保护区古生物化石群是距今约1800万年的第三纪中新世开始形成的。地层由许多薄如纸张的硅藻土质岩组成。山旺地下的孢子花粉种类多,从低等植物藻菌类、蕨类,到无果皮的裸子植物和有果皮的被子植物都有。动物化石中有昆虫、鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类。有已经灭绝的犀、貘、鹿、熊等大型哺乳动物的祖先类型。动物化石有昆虫、鱼、两栖、爬行、鸟及哺乳动物,是20世纪末世界上发现鹿类化石多、保存完好的化石产地,特别是山旺山东鸟、齐鲁泰山鸟等鸟类化石的发现,中新世时期之空白,成为中国鸟类化石重要的产地,被誉为化石宝库。山旺化石的发现和研究,开拓了古生物研究的新领域,提供了探索我国华东北部地区中新世动物群,古地理古气候,以及地层对比的重要依据。
千奇百态的哺乳动物化石中有迄今世界上的保存的东方祖熊完整骨架;有体形庞大的食肉动物犬熊和豺熊化石;有无角犀牛化石;有三角原古鹿化石等。这些标本保存极为完整,就连皮毛、胃中食物都保存了下来。
山旺硅藻土页岩轻薄、细薄和防腐的有利条件,还为我们保存了多、完好的鸟类化石。其中山旺山东鸟是中国发现的个完整的鸟化石,它了中国纪鸟类化石的空白。硕大临朐鸟是中国发现的的鸟类化石。
中华河鸭是中国已知鸭科甚至雁形目保存完整、时代早的化石代表。山旺化石的宝贵之处,不仅是门类众多,而且保存完整。如树叶的叶脉、蝙蝠的翼膜、蜘蛛的足毛,蜻蜓的羽翅……都印痕清晰,历历可辨,就连极难形成化石的蝌蚪、青蛙、蝾螈、蜜蜂、花朵,都保持了原态,有的还保持了原来的色彩。许多化石都已属“稀世珍宝”。
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