地球科學：從做中學
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第三章、化石是什麼?

黃德源

2002/06/17

化成石頭我也認得

化石除了讓我們看了三集的侏儸紀公園外，它提供的事實上是一個望向地球過去的特大望遠鏡，除了生物演化的研究，化石提供了我們對於古地球的氣候。大地及海洋的成分。地形地貌及海陸分部的情形及變遷一個最有利的線索。在這我們將介紹判定化石及其他岩石年代的方法，簡述地球的變遷及介紹各種的化石。

誰先誰後

化石如果不知道年代的話，恐怕除了讚嘆造物主的神奇之外也沒有其他研究價值了，但是要鑑定化石年代並不容易，大家都聽過什麼放射性定年法之類的，不過再這些知識尚未被發掘時，地質學家得另想辦法知道到底誰先誰後，於是，相對的定年法就一步步發展出來了。

• 疊置定律：
  • 由史丹諾於1669年提出，他說因為重力作用，沉積物成水平堆積，而較早堆積的就會在較下面，越上面的就越新。這個定律用於解決沉積岩層的相對年齡問題，但是當地層嚴重變形．上下顛倒時就要用其他方法輔助。
• 截切定律：
  • 地層的老幼可以利用彼此截切的關係判斷，如火成岩體會上衝侵入上方的岩層，它的年紀就比它切穿的岩層年輕。有時這些關係非常複雜，需要一層層分析。
• 化石連續定律：
  • 英國土木工程師威廉．史密斯在南英格蘭為運河做調查時，發現不同的地層含有不同的特定化石群，且越下面的化石越老，史密斯也觀察了其他的露頭、礦坑和礦場，發現也有這樣的新舊關係，且化石群在不同的地方仍有一致性，也就是說同一年代化石群的組成種類．比例都相同，所以只要比對其中的化石，不同地點的岩層也可以比較年齡。
• 包裹體定律：

由這些方法，地質學家初步訂出了相對的地質年代表：

之後在原子物理的發展下，放射性及原子核衰變的現象被發現，機制也逐漸明朗。放射性衰變性質穩定，可以作為準確的時間標尺，供我們計算出化石的絕對年齡。

不穩定的原子核藉方射出粒子或電磁波，使原子核能量降低，趨向穩定。拉塞福研究鈾的放射線，將它射入均勻的磁場，發現它分成三條，一條向左，一條向右，一條直直走，拉塞福將會歪且射程最短的命名為α射線，也會歪可是跑比較遠的叫β射線，向前衝的叫γ射線。這三種不同的射線會造成不同的衰變：

• α衰變：
  • α射線事實上是氦原子核(4He)的粒子束，所以原子核每放出一個α粒子，質量數會少4，原子序會少2。
• β衰變：
  • β射線是電子束，在β衰變中，中子轉變為質子，同時放出電子和反微中子(這種鬼東西幾乎沒有質量，而且和各種粒子的作用力極弱，可以射穿地球，不被吸收)，這時，原子的質量數不變，但是原子量會增加1。
• γ衰變：
  • γ射線是能量極高的電磁波，原子核衰變時，核的能態從高能階躍遷至低能階，放出的能量以光的形式放射，此時原子的原子序及原子量都不會改變。

原子核衰變的發生是一種機率性的過程，但從統計上來看，只要原子的數量很大的話，每隔一定的時間間隔，會有半數的原子核發生衰變，轉成另一種元素，這個特定的時間間隔就叫半衰期，從衰變前的母元素和衰變後子元素的比值，可以從以下公式算出年代：

N=N₀(1/2)t/T，其中N為子元素個數，N₀為原來母元素個數，T為半衰期，t經過的時間。

半衰期隨核種的不同會有很大的差別，從幾億年到幾毫秒都有。隨著鑑定年代的長短須選擇適當的元素測量。以下是一些常用的同位素定年法：

古生物學家在選擇作為測定年代的放射性同位素時，需考慮：一、必須是要在生物體內常見的元素二、半衰期長度適當三、母子元素皆不會逸散，常用在有機體的是碳14(14C)訂年法：

這個方法是1940年美國人李培發展的，碳14是大自然製造的放射性元素。在高空的氮原子(14N)和宇宙的射線相撞，放出一個中子，這個中子再和另一個氮原子(14N)相撞，撞出一個質子，結果氮(14N)變成碳(14C)，碳和氧化合成CO₂，進入地球系統的循環。植物吸收二氧化碳，動物吃植物，碳在其中不斷循環，碳14(14C)的濃度便維持恆定，動植物一旦死亡，碳不再循環，碳14的含量隨著衰變而轉變成氮(14N)，碳14半衰期為5730年，只能測定四至五萬年內的含碳物質。由於氮是氣體，有逸散的可能，所以多用間接的方法計算，例如假設碳14的濃度在近五萬年內皆保持平衡的話，只要比較標本中和大氣中碳14的濃度，就可以計算出年代。

碳14的方法很適合各種有機體如貝殼、枯木、骨頭等。同時也可以測定含有化石的沉積岩的絕對年代。

不是只有死人骨頭

(參考大美百科全書，光復書局)

侏儸紀公園害死我們了!化石可不只有那幾把老骨頭，除了大氣魄的恐龍骨架外，還有許多種的化石型態，有些呈現生物的真實面貌，也許是全部，更多時候是軀體的一部分；有些呈現他們活動的痕跡如足跡和巢穴等。以下是化石的形成種類及原理：

1. 原始組織的保存：冷凍或真空包裝

• 生物的原始組織被保存下來，成為化石，在西伯利亞曾發現被凍在冰塊中的長毛象遺體，內臟都保持新鮮的狀態，甚至還有人計畫用冷凍大象的細胞來複製一頭。不過通常會被保存下來的只有生物硬質的部分，如骨骼及硬殼，死後立即被埋入土裡而不致快速腐化的遺體才有機會被保存下來。

2. 礦物質滲透：醃泡菜

• 含有高濃度礦物質的地下水滲入遺骸中，逐漸凝結而形成，成分中一部分為原來的遺骸，一部分為沉積礦物。許多生物的硬質部分如骨頭、牙齒、貝殼及木材等是經由這種方式形成。

3. 礦物質取代：阿斯巴甜

• 原始生物體的組織完全被其他種的礦物質所取代，像美國的矽化木。當取代的過程很緩慢時，細微的構造也能保存下來，不過大部分的化石祇保存下外表的型態而已。

4. 模塑：葉拓、蚊子拓、犀牛拓、人拓

• 當生物體被埋入岩層後，組織被地下水溶解掉，留下一個空空的模子，也是個化石，極少的情況下，生物體被火山灰或熔岩流掩埋，也會形成模塑化石，如龐貝古城的人們。被黏在琥珀中的蚊子蒼蠅也是一種模塑化石，在大部分琥珀中有機體事實上都已消失，只剩下細緻的生物構造。有時候模塑構造中又填充礦物，形成鑄塑化石。

5. 蒸餾：乾餾

• 葉子的化石常常這樣形成：組織中易揮發的物質如氮、氧等被蒸發掉後，只留下碳將葉子勾勒在石頭上。

6. 蛋化石：皮蛋和鐵蛋

• 蛋化石很稀少，而且不容易分辨種類。

7. 足跡和拖痕：凡走過，必留下痕跡

• 光從腳印也很難辨別物種，但是這些印子可以提供關於習性及遷徙路線的豐富資訊。

8. 巢穴和洞穴：被土石流掩埋

• 如果內有動物遺體，就可以判斷這是誰的家，不過一般的化石都沒人在，要靠其他的方法推測。

9。糞化石－這，消化不良吧

• 驚訝吧!這可挺常見的，只是不知道是誰隨地解決就是了。

古聖和先賢

前寒武紀末期發生全球雪球事件(Global Glaciation)，整個地球幾乎被凍結，而後凍結狀態迅速結束，進入了所謂寒武紀。寒武紀前只有細菌、單細胞藻類和簡單的多細胞生物，寒武紀時出現了小殼動物(?)的化石，而在短暫的五百萬年後就爆炸性的出現各種構造複雜、種類多樣的化石群，這些生物伴隨有堅硬的骨骼，較容易保存於岩層中。

下面這些是重要的遠古化石群，有些綿延至今日，有些與上帝同在，看的時候要心存敬意，沒有他們就沒有我們唷!

歷代名人

三葉蟲

三葉蟲屬節肢動物超門(?)、三葉蟲門，出沒於寒武紀初期到二疊紀末期，以寒武紀和奧陶紀最為興盛，尤其在奧陶紀最為多樣，而且他們出沒地區廣泛，對比非常有用，所以是奧陶紀最重要的指標化石(下面講)。

Yamaha bug(開玩笑的)的生活方式差異極大，大多是底棲性，這表示他們的分佈非常具地域性，他們挖海底的泥巴找食物，有些為捕食性或濾食性，也有會游泳或像浮游生物漂浮的。他們會蛻殼，所以一隻可以留下好幾個分身化石，殼的成分可能為幾丁質或碳酸鈣，三葉蟲是最早具有高度視覺構造的生物。

筆石

筆石為半索動物門，是第一個以浮游維生的大規模動物群，半索動物們的最早成員，很可能是脊椎動物的祖先。筆石出沒於寒武紀晚期至石炭紀初期，在奧陶紀至志留紀最興盛，而在志留紀中期沒落，用在奧陶紀到志留紀的地層比對可以精準至百萬年。筆石以濾食漂浮物維生，有些自由漂浮，有些固著在海底，他們會分泌蛋白質的殼，具有彈性。

腕足類

腕足類屬腕族門，從寒武紀出沒至現在，海豆芽就是腕足類，古生代是他們的全盛期，到了中生代早期開始衰退，但仍存在。腕族類會分泌碳酸鈣的殼，基本造型雖然簡單，卻有許多衍生的種類，生活型態也非常多樣。他們全以濾食懸浮物為主，棲息方式則隨著生活環境的不同，有懸掛式、黏著式、自由平躺式、內棲式(?)、半內棲式等。

頭足類

屬於軟體動物門，以鸚鵡螺為代表，出沒於寒武紀晩期至現代，在奧陶紀至白堊紀最為興盛，他們有許多不同的種類，分別為不同時期的標準化石，在古生代至中生代的比對非常重要。他們分泌碳酸鈣的外殼，在水中後退前進，以捕食為生，活動非常迅速敏捷。

海膽

屬於棘皮動物門，從奧陶紀出沒至現在，在白堊紀及第三紀快速演化，是這兩紀的重要指標化石。雖然是棘皮動物，他們有碳酸鈣的殼，所以容易保存為化石，以殼的構造可區分為兩種：規則型及不規則形，規則形可以到處走，為捕食形或草食形，不規則形挖洞而居，以濾食維生。

珊瑚

腔腸動物門，出沒於古生代至現在(真正確切時代?)，有些種類在志留紀至石炭紀極為興盛，新生代珊瑚在熱帶海洋中也很繁盛，他們是很好的指相化石，可作為古環境的指標。珊瑚固著在海床上，以捕食或濾食維生，群體性，能分密碳酸鈣骨骼，造成珊瑚礁，常跟藻類共生，有特定棲息環境。

斧足類

就是蛤啦！從寒武紀一直出沒到現在，中生代到現在都很興盛，尤其在白堊紀，當時的厚殼蛤為重要的造礁生物。斧足類分泌所謂的貝殼啦，有些會已有機物混合其他礦物造殼，不過很少成為化石而留下來，殼形相似的生活型態也十分相似，他們掘穴能力極強，大多在淺海軟泥挖洞，也有生活於深海海底或鑽入木中而居的，皆以濾食維生。

腹足類

像蝸牛之類的生物，屬軟體動物門，從寒武紀一直出沒至現在，奧陶紀時種類大量增加，在古生代末期，古腹足類漸漸滅亡，由鰓較為進化的新腹足類取而代之，他們較能忍受濁流，古生代後一直興盛至今。腹足類有些濾食浮游生物，有些吃素，其他以捕食為生，可以在雙殼背上鑽洞，讓它張開，或注射毒液使其麻痺。

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