽凝結成冰的樹枝式花紋。
樹枝式在形狀上很像一些藻類或植物的化石，但和真正的化石還是有很大區別的。因為化石是保存在岩層中地質歷史時期生物的遺體、生命活動的遺迹或生物成因的殘留有機物分子。所以，化石必然會保留著結構、紋飾和有機化學成分等生物特徵，或者是由生命活動所產生並保留下來的痕迹（即遺迹化石）。像植物化石，必然會保存著植物的生物結構，如枝葉具有細紋或葉脈，莖幹的分枝也有一定的規律性。從樹枝石的保存狀況也可以與真正的植物化石相區別，樹枝石可見於各類岩石的各種面（層裡面、節理面、裂隙面等等）上，而植物化石僅保存在沉積岩和極少量低級變質岩中，並且多是保存在岩層層面之上，只有少量的與層面垂直或斜交保存。

【搬運】一種常被媒體報道為「植物化石」的假化石
參考文獻：
《古生物學原理》;（美）富特（Foote M.），（美）米勒（Miller A.）著；樊雋軒，詹仁斌等譯,科學出版社,2013.04 第3版，第5-6頁
《古生物學》張永輅 劉冠邦 邊立曾,地質出版社,1988年11月 第1版,第3-12頁
《古生物學》童金南，殷鴻福主編,高等教育出版社,2007.8,第6-19頁
相關問題和回答：
四川有哪裡可以挖到三葉蟲化石嗎？ - 地質學
死後怎麼變成化石？ - 腦洞
題外話：大家在野外遇到化石，一定要有一顆敬畏自然的心，愛護化石，保護化石，開採挖掘要小心，不要破壞。35億年來來到這個星球上的生物千千萬萬，而它們當中能形成化石的則少之又少，看起來化石很多那都是因為時間的沉澱。化石讓我們知道過去幾十億年里地球上生活過什麼生物，也可以讓我們知道幾億年前你的腳下是陸地還是海洋，是湖泊還是河流，所以一定要懷著一顆敬畏的心來觀賞一個化石。撿到化石時不要光想著它值多少錢，而想想它是什麼，告訴了我們什麼信息，這樣一塊化石才能帶給我們更多的價值。

化石是埋藏在地層里的古代生物的遺物。最常見的化石是由牙齒和骨骼形成的。古代動物死後，屍體的內臟、肌肉等柔軟的組織很快便會腐爛，牙齒和骨骼因為有機質較少，無機質較多，卻能保存較長的時間。如果屍體恰好被泥沙掩埋，與空氣隔絕，腐爛的過程便會放慢。泥沙空隙中有緩慢流動的地下水。水流一方面溶解岩石和泥沙內的礦物質，另一方面將水中過剩的礦物質沉澱下來或成為晶體，隨著水流會逐漸滲進埋在泥沙中的骨內,填補牙齒和骨骼有機質腐爛後留下的空間。如果條件合適，由外界滲進骨內的礦物質在牙齒和骨骼腐爛解體之前能有效地替代骨骼原有的有機質，牙齒和骨骼便完好地保存成為化石。由於化石中的大量礦物質是極為細緻地慢慢替代其中的有機質，所以能完整地保存牙齒和骨骼原來的形態，連電子顯微鏡才能看清的組織形態都能原樣保存。天長日久，骨骼的重量不斷增加，由原來的牙齒和骨頭變成了還保存牙齒和骨頭原有的外形和內部結構的石頭，這個過程被稱作「石化過程」。
除了牙齒和骨骼外，有的動物的糞便也能成化石。例如，有的肉食動物吃肉時是連著碎骨一起吞下的，糞便里有許多沒有被消化掉的碎骨，碎骨不容易腐爛，所以也能成為化石。腳印也能成為化石。人或動物踩在泥沙上，造成腳印。泥沙干後，腳印又被另外的物質填滿。兩種物質都被後來滲進去的礦物質石化後保存下來，但是兩種物質的性質不同，軟硬不同，容易風化或破壞的程度也不同。一種物質被風化或破壞後，另一種物質便表現為腳印化石。

化石是由地制裁歷史時期生物的遺體或其他生活活動的遺迹被沉積物埋藏之後，在沉積物的壓實、固結成岩過程中，經過石化作用形成的。

那麼，是不是所有生物的遺體，或者每種生物所有的組成和器官都能成為化石呢？不是的，化石的形成和保存需要一定的條件。條件不同，所形成化石的類型也不同。

現在，我們來看一看化石形成和保存所需要的條件。化石的形成和保存主要與以下條件有關：

⑴生物體是否具有由化學性質較穩定的物質組成的硬體（如貝殼、骨骼等），具有硬體的生物保存為化石的可能性較大；

⑵生物遺體或遺迹所在環境的物理化學條件是否適合於保存，波浪作用強烈的水域環境不利於生物遺體和遺迹的保存；當環境介質的PH值小於7.8時，由碳酸鈣組成的生物硬體容易受到溶蝕，故也不利於生物遺體的保存；氧化條件下不利於有機質的保存；

⑶生物死亡後是否迅速被埋藏，如果生物死亡後，它的遺體能夠被迅速而長期埋藏，那就比較容易形成化石；

⑷沉積物的類型對化石的形成和保存也有重要影響；如果生物遺體被化學沉積物（如CaCO3）或生物成因的沉積物所掩埋，形成化石的可能性比較大；

⑸在沉和物固結成岩的化石過程中，強烈的壓實作用和重新結晶的作用，不利於化石的形成和保存。

由於形成化石的條件不同，保存在岩層中的化石也有不同類型。按化石保存特點不同，大致有實體化石、模鑄化石、遺迹化石和化學化石四種類型。其中研究得比較深入、意義比較的是實體化石。在實體化石中，生物遺體全部保存為化石的十分罕見，較常見的只保存了生物體的某一部分，如一顆牙齒、一塊骨頭、一枚貝殼或一片葉子等。

1901年在西伯利亞第四系凍土層里發現的猛獁象化石，不僅骨骼完整，皮、毛、血、肉，甚至胃中的食物也保存了下來。這是由於約25 000年前在該地生活的猛獁象死亡之後，被迅速地埋藏在凍土中所致。

在我國遼寧省撫順煤田的主煤層中，含有大量精美的由松脂固結變成的琥珀，其中常保存完整的昆蟲（如蚊、蜂等）。

必須指出，在化石石化過程中，生物硬體原來的成分可能部分或全部被地下水中的礦物質所取代，或者其中穩定性較低的含氮、含氧物質經分解和升溜作用而揮發消失、僅留下了穩定性高的碳質部分，如植物的葉子化石通常是碳質和薄膜。由於化石的形成和保存需要苛刻的條件。因此，保存在岩層中的化石實際上只是當時生存物的非常少的一部分，這就是生物史記錄的不完備性。儘管如此，我們仍可通過化石的研究，揭示不同地質歷史時期生物界的概貌。