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化石是存留在岩石中的古生物遺體、遺物或生活痕跡，最常見的是骸骨和貝殼等。研究化石可以了解生物的演化並能了解人類演化。
關於與「化石」標題相近或相同的條目頁，請見「化石 (消歧義)」。
幫助確定地層的年代。保存在地殼岩石中的古動物或古植物的遺體或表明有遺體存在的證據都謂之化石。太古宙（34億年前）至全新世（1萬年前）之間的化石都被發現過[1][2]。
在漫長的地質年代里，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）依然保留着；同樣，那些生物生活時留下的痕跡也可以這樣保留下來。我們把這些石化了的生物遺體、遺蹟就稱為化石。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歷的變化，可以看到生物從古到今的變化等等。
其實有很長一段時間，化石作用被認定是單純的「石化」，後來人類才逐漸瞭解化石形成的原理。這是一種非常複雜的過程，是生物、物理、化學三種現象的結合。而化石的形成，需要一些特殊條件：第一，死去的有機體被迅速埋在沙土、淤泥或河泥中而沒有分解。海底和湖底是非常有利的環境，草原和沙漠也不錯。其次，此生物不曾腐壞，而由礦物逐漸取代該生物體的有機物質。最後，化石若要保存幾百萬年不變，必須在石化後，不再經歷任何地質變動。[3]
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化石英語fossil來源於拉丁語fossilis，意思是「挖掘」。
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化石化作用（fossilized）是指隨着沉積物變成岩石的成岩作用，埋藏其中的生物遺體而經歷了物理作用和化學作用的改造，但是仍然保留着生物面貌及部分生物結構的作用。
化石化作用有三種方式：礦物質填充作用、交替作用和升餾作用。
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礦物質填充作用是指，某些無脊椎動物貝殼或脊椎動物骸骨中的有機物分解消失以後留下了中空的部分，在地層下被埋藏日久以後，溶解在地下水中的礦物質（主要是碳酸鈣）往往在其孔隙中經再結晶變成了較為緻密、堅實、並且增加了重量的實體化石。而由磷酸鈣組成的化石，雖然僅能在特定PH值下形成，但可以保存柔軟的器官，在些許案例中甚至可以精細到細胞核層次。若是被保存的器官內含有磷酸鹽，則被磷酸鈣取代的可能也較高。[4]
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交替作用是指，生物硬體的組成物質在埋藏情況下被逐漸溶解，再由外來礦物質逐漸補充替代的過程。在這個過程中，如果溶解和交替速度相等，而且以分子相交換，就可以保存原來的細徵結構。如矽化木。常見的交替物質有二氧化矽、瑪瑙、方解石、碳酸鈣、蛋白石、白雲石、黃鐵礦、氧化鐵等，相應的過程就可以叫做矽化、瑪瑙化、方解石化、炭酸鈣化、蛋白石化、白雲石化和黃鐵礦化、氧化鐵化。
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升餾作用是指古生物遺體在被埋藏之後，不穩定成分分解、可揮發物質往往首先揮發消失，最後只留下碳質薄膜而保存下來的過程。這個過程也稱為「炭化」。
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地層中的化石按其保存特點可分為實體化石、模鑄化石、遺蹟化石和化學化石4大類。[5]
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實體化石是由古生物遺體本身的全部或部分（特別是硬體部分）保存下來而形成的化石。
在能夠避開空氣氧化作用和細菌腐蝕作用的特別適宜的情況下，有些生物的遺體能夠比較完好地保存而沒有顯著的變化。如西伯利亞凍土中發現的第四紀猛獁象、波蘭發現的迄今所知的最完整的脊椎動物化石——1萬年前落入瀝青湖的披毛犀、以及樹脂化石（參見琥珀）。
不過，這種沒有經過顯著化石化作用或只是有一些輕微變化的生物遺體是很少被發現的。絕大多數的生物化石僅僅保留的是其硬體部分，而且都經歷了不同程度的化石化作用。
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模鑄化石是古生物遺體留在岩層或圍岩中的印痕和復鑄物。根據與圍岩的關係被分為5種類型：印痕化石、印模化石、模核化石、鑄型化石和複合模化石。
- 印痕化石是生物遺體（主要是軟體部分）因陷落在細碎屑沉積物或化學沉積物中所留下的印痕。腐蝕作用和成岩作用雖然使得遺體本身被破壞，但是印痕卻保存了下來，而且這種印痕還常常可以反映該生物的主要特徵。
- 印模化石包括外模和內模兩種。外模是古生物遺體堅硬部分（例如貝殼）的外表面印在圍岩上的印痕，能夠反映原來生物外表的形態及構造特徵。內模是殼體的內表面輪廓構造留下的印痕，能夠反映該生物硬體的內部形態及構造特徵。
- 模核化石分為內核和外核兩種。當腕足動物和某些動物死亡之後，它們的貝殼經常兩瓣完整地被埋藏起來，其內部空腔也被沉積物填充，在固結以及殼體被溶解之後，內部留下一個實體即稱為內核。如果殼內沒有被沉積物填充，當貝殼溶解後就會在圍岩中留下一個與殼大小相等、形狀一致的空間；這個空間如果再經過充填，又會形成一個與原來的殼大小相等、形狀一致但是成分均一的實體，這樣的實體就被稱為外核。
- 當貝殼被沉積物掩埋並且已經形成外模和內核之後，殼質有時會全部溶解，然後又被另外某種礦物質填充，使得填充物像鑄造的模型一樣保留了原來貝殼的原形和大小，這就稱為石化化石。
- 複合模化石是內模和外模重疊在一起的模鑄化石。當貝殼埋藏在沉積物中並形成內模和外模之後，如果貝殼隨後被溶解而在圍岩內留下了空隙，而後由於岩層的壓實作用而使外模與內模重疊在了一起，就形成了複合模化石。
遺蹟化石是指保留在岩層中的古生物生活時的活動痕跡及其遺物。
古生物的遺物又可以稱為遺物化石。
常見的遺蹟化石有以下幾種：
遺物化石主要有動物的排泄物（糞化石）或卵（蛋化石）。古人類在各個發展時期製造和使用的工具及其它各種文化遺物也都屬於遺物化石。
化學化石是指在某種特定的條件下，古生物遺體沒有保存下來，但組成生物的有機成分分解後形成的氨基酸、脂肪酸等有機物卻仍然保留在岩層裡。
示相化石（facies fossil），又稱指相化石（Index fossils），是能夠反映生物生活環境特徵的化石。不同的自然地理環境，生活着不同的生物組合，也沉積着不同的沉積物，形成不同的沉積相，如海相、陸相、㵼湖相等。不同沉積相所含的化石組合也不相同，而生物對其生活環境變化的反映遠較沉積物明顯，是自然地理環境最好的指示者。如現代的珊瑚、腕足類、棘皮動物等都是只生活在海洋中的生物，如果在地層中找到這類化石，也就可以推斷含有這些化石的地層是在海洋中形成的海相地層。[6]
活化石是指一些與化石物種十分相近的現存物種，或是一些只從化石中了解到的生物被發現尚存在（最著名的例子是美洲鱟Limulus polyphemus）。
根據科學家估計，十億塊骨頭只有一塊能變成化石。據此計算，如今美國的3.2億左右的人口僅能留下60多塊骨頭化石，只比一副人類骨架的四分之一稍多一些。[7]
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