モンタナの化石の記録は、先カンブリア時代までさかのぼります。 先カンブリア時代後期、モンタナ州西部は暖かく浅い海に覆われていました。 この海にはストロマトライトがあり、底生生物は底生堆積物に付着し、後に化石となりました。 当時のモンタナの生物には、節足動物、アオコ、コヌラ、菌類、ミミズなどがいた。 これらの生物の化石は、現在グレーシャー国立公園として知られている場所に保存されている。 ミミズは、巣穴の充填物や堆積物の中の痕跡化石を残している。 その後のカンブリア紀は、州内はまだ大部分が海水に覆われていた。 モンタナのカンブリア紀の海には、藻類、無脊椎動物、そして初めて知られた脊椎動物が生息していました。 その後、カンブリア紀の三葉虫がニクソン・ガルチ、マンハッタン北部のホースシュー・ヒルズ、オーガスタ西部のソウトース・ルイス・アンド・クラーク山脈、ボーズマン北部のブリジャー山脈に遺体を残しています。 海はやがて州から撤退し、モンタナのシルル紀と初期デボン紀の堆積物のほとんどは侵食によって失われました。 デボン紀後期には、州のほぼ全域が再び海水で浸されるようになった。 モンタナのデボン紀後期の海には腕足類、コノドント類、ウミユリ類、魚類、軟体動物、海綿動物が生息していました。 海は炭素紀までこの州を覆い続けました。 その頃、この州には軟骨魚類が数多く生息していた。 さらに古生代に入ると、ミシシッピ川の腕足類、蘚苔類、珊瑚がブリッジャー山脈とビッグティンバーの南にあるシェルマウンテンに化石を残しています。 その後、石炭紀のペンシルバニア時代になると、海は後退を始めました。 地質学的な隆起は、州の北部と北西部の海抜を上昇させた。 モンタナはペルム紀の短い期間に再び海に覆われた。
初期の三畳紀、モンタナは赤道から北緯約30度に位置していた。 その後の三畳紀に海は2度戻ってモンタナのかなりの地域を覆っていた。 モンタナ州で唯一知られている化石は、この海に住んでいた人々の遺骸です。 陸上のモンタナは高温で乾燥していました。 当時、モンタナ州の最南西端は、北米の西海岸からカナダ北部までを覆っていた浅海の小さな延長に覆われていた。 一方、モンタナ州の中央南部は、小川によって分断された砂漠でした。 これらの地域以外では、堆積物が堆積するよりも浸食されることが多かったため、ほとんど知られていない。 ジュラ紀になると、再び海がこの州を覆うようになりました。 海は、州西部の標高の高い地域から浸食された堆積物によって徐々に埋め尽くされた。 ジュラ紀後期には、モンタナ州のほとんどが海水に覆われ、三畳紀に南西部を覆っていたのと同じような状態であった。 皮肉なことに、この時期、州の南西部には島があった。 この海には、頭足類、ウミユリ類、魚竜、甲殻類が生息していたはずである。 当時、モンタナ州は緯度約40度に位置していた。 同州の植物相は針葉樹、ソテツ、シダ、イチョウなどであった。 モンタナの海の南側には、東側の標高の高い地域から西に流れる小川によって分断された海岸平野がありました。 この海岸平野には、鳥脚類のカンプトサウルス、竜脚類のアパトサウルスとディプロドクス、獣脚類のアロサウルスなどの恐竜が生息していた。 これらの堆積物は、現在モリソン層として知られているものを堆積させた。
モンタナ州のモリソン層の堆積物が堆積した後、3000万年間は堆積物よりも侵食され続けていた。 モンタナ州にはまだ海水が存在し、北極圏から下に向かって堤防のように広がっていた。 河川はまだこの地域の海に流れ込んでいたが、この地域の恐竜の生態系は大きく異なっていた。 肉食恐竜はデイノニクスとミクロベナトルがいた。 草食恐竜はサウロペルタ、テノントサウルスなど。 この頃、この州では初めて顕花植物が出現する。 白亜紀の中頃、モンタナは部分的にWestern Interior Seawayに覆われていました。 西部内陸海路の時代には、モンタナで大規模な火山噴火が起こりました。 この海には頭足類、貝類、プレシオサウルスが生息していました。 この海によって堆積された堆積物は、現在コロラドグループと呼ばれるものを構成しています。 モンタナ州のコロラド群には恐竜の化石は保存されていないことが知られていますが、州外では時折発見されています。 モンタナ州南西部は乾いた土地でしたが、それらの堆積物からはまだ恐竜の化石は見つかっていません。 8500万年前、Western Interior Seawayはわずかに撤退し、モンタナ州西部は海岸平野となりました。 恐竜は存在したが、化石を残すことはほとんどなかった。
白亜紀後期のカンパニア期には、西内部海路に接する海岸平野に川が流れ、いくつかの湖が点在していた。 これらの水域には、後にTwo Medicine Formationとなる堆積物が堆積していました。 また、近隣の火山が噴火し、後にベントナイトとなる火山灰が堆積していました。 気候は半乾燥。 沿岸平原の植物相は、針葉樹林、落葉樹、シダ類などでした。 この時代、モンタナには様々な恐竜が生息していました。 モンタナのカンパニア沿岸平原には、アヒルのような形をしたハドロサウルスがよく生息していました。 マイアサウラはその一例です。 モンタナ州は特に頭蓋竜の化石記録が充実しています。 現代に生息するセラトプス類の例としては、エイニオーサウルスが挙げられます。 獣脚類のダスプレトサウルスとトロオドンも存在した。 マイアサウラとトロオドンは、この地域に営巣コロニーを形成していたことが知られています。 白亜紀後期の恐竜の足跡化石は、同時代の堆積物がある西部の他の州に比べて、モンタナ州では驚くほど少ないのです。 これは、その地域の古代の環境が足跡の保存にあまり適していないためか、あるいは単に科学者がまだ適切な場所を探していないためかもしれない。 そこには頭足類、貝類、甲殻類、魚類、腹足類、モササウルス、プレシオサウルスが生息していた。 マーストリヒト期の後半、エルクホーン地域の火山活動はまだ続いており、西内部海路は後退を始めた。 この後退は、結果的に北米大陸の両半分が再統一されることになる。 海路の後退に伴い、ロッキー山脈に近い地域は拡大した砂漠となった。 一方、モンタナ州東部は高温多湿で、海岸平野も海進の結果、拡大した。 マーストリヒト後期には、州東部に大河が流れ、ヘル・クリーク層となる堆積物が堆積した。 当時、モンタナ州には、エドモントサウルス、パキケファロサウルス、トリケラトプス、ティラノサウルスなどの最も有名な恐竜が生息していました。
新生代初期に、モンタナ州から海が最後に後退し始めました。 地殻変動が激しくなり、山が形成され、州の標高が高くなりました。 また、降水量も増加したり減少したりした。 モンタナ州は犬やチタノテールのような生き物の故郷であった。 州の南西部にある第三紀の堆積物は、北米で最も優れた植物と昆虫の化石の供給源です。 これらの堆積物からは、200種以上の植物、昆虫、魚類が確認されています。 植物では、睡蓮や蓮が含まれていた。 第三紀のモンタナ州には、後に石炭を残すことになる湿地帯がありました。 無脊椎動物には、アリ、ハチ、カブトムシ、イヤーウィッグ、トビケラ、ツルバエ、イトトンボ、ランタンバエ、カゲロウ、バッタ、ヨコバイ、蚊、カタツムリ、スズメバチが含まれます。 現代の脊椎動物の化石には羽毛が含まれ、たまに鳥がいることもあった。 モンタナの漸新世の植物相には、アイランサス、アッシュ、ブナ、キャットテール、シダー、シンクフォイル、ドッグウッド、エルム、シダ、ミルフォイル・シダの木、スグリ、登山ブドウ、草、グリーンブリア、スギナ、が含まれていた。 アイアンウッド、カツラの木、レバーワート、マウンテンマホガニー、カエデ、ニセアカシア、コケ、オーク、ペニークレス、ポンドウィード、ドーンレッドウッド、バラ、スゲ、スモークツリー、スノーベリー、スピレア、ニセイチゴ、ベッチなど。 同様の植物相は、コロラド州とオレゴン州のフロリサントで知られている。 モンタナの中新世の植物と軟体動物は、Sweet Grass County の Fort Union Beds の Melville の北西にある Bear Butte に遺跡を残している。 フォート・ユニオン層に保存されている中新世の哺乳類には、arctocyonids、食虫類、multituberculates、pantodonts、霊長類、taeniodontsが含まれている。 中新世には、モンタナ州にはラクダや馬も生息していました。 その後、新生代に入り、モンタナは寒冷湿潤になりました。 氷河の活動により、モンタナ州は荒らされました。 この頃、マンモス、ジャコウウシ、ダイアウルフが氷河に覆われていない地域に生息していた
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