その後、学校の先生を経由して山形県立博物館に情報が伝えられ、緊急の発掘作業が実施さましたた。掘削した8月30日は、雷雨と、水位上昇にともなうダムの放水情報などにより、たびたび作業の中断を余儀なくされます。しかし、地元住民や関係者の協力もあり、発掘は1日で完了できました。こうして発掘された化石は、当初、クジラの化石だと考えられていました。そして、２カ月間の自然乾燥の後、化石を取り出すクリーニング作業が行われました。
すると、すり減った黒いエナメル質の歯が顔を出し、そのあたりから、何か草食動物（カイギュウ類など）の骨格化石ではないかと考えられるようになりました。その後、この化石の正体についての調査が行われ、山形大学の教授からアメリカの古生物学者を経由して、カイギュウ化石の世界的権威であるハワード大学のドムニング教授の手にも資料が渡ります。この資料を見たドムニング教授から届いた手紙には、クジラではなくダイカイギュウ、しかも新種の可能性がある貴重なもの、という旨が書かれていたのです。

この大発見はメディアも大々的に取り上げ、ニュースは全国を駆け巡ります。山形県立博物館では、1979（昭和54）年５月26日から特別展「化石展」を開催。この化石は展示の目玉となり、連日多くの来場者でにぎわいました。その盛り上がりぶりから、会期を急きょ延長するほどでした。

1982（昭和57）年８月、ドムニング教授が来日し化石を鑑定。新種であることが確実となり、ヤマガタダイカイギュウ（山形大海牛）と命名されました。これはカイギュウ類のうちジュゴン科ハイドロダマリス亜科に分類され、ジョルダンカイギュウからクエスタカイギュウへと進化する途中段階の種と位置づけられています。なお、ハイドロダマリス亜科の進化の先端にいるステラーカイギュウは、人間の乱獲によって日本の江戸時代（1768年）に絶滅しました。

ヤマガタダイカイギュウを産出した大江町用地区の地層のほか、県北部の真室川町や鮭川村の中新世後期の地層からは、サメの歯化石が発掘されています。その名はカルカロドン・メガロドン（ムカシオオホオジロザメ）。史上最大級のサメとして知られ、体長は15mにも達したとされています。約2500万〜400万年前にかけて海中で暮らし一時は世界中に分布するほど繁栄していましたが、ホオジロザメとの生存競争に敗れ、最終的には360万年前に絶滅したようです。この歯化石は、昔から国内各地で見つかっており、古くは「天狗の爪」などと呼ばれていました。

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