引言
如果说文字是记载人类社会历史必不可少的工具，那么化石就是大自然史册的天然记录者。沧海桑田、地球历史变迁过程中，化石可以说是一部“从原始到进步，从低级到高级，从简单到复杂”的生命进行曲实录。虽然化石蕴含着生命起源与演化的秘密，然而不同于文字语言的直接明了，化石更像一本“无字天书”。如何解读这本天书，如何了解地球演变的奥秘，如何预知地球和地球上的生命的未来，成为了当今人类最为关心的话题之一。迄今为止，地质学家们通过解读埋藏于岩石之中的化石所蕴含的丰富信息，为我们展示了一副地球历史的鲜活画卷，让我们初步了解了地球46亿年以来的生命演化史，化石也因此被当作是开启地球历史之门的一把重要钥匙。
一、什么是化石？
通俗来讲，化石（fossil）是指保存于岩层中的远古生物的遗体和生命活动的痕迹。不同于一般的岩石，化石必须与古代的生物相联系。在漫长的地质年代里，地球上曾经生活过无数的生物，这些生物死亡后的遗体或是生活是遗留下来的痕迹，许多都被当时的泥沙掩埋起来。生物死亡之后首先是软体腐烂，这些生物遗体的有机质在漫长的岁月中被分解绐尽，坚硬的部分如外壳、骨骼、枝叶等与包围在周围的沉积物被保留下来，并随着沉积物被埋藏，经过漫长的地质时期，生物体本身的物质成分被矿物质填充或置换，变得跟岩石一样坚硬，但是它们原来的形态、结构依然保留着；同样，那些生物生活时留下的痕迹也可以这样保留下来。经过地壳构造运动，岩石和古生物化石出露，最终被人们发现，也就是我们所说的“化石”。
二、化石的形成过程和保存条件
尽管古生物遗体或遗迹在被沉积埋藏后可以随着漫长地质年代里沉积物的成岩过程石化成化石，但是，并不是所有的史前生物都能够形成化石。化石的形成（图1）及其保存都要求一定的特殊条件。
1、生物自身条件
有机物必须拥有坚硬部分，如壳、骨、牙或木质组织。无脊椎动物中的各种贝壳、脊椎动物的骨骼等主要由矿物质构成，能够较为持久地抵御各种破坏作用。此外，具有角质层、纤维质和几丁质薄膜的生物，例如植物的叶子和笔石的体壁等，虽然容易遭受破坏，但是不容易溶解，在高温下能够炭化而成为化石。而动物的内脏和肌肉等软体容易被氧化和腐蚀，除了在极特殊的条件下就很难保存为化石。
图1 化石的形成过程示意图
2、埋藏条件
生物在死后必须立即避免被毁灭。如果一个生物的身体部分被压碎、腐烂或严重风化，这就可能改变或取消该种生物变成化石的可能性。生物必须被某种能阻碍分解的物质迅速地埋藏起来。而这种掩埋物质的类型通常取决于生物生存的环境。海生动物的遗体通常都能变成化石，这是因为海生动物死亡后沉在海底，被软泥覆盖。软泥在后来的地质时代中则变成页岩或石灰岩。较细粒的沉积物不易损坏生物的遗体。
3、时间因素
生物遗体或是其硬体部分必须经历长期的埋藏，才能够随着周围沉积物的成岩过程而石化成化石。有时虽然生物死后被迅速埋藏了，但是不久又因冲刷等各种自然营力的作用而重新暴露出来而遭到破坏，这样它依然不能形成化石。有一些保存在较古老岩层中的化石，因岩层的变形和变质作用，使化石遭到破坏。
4、沉积物的成岩作用
沉积物在固结成岩过程中的压实作用和结晶作用都会影响化石的形成和保存。其中，碎屑沉积物的压实作用比较显著，所以在碎屑沉积岩中的化石很少能够保持原始的立体状态。化学沉积物在成岩中的结晶作用则常常使生物遗体的微细结构遭受破坏，尤其是深部成岩、高温高压的变质作用和重结晶作用可以使化石严重损坏，甚至完全消失。
