3月18日和19日两天，勘察组到现场进行勘察。他们从外露的大象门齿断面向内试掘了一米，发现门齿内伸50厘米后，与上颌骨衔接，估计是一具保存较好的大象躯体。可惜外露的门齿多已散失，庆幸的是，左门齿在地层埋藏的痕迹仍然完好保存，为后来的修复提供了科学依据。

　　勘察黄河象化石的消息，很快传到了正在甘肃合水进行地质勘探工作的石油地质部门，长庆油田会战指挥部的技术人员也到现场进行考察，并将这一消息再次电告中国科学院古脊椎动物与古人类研究所。

　　3月21日，勘察组接到中国科学院古脊椎动物与古人类研究所电报称：“接长庆油田指挥部报告，合水地区发现大量化石，请你们保护现场，我所将派人前往。”

　　4月1日晚上，中科院的赵聚发抵达西峰镇。赵聚发说：“接到电报后，得知是大象，不是爬行动物，其他准备来的四位科研人员都不来了，要我一人来帮助省里把化石发掘出来。”

　　4月5日，由中国科学院古脊椎动物与古人类研究所赵聚发、甘肃省博物馆谢俊义、甘肃庆阳地区文化馆韩天保和许俊臣组成四人发掘队，在合水县豁口水电站建设工地开始正式发掘。

　　发掘工作顺其自然环境，采取了大揭顶的办法，即以大象化石暴露处为基点，按山坡地形向两边各延伸2米，向内延伸4米，从上而下层层挖掘。4月9日，大象头骨暴露出来。随着发掘工作的不断进展，大象的脊椎骨、腿骨、肋骨、肩胛骨、盆骨、腕骨等相继出土，证明确实是一具原地埋藏、保存甚好的大象躯体。大家高兴极了，赵聚发更是兴奋，他说像这样完整的大象化石，他们研究所还没有呢！应该是全国第一。

　　挖象头对他们而言是一个空前的挑战，最难挖的就是它了。象的大脑内是蜂窝状的结构，一旦挖破，头部就有可能碎成残片。他们决定用套箱法整体发掘。先估算出象头的大小，然后做了一个没有上底盖的木箱，将象头四周开槽，套入木箱，再灌入石膏，铲平封上顶盖。将木箱慢慢推倒，底部翻上来，再灌入石膏加固封了底盖。这样象头就成了一个整体，不会破碎。

　　埋藏的化石刚出土时十分疏松，稍不留神就会损伤，所以发掘工作十分细致艰苦。挖掘出的化石在晾干的同时用药水渗透加固，不然就会自然风化散开。经过一系列的认真处理，4月16日开始收取左肩胛骨，上面的取掉了，再挖压在下面的骨骼。发掘从4月5日开始，到5月17日结束，除去雨天，整整发掘了35天。

　　发掘中，中科院古脊所来电报说，要仔细发掘，询问人力物力情况，并且说有什么困难就来电。古脊椎所还发来电报说，化石先运来北京观察研究，如果甘肃需要时再送回来。当时甘肃负责文物工作的王毅决定，化石先运北京，归属问题不要谈。

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　　干旱的黄土高原怎么会有大象呢？周边群众把这一发现当成奇闻趣事，长途跋涉数百里，成群结队赶来参观。在发掘的这些天里，前来参观的群众达2万多人。高潮时，一天超过千人，西峰发往合水的客运班车延长至工地。县城食堂在工地搭棚营业，沿路卖餐饮的摊贩不计其数，比过年庙会还热闹。

　　一边是群众的热闹喜庆，一边是发掘工作有条不紊地推进。经过整理，挖出的大象各个部位骨骼，整整装了12大箱。为了确保多种头骨的绝对完整，他们采取了就地用厚木板将四周固定，用石膏封闭，上下加盖的办法，装得十分牢固稳妥。

　　不可回避的问题又来了，庞大笨重的象头怎么从山梁小道上运到公路上去呢？(后来在西安过磅，才知道这个箱子重量达3000公斤)开始19人用绳索拉，未能奏效，后来又增加到42人拉，仍未拉动，再用3吨教练车拉，整整一天，仅移动了5米。发掘点到公路相距500米，唯一的办法只有修筑简易公路，再用拖拉机拉。

　　合水县很快调动了数百名群众，从5月20日开始，仅仅用了三天时间就修成了3米宽的道路。县拖拉机站“东方红”履带式拖拉机开到发掘地点，庞大的大象头骨终于被拉到了简易公路边。

　　运输又成了问题，当时汽车很少，大部分都是三四吨的小车，去哪里找大车呢？赵聚发给长庆油田人打电话，让他们出动车辆帮忙。长庆油田出动两辆车，一辆载重十吨，另一辆载重6吨，又来了一辆吊车。谁知，吊车却在半路上坏了。