地質(zhì)時(shí)期的氣候情況，我們只能根據(jù)間接的標(biāo)志去研究。如根據(jù)某一地質(zhì)時(shí)代的巖石性質(zhì)、古老的土壤、地形以及古生物化石，還可以用放射性碳C14含量來(lái)推斷地質(zhì)時(shí)期氣候狀況等等。在某一地區(qū)中如發(fā)現(xiàn)冰磧石、冰擦痕、漂石等，這就是寒冷時(shí)期冰川活動(dòng)的證明；黑龍江地區(qū)的灰化土下面埋藏有古紅色土，可推知古代那里曾經(jīng)有過(guò)炎熱的氣候；如果在現(xiàn)代沙漠地區(qū)發(fā)現(xiàn)有干涸河谷地形和湖岸線的遺跡，就表示該地是由濕潤(rùn)氣候轉(zhuǎn)變?yōu)樯衬?。生物化石是說(shuō)明地質(zhì)時(shí)代氣候狀況的良好根據(jù)，如果有馬匹或走禽的化石，表示這里曾是草原氣候；猿猴化石表示曾出現(xiàn)過(guò)森林氣候；在格陵蘭曾發(fā)現(xiàn)溫帶氣候的樹(shù)葉遺物，證明這里曾有過(guò)溫暖的時(shí)期；蘇聯(lián)的烏克蘭曾發(fā)現(xiàn)古代棕櫚的遺跡，證明那里曾出現(xiàn)過(guò)熱帶氣候。
通過(guò)上述方法對(duì)地層沉積物的廣泛分析，證實(shí)整個(gè)地質(zhì)時(shí)期地球氣候曾經(jīng)歷了巨大的變化，反復(fù)有過(guò)幾次大冰期，其中最近的三次大冰期（即震旦紀(jì)大冰期、石炭—二迭紀(jì)大冰期和第四紀(jì)大冰期）為科學(xué)家所公認(rèn)，在三次大冰期之間為溫暖的大間冰期氣候。寒冷的冰期同溫暖的間冰期相比是短暫的，在整個(gè)地球氣候史中，大部分時(shí)期（占90％以上年代）為溫暖氣候，比現(xiàn)在溫和。
震旦紀(jì)大冰期，發(fā)生在距今約六億年以前。亞、歐、非、北美和澳大利亞的大部分地區(qū)，都發(fā)現(xiàn)了冰磧層，說(shuō)明這些地方曾發(fā)生過(guò)具有世界規(guī)模的大冰川氣候。我國(guó)東部和中部廣大地區(qū)，也有震旦紀(jì)冰磧層，說(shuō)明這里也曾經(jīng)歷過(guò)寒冷的大冰期。
寒武紀(jì)—石炭紀(jì)大間冰期，距今約3～6億年，當(dāng)時(shí)整個(gè)世界氣候都比較溫暖。特別是石炭紀(jì)是古氣候中典型的溫和濕潤(rùn)氣候，森林面積極廣，最后形成豐富的煤礦，樹(shù)木也缺少年輪，說(shuō)明氣候具有海洋性特征。在我國(guó)石炭紀(jì)時(shí)期全處在熱帶氣候條件下，但到石炭紀(jì)后期，從北到南出現(xiàn)濕潤(rùn)帶、干燥帶和熱帶三個(gè)氣候帶。
石炭—二迭紀(jì)大冰期，距今2～3億年，主要是在南半球，北半球除印度外，目前尚未找到可靠的冰川遺跡，當(dāng)時(shí)我國(guó)氣候仍有溫暖濕潤(rùn)氣候帶、干燥氣候帶和炎熱潮濕氣候帶三個(gè)氣候帶。
三迭—第三紀(jì)大間冰期，距今約200萬(wàn)年～2億年。整個(gè)中生代氣候溫暖，到新生代的第三紀(jì)世界氣候更趨暖化，格陵蘭也有溫帶樹(shù)種。三迭紀(jì)時(shí)期，我國(guó)西部和西北部普遍為干燥氣候；到侏羅紀(jì)，我國(guó)地層普遍分布著煤、粘土和耐火粘土等，說(shuō)明當(dāng)時(shí)是在濕潤(rùn)氣候控制之下。侏羅紀(jì)后期到白堊紀(jì)是干燥氣候發(fā)展的時(shí)期，當(dāng)時(shí)我國(guó)曾出現(xiàn)一條明顯的干燥帶，西起天山、甘肅，南伸至大渡河下游到江西南部，都有干燥氣候條件下的石膏發(fā)育。到了第三紀(jì)，我國(guó)的沉積物大多帶有紅色，說(shuō)明當(dāng)時(shí)氣候比較炎熱。第三紀(jì)末期，世界氣溫普遍下降，整個(gè)北半球喜熱植物逐漸南退。
第四紀(jì)大冰期，約始于200萬(wàn)年前。大冰期中仍然是冷暖干濕交替出現(xiàn)的，當(dāng)寒冷時(shí)期，即亞冰期，氣溫比現(xiàn)代氣溫平均約低8～12℃，高緯度地區(qū)為冰川覆蓋，如最大的一次亞冰期（里斯冰期），世界大陸有十分之二、三的面積為冰川所覆蓋。當(dāng)時(shí)北半球有三個(gè)主要大陸冰川中心，即斯堪的納維亞冰川中心，其冰流曾南伸到北緯51°左右；格陵蘭冰川中心，其冰流也曾南伸到北緯38°左右；西伯利亞冰川中心，冰層分布于北緯60°～70°之間，有時(shí)可達(dá)北緯50°附近的貝加爾湖。冰川擴(kuò)張，氣候帶南遷，生物群落也隨之南移，如里斯冰期時(shí)，北方動(dòng)物南遷，在克里木的舊石器時(shí)代（距今25萬(wàn)年以前）地層中曾發(fā)現(xiàn)過(guò)北極狐和北極鹿化石。
兩個(gè)亞冰期之間的亞間冰期，氣候比現(xiàn)代溫暖，北極氣候比現(xiàn)代約高出10℃以上，低緯度氣溫也比現(xiàn)代高5.5℃左右。原覆蓋在中緯度的冰蓋消失了，退縮到極地區(qū)域，甚至極地的冰蓋也消失了。冰蓋退縮或消失，氣候帶北移，生物群落也隨之北移，如北冰洋沿岸也有虎、麝香牛等喜熱動(dòng)物群活動(dòng)，喜暖植物可一直分布到北極圈。
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