三、化石的类型
化石多姿多彩，迄今为止，人类发现的化石，大部分化石为钙质，有少数为硅质、磷灰石质、黄铁矿质等。根据其保存的特点，可分为以下5类：
1、实体化石
多为动物的骨骼和壳体以及植物的根、茎、叶等在地层中经石化而成，保存了生物的形态、结构和装饰（图2）等。人们熟悉的恐龙骨架和猛犸象牙齿就属于实体化石。
图2二叠纪蒙古的蕨类植物化石
2、模铸化石
生物遗体在地层中留下的印模，包括外模和内模。外模是遗体坚硬部分（如贝壳）的外表印在围岩上的痕迹（图3），它能够反映原来生物外表形态及构造；内模指壳体的内面轮廓构造印在围岩上的痕迹，能够反映生物硬体的内部形态及构造特征。
图3 石炭纪时期美国的双壳类外模化石
3、遗迹化石
指保留在岩层中的古生物生活活动的痕迹和遗物。遗迹化石中最重要的是足迹，此外还有节肢动物的爬痕，掘穴，钻孔（图4）以及生活在滨海地带的舌形贝所构成的潜穴，均可形成遗迹化石，例如恐龙蛋、恐龙脚印和粪便。
图 中侏罗世以色列甲壳类动物钻孔形成的遗迹化石
4、化学化石
地史时期的生物有机质软体部分虽然遭到破坏，但分解后的有机质成分仍残留在地层中，有些可以形成重要的矿产资源，例如煤、石油、天然气，科学家就把这类有机物称为化学化石。
5、特殊的化石——琥珀
如琥珀和冻土中的化石等。琥珀看起来并不是“石”，但它确实应作为化石家族中的特殊一员。绝大多数琥珀中都埋藏着古代生物的遗体，最常见的是昆虫类（图5）和植物碎片。常年冻土中的生物遗体，因冰冻而没被石化，也可称化石。
四、化石的启示
古生物化石是重要的地质遗迹，是地球历史的见证，是宝贵的、不可再生的自然遗产。可以根据不同生物的生态环境恢复漫长的地质历史时期各个阶段地球的古地理面貌、海陆分布格局。同时，它是研究生命起源及演化的直接依据，也是确定相对地质年代、划分对比地层的主要依据；对恢复地质时期的古地理、古气候有着不可替代的地位及作用；对于研究沉积岩和沉积矿产的成因及分布有指向意义。
图5 5000万年前抚顺琥珀中的植物和昆虫化石
1、大陆漂移说的证据
大陆漂移说认为，地球上所有大陆在中生代以前曾经是统一的巨大陆块，称之为泛大陆或联合古陆，中生代开始分裂并漂移，逐渐达到现在的位置（图6）。魏格纳提出大陆漂移学说的基本依据之一，就是一个属种的生物应该有一定的地理分布范围，然而他发现诸如水龙兽、中龙及其它古代动植物化石，却分散在世界不同的地方。魏格纳将自己的论点在地质学和古生物学论据的基础上进一步完善，最终为地质学研究做出了重大贡献。
图6 大陆漂移过程示意图
2、古地理环境的见证
生物化石是重建古地理环境最重要的依据。如现代造礁珊瑚生存在热带﹑亚热带浅海中﹐在年平均温度低于18℃的海域只能生存﹐不能造礁﹐因而珊瑚礁的存在不仅表明属于浅海环境﹐且是属于热带﹑亚热带环境。
动植物的繁茂程度也是探索古地理环境的依据。厚煤层的出现一般表明当时当地环境温暖润湿﹐有利于植被的生长。
生物化石的微细构造可用于追索古环境的细节。如根据植物化石中的年轮可推断当时的温度季节变化和降水季节变化﹔年轮木明显，可能表明当时当地是全年高温多雨的环境﹔特殊的年轮现象有可能标志著异常气候的出现。
3、地质年代的信号
