地質(zhì)氣候是指地質(zhì)時(shí)代的氣候狀況。地質(zhì)時(shí)期的氣候只能根據(jù)動(dòng)植物化石、地層沉積物以及冰川遺跡等間接材料來進(jìn)行推斷。例如，有巖鹽和石膏沉積表明當(dāng)時(shí)是干燥氣候，有煤的存在可以推知當(dāng)時(shí)是濕潤氣候。通過地層沉積物有孔蟲的分析，可以了解當(dāng)時(shí)海進(jìn)海退的情況，通過地層中植物孢子和花粉的分析，可以了解植物群落的演變，并據(jù)以推斷氣候變遷。研究證實(shí)，在漫長的地質(zhì)時(shí)期中反復(fù)經(jīng)歷過多次大冰期氣候，冰期到來時(shí)，極地冰蓋擴(kuò)展，中低緯高山也被冰雪覆蓋。其中公認(rèn)的最近的三次大冰期為：震旦紀(jì)大冰期、石巖-二迭紀(jì)大冰期和第四紀(jì)大冰期。在大冰期之間為溫暖的大間冰期氣候。在整個(gè)地球氣候史中，寒冷的冰期是短暫的。90%以上的時(shí)間為溫暖氣候。

 概述

地址氣候是根據(jù)地質(zhì)考察的各種證據(jù)(物質(zhì)成分、沉積巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生物化石等)推斷的地球各地質(zhì)時(shí)代的氣候。又稱古氣候。

在地球演變的幾十億年中，全球規(guī)模冰雪覆蓋的擴(kuò)展和退縮相互交替，有時(shí)大陸上覆蓋著很大面積的冰原和冰川，氣候寒冷，這時(shí)期稱為冰期(又可稱大冰期);冰原或冰川以較大幅度向低緯度地區(qū)推進(jìn)時(shí)，也稱為冰期。介于兩個(gè)冰期之間的比較溫暖的時(shí)期，冰川消融退縮，稱為間冰期。這種寒暖波動(dòng)的時(shí)間尺度大約為106-108年。前寒武紀(jì)以后，90%以上的時(shí)間，兩半球的極地?zé)o冰。但全球至少出現(xiàn)過三次大冰期，比較公認(rèn)的有：前寒武紀(jì)大冰期(距今約6億年以前)、石炭-二疊紀(jì)大冰期(距今2-3億年)和第四紀(jì)大冰期(距今200～300萬年至1-2萬年)。

一般認(rèn)為，對(duì)地質(zhì)時(shí)期溫度的估計(jì)，從中生代(距今2.3-0.67億年)起才比較可靠。那時(shí)的年平均氣溫在兩極附近為8-10℃，赤道為25-30℃。

第三紀(jì)(距今0.67億年至200～300萬年)的主要?dú)夂蛱卣魇牵褐芯暥鹊貐^(qū)氣溫緩慢降低，大約在1400萬年前，地球上的氣溫急劇下降，在南極首先出現(xiàn)了冰蓋，在250萬年前，冰島出現(xiàn)過山岳冰川，緊接著北半球高緯度地區(qū)也形成冰蓋。

第四紀(jì)從距今約二三百萬年開始直到現(xiàn)在。第四紀(jì)氣候以極地冰川和中高緯度地區(qū)的山岳冰川的覆蓋為主要特征，又稱第四紀(jì)大冰期。在第四紀(jì)內(nèi)，依冰川覆蓋面積的變化，可劃分出幾次冰期和間冰期。第四紀(jì)的冰期和間冰期的溫度振幅，海上約為6℃，大陸上的溫度波動(dòng)較大，在冰蓋的邊緣地區(qū)如歐洲，約為12℃，但高山雪線處則為4-6℃。

冰期和間冰期溫度的巨大變化，導(dǎo)致其他氣候要素和自然地理因子的變化：①雨帶分布的變化。冰期時(shí)，冰蓋面積擴(kuò)大，迫使行星極鋒帶移至中、低緯度地區(qū)，導(dǎo)致中、低緯度地區(qū)低氣壓活動(dòng)頻繁，雨量充沛，湖水面積擴(kuò)大。但在間冰期時(shí)，上述地區(qū)的氣候常很干燥。②雪線的升降。冰期時(shí)，全球山岳雪線普遍下降，大多數(shù)山岳雪線下降1000-1400米，熱帶地區(qū)雪線下降700-900米。③海平面的升降。冰期時(shí)地球表面的水，相當(dāng)大的一部分形成巨大冰蓋而留在陸地上，海平面因此降低，例如武木冰期，海平面比現(xiàn)代低約100米。在間冰期最暖時(shí)期的海面，可能比現(xiàn)代高出15-30米，甚至更多。④生物群落的遷移。在冰期時(shí)，冰川擴(kuò)張，氣候帶向低緯度地區(qū)移;間冰期時(shí)，冰川退縮，氣候帶向高緯度地區(qū)移。與氣候帶相應(yīng)，生物群落也隨之南北遷移。

