除了珍貴的石柱林，給人以神秘之感的還有國內外罕見的木骨化石群。地質專業人員探測到，在山西南坡幾十米下，蘊藏著豐富的木骨化石群。據考證，在一億三千萬年以前，這里還是古長江河道。一些樹木及部分古生物淹沒于江水中，逐漸被泥沙覆蓋，經過漫長的地質作用，深埋在泥沙下的樹林不斷地被硅化，逐漸形成今天的木化石，學名“硅化石”。一些動物的牙齒、頭顱等骨骼在硅元素的作用下，也變成了骨化石。據權威資料，木化石群在國外發現很少，國內也僅有11處。在石柱山，現在已發掘出來的木化石有20多噸，樹種達18種，如水杉木、椴木、栗木等，這在國內屬數量較大、樹種較多的一處。石柱山的木骨化石是通過20世紀70年代開采砂礦發現的，現在大量珍貴的木骨化石還沉睡在地下深處的砂礫之中。珍貴的木骨化石藏于地下多深？數量如何？保存怎樣？這些億萬年前的珍寶既為今人研究古長江河道變遷、古地質環境及演變提供了極重要的證據，也留下了許多不解之謎。