地质学家根据生物演化的阶段性和地球发展的重大构造运动阶段，将地球的历史从古到今划分为将地层分为5代12纪。即早期的太古代和元古代（元古代在中国含有1个震旦纪），以后的古生代、中生代和新生代。古生代分为寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪和二叠纪，共6个纪；中生代分为三叠纪、侏罗纪和白垩纪，共3个纪；新生代只有第三纪、第四纪两个纪。在各个不同时期的地层里，大都保存有古代动、植物的标准化石。各类动、植物化石出现的早晚是有一定顺序的，越是低等的，出现得越早，越是高等的，出现得越晚（图7）。
图7 地球地质与生命演化螺旋图
（将地球46亿年演变历史比作一天）
4、能源矿产的信息
能源对我们的生活非常重要，尤其是石油、天然气对每一个国家的发展在现今都起着至关重要并且无可替代的作用。2003年，美国发动的伊拉克战争，其实就是一次为了争夺油气资源的战争。那么，化石与油气资源之间有着密切的关系吗？答案是肯定的。就常规情况而言，在地质历史时期，某地出现了地震，火山，海啸以及气候突变等地质事件中，都会存在着大规模的生物死亡。在无沉积区域，生物会被风化而逐渐弥散在空中，在沉积区域，例如河流，海洋等，沉积物会对生物进行掩埋。生物在不同情况下形成油气资源和化石，这些突然死亡而形成的化石在某些沉积区域大规模的出现，表明在地质事件发生之前生物在这一区域生活非常密集。根据生物链规则，这种密集的生活，势必该区域会存在更大规模的低端食物链的生物。低端食物链的生物被掩埋之后，更容易形成油气，故而该区域就越接近油气资源的储存地。
同时，化石群的发现，一定程度上对寻找石油也具有重要的意义，地质勘探中不发这样的例子。例如，地质学家们在永靖，以及海石湾、肃北、通渭、庆阳等地发现有鹦鹉嘴龙、蜥脚类、马门溪龙、鸭嘴龙、原巴克龙、巨齿龙、恐龙、翼龙等恐龙的化石群，表明侏罗纪时期的甘肃曾是个恐龙王国，这些古生物化石组合的相关特征表面，这里当时是一个暖热潮湿、多水滨湖相结合的古构造盆地，这一带的地层可能属于有重要成油层的地层。1947~1956年间，我国孙健初先生等著名地质学家及地质工作者在海石湾地区与民和盆地进行过石油地质调查工作，勘查发现，在临夏双林盆地、民和盆地都有比较好的油气层，有油气的迹象，有油气显示。由此可见，化石的进一步研究，对于能源资源的探索至关重要。
结语
时光轮转，沧海桑田，风云变幻，地球仍在不断的演变过程，过去、现在以及将来，只要有生物存在，就会有不同类型的化石，在地球上烙下明显的时间印记。借助化石研究等地质学研究方法，探索地球深部奥秘，不仅是人类共同的科学追求，也是人类利用自然资源，保障生存安全的基本需要。长期以来，由于科学手段与认知的局限，我们对地球的了解还停留在地表，在地球深部，还有很多看不到说不清摸不透的奥秘，有待深入探索与发现。作为这个星球上的居民，我们期待古生物与其它学科交叉研究，为我们了解人类赖以生存的家园——地球，带来新的惊喜。期待我们人类能够利用化石这把钥匙，开启更多关于地球宝藏的秘密。
说明：
部分图片和文字参考来源：
1. 百度百科词条
2. 知乎： https://www.zhihu.com/question/23653812
3. 浙江自然博物馆： http://www.zmnh.com/pic_detail.php?ID=16486