冰后期距今一萬多年，全球氣溫逐漸上升，冰川覆蓋的面積相應(yīng)縮小，海平面隨之上升，地球氣候又進(jìn)入較為溫暖的時(shí)期。

有關(guān)各種時(shí)間尺度氣候變化的原因，有許多種假說。歸納起來大致可分為以下3種：①天文學(xué)假說。認(rèn)為天文因素的變化將引起氣候變化。②大氣物理學(xué)假說。認(rèn)為太陽輻射能的變化或大氣透明度的變化可以引起氣候變化。③地質(zhì)地理學(xué)假說。認(rèn)為極點(diǎn)的移動(dòng)、海陸分布的變遷和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等，可以引起氣候變化。其中用大陸漂移說的觀點(diǎn)解釋氣候變化，最為人注意。

研究簡史

在歷史上早就有人注意到地球氣候變遷遺留下來的某些痕跡。中國北宋時(shí)期的沈括，從地層和生物化石的特征中，判斷了地質(zhì)時(shí)期發(fā)生過的氣候巨變和海陸的演迭。1840年，瑞士人J.L.R.阿加西根據(jù)阿爾卑斯山地的冰川堆積，第一次明確提出地球氣候史上曾出現(xiàn)過冰期氣候。20世紀(jì)初期，德國人A.彭克和E.布呂克納出版了《冰期的阿爾卑斯》一書，將阿爾卑斯山地第四紀(jì)大冰期劃分為四個(gè)冰期(后又劃分成五個(gè)冰期)，兩個(gè)冰期之間為比較溫暖的間冰期。這種劃分，后來被確認(rèn)為第四紀(jì)大冰期分期的國際標(biāo)準(zhǔn)。在其他各大陸，后來也相應(yīng)地發(fā)現(xiàn)古冰川和古生物的遺跡。

中國在古冰川的研究中，較早地確認(rèn)了西部山岳冰川，關(guān)于東部冰川，也有過大量的研究。

在地質(zhì)史的幾十億年中，全球規(guī)模冰雪覆蓋的擴(kuò)展和退縮相互交替，有時(shí)大陸上覆蓋著很大面積的冰原和冰川，氣候寒冷，這時(shí)期稱為冰期(又可稱大冰期);冰原或冰川以較大幅度向低緯度地區(qū)推進(jìn)時(shí)，也稱為冰期。介于兩個(gè)冰期之間的比較溫暖的時(shí)期，冰川消融退縮，稱為間冰期。前寒武紀(jì)以來，90%以上的時(shí)間，兩半球的極地?zé)o冰。但全球至少出現(xiàn)過三次大冰期，比較公認(rèn)的有：前寒武紀(jì)大冰期(距今約6億年以前)、石炭-二疊紀(jì)大冰期(距今2～3億年)和第四紀(jì)大冰期(距今200～300萬年至1～2萬年)。在前寒武紀(jì)，還可能有另外的大冰期，但因資料不足，尚無法判斷。

一般認(rèn)為，對(duì)地質(zhì)時(shí)期溫度的估計(jì)，從中生代(距今2.3-0.67億年)起才比較可靠。那時(shí)的年平均氣溫在兩極附近為8～10，赤道為25～30。

分期簡介

第三紀(jì)氣候：第三紀(jì)(距今0.67億年至200～300萬年)的主要?dú)夂蛱卣魇牵褐芯暥鹊貐^(qū)氣溫緩慢降低(見圖第三紀(jì)以來中緯度氣溫變化)，大約在1400萬年前，地球上的氣溫急劇下降，在南極首先出現(xiàn)了冰蓋，在250萬年前，冰島出現(xiàn)過山岳冰川，緊接著北半球高緯度地區(qū)也形成冰蓋。

第四紀(jì)氣候：第四紀(jì)從距今約二三百萬年開始直到現(xiàn)在。第四紀(jì)氣候以極地冰川和中高緯度地區(qū)的山岳冰川的覆蓋為主要特征，又稱第四紀(jì)大冰期。在第四紀(jì)內(nèi)，依冰川覆蓋面積的變化，可劃分出幾次冰期和間冰期。它們的冰蓋范圍，分別占陸地表面積的30%和10%左右。但是在各大陸上的冰期中，冰川發(fā)育程度有很大的差別。例如，歐洲大陸冰蓋曾達(dá)到北緯48，而亞洲北部西伯利亞冰蓋的規(guī)模較小，只達(dá)到北緯60。中國無大型冰蓋，但西部山地，如阿爾泰山、天山、祁連山、貢嘎山、玉龍山、四川西部和青藏高原等，卻發(fā)育了山岳冰川。由于氣候變化隨地區(qū)的差異和研究方法的不同，各地劃分的冰期數(shù)有所不同。例如：在歐洲，阿爾卑斯山地第四紀(jì)大冰期被劃分成多瑙、貢茲、民德、里斯、武木五個(gè)冰期;在中國西南的喜馬拉雅山地區(qū)，劃分出希夏邦馬、聶聶雄拉、珠穆朗瑪三個(gè)冰期;在中國東部地區(qū)，李四光曾劃分出鄱陽、大姑、廬山、大理四個(gè)冰期。但中國各地第四紀(jì)冰期的劃分尚無定論，有人認(rèn)為中國東部在第四紀(jì)根本沒有冰川活動(dòng)。第四紀(jì)的冰期和間冰期的溫度振幅，海上約為6C，這是從北大西洋熱帶海域分析海底巖心所得到的。除北極區(qū)海域稍高外，其他大洋區(qū)均略低于此數(shù)。間冰期的北大西洋熱帶海域較現(xiàn)代高1C。大陸上的溫度波動(dòng)較大，在冰蓋的邊緣地區(qū)如歐洲，約為12C，但高山雪線處則為4～6C。

冰期和間冰期溫度的巨大變化，導(dǎo)致其他氣候要素和自然地理因子的變化：①雨帶分布的變化。冰期時(shí)，冰蓋面積擴(kuò)大，極地反氣旋增強(qiáng)，極地高壓帶向中、低緯度地區(qū)擴(kuò)展，迫使行星極鋒帶(見鋒、急流)移至中、低緯度地區(qū)，導(dǎo)致中、低緯度地區(qū)低氣壓活動(dòng)頻繁，雨量充沛，湖水面積擴(kuò)大。例如，亞洲中部、非洲北部和中部、北美洲西部等，在冰期時(shí)均為濕潤地區(qū)。但在間冰期時(shí)，上述地區(qū)的氣候常很干燥。②雪線的升降。冰期時(shí)，全球山岳雪線普遍下降，大多數(shù)山岳雪線下降1000～1400米，熱帶地區(qū)雪線下降700～900米。③海平面的升降。冰期時(shí)地球表面的水，相當(dāng)大的一部分形成巨大冰蓋而留在陸地上，海平面因此降低，例如武木冰期，海平面比現(xiàn)代低約100米。在間冰期最暖時(shí)期的海面,可能比現(xiàn)代高出15～30米，甚至更多。④生物群落的遷移。在冰期時(shí)，冰川擴(kuò)張，氣候帶向低緯度地區(qū)移;間冰期時(shí)，冰川退縮，極區(qū)氣溫升高，氣候帶向高緯地區(qū)移。與氣候帶相應(yīng)，生物群落也隨之南北遷移。例如，克里米亞(里斯冰期)的地層里發(fā)現(xiàn)過北極狐、北極鹿;在南高加索，從冰期的地層里發(fā)現(xiàn)過猛犸象化石，這些都屬于極地動(dòng)物。而在間冰期，北冰洋沿岸有虎、麝香牛等喜溫動(dòng)物群活動(dòng)。

冰后期氣候　冰后期距今一萬多年，全球氣溫逐漸上升，冰川覆蓋的面積相應(yīng)縮小，海平面隨之上升，地球氣候又進(jìn)入較為溫暖的時(shí)期。

氣候變化

從氣候變化的角度看可以發(fā)現(xiàn)地球氣候變化的基本特點(diǎn)是：冷暖、干濕時(shí)期交替出現(xiàn)。根據(jù)研究，氣候存在著10-108年的不同時(shí)間的尺度變化，現(xiàn)在為科學(xué)界所公認(rèn)的變化有：

1、大冰期氣候與大間冰期氣候;時(shí)間尺度約為100～1000百萬年。

2、亞冰期氣候與亞間冰期氣候：時(shí)間尺度約為10萬年。

3、副冰期氣候與副間冰期氣候;時(shí)間尺度約為10000～1000年。

4、寒冷期(或小冰期)與溫暖期(或小間冰期氣候)：時(shí)間尺度為100～1000年。

5、世紀(jì)和世紀(jì)以內(nèi)氣候變化：時(shí)間尺度為1～100年。

變化原因

有關(guān)各種時(shí)間尺度氣候變化的原因，有許多種假說。歸納起來大致可分為以下五種：①天文學(xué)假說。認(rèn)為天文因素的變化將引起氣候變化。如南斯拉夫數(shù)學(xué)家M.米蘭科維奇綜合了地球軌道的偏心率、黃道傾斜和歲差等天文因素可能出現(xiàn)的變化，計(jì)算出北緯45～70地帶60萬年以來夏季輻射量變化的曲線，并把輻射量變化換算為相應(yīng)的緯度變化。計(jì)算的結(jié)果，同彭克建立的阿爾卑斯第四紀(jì)溫度變化的模型頗為一致。

②大氣物理學(xué)假說。認(rèn)為太陽輻射能的變化或大氣透明度的變化可以引起氣候變化。由于太陽活動(dòng)強(qiáng)度的變化，使到達(dá)地球的總輻射能(包括電磁波和微粒流能量)發(fā)生變化。當(dāng)輻射能減少時(shí)，地球上的氣溫下降，出現(xiàn)冰期。輻射能增加時(shí)，氣溫升高，進(jìn)入間冰期。另一種設(shè)想是，由于地球上的火山有明顯的靜止期和活動(dòng)期，由此引起大氣透明度變化，從而導(dǎo)致氣候變化。例如火山爆發(fā)時(shí)噴出大量的熔巖、煙塵和各種氣體，在平流層內(nèi)形成灰塵幕，影響著大氣的透明度，使到達(dá)地球表面的太陽輻射減少，氣溫降低。一次火山大爆發(fā)可影響其后10～15年的氣候，如果火山頻繁爆發(fā)，灰塵幕的累積效應(yīng)可導(dǎo)致氣候趨冷。

③地質(zhì)地理學(xué)假說。認(rèn)為極點(diǎn)的移動(dòng)、海陸分布的變遷和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等，可以引起氣候變化。其中用大陸漂移說的觀點(diǎn)解釋氣候變化，最為人注意。依此觀點(diǎn)，任何地方溫度的降低和冰川的積累，都是由于該塊大陸漂移到較高緯度所造成的。例如科倫坡現(xiàn)在位于北緯7附近，屬于熱帶氣候，但在石炭紀(jì)它位于南緯82附近，故出現(xiàn)過極地氣候。又如斯匹次卑爾根群島，現(xiàn)在位于北緯79附近，為極地氣候，但在石炭紀(jì)它卻位于北緯24，為熱帶氣候。

研究方法

地質(zhì)時(shí)期氣候的研究主要包括尋找古氣候證據(jù)和確定證據(jù)年代(稱為斷代技術(shù))兩個(gè)步驟。前者可采用地質(zhì)學(xué)方法、地理學(xué)方法和同位素方法(物理學(xué)方法)等。地質(zhì)學(xué)方法是根據(jù)生物生存的條件、巖層和沉積礦床的形成與氣候的關(guān)系，通過對(duì)地層中生物化石和沉積物等特性的研究，闡明地質(zhì)時(shí)期氣候在時(shí)間和空間上的分布和變化的規(guī)律。例如，煤層的存在，可以推斷為濕潤氣候;出現(xiàn)珊瑚礁，可推斷為溫暖氣候;有石膏、巖鹽，可推斷為干燥氣候等。此外，還可以通過地層中植物孢粉(指植物在繁殖期間撒出的孢子和花粉的總稱)的分析推測(cè)氣候。當(dāng)孢粉離開母體后，就撒落在土壤表面，并被一層層地掩埋在土層或泥炭層中。

由于孢粉數(shù)量巨大(例如，一棵山毛櫸樹一年可撒出4億?；ǚ?，在與空氣隔絕的情況下，可長期地存留下來，所以，可根據(jù)孢粉的形態(tài)來判別母體植物的種屬，成為推測(cè)古代植被及其相應(yīng)氣候的依據(jù)。例如，在中國遼寧南部距今8000～10000年的泥炭層中，樺屬花粉占優(yōu)勢(shì)，而現(xiàn)在樺木林已退縮到大小興安嶺和長白山區(qū)。樺樹是喜冷耐旱植物，表明那時(shí)遼寧南部的氣候比現(xiàn)在干冷。同位素方法是20世紀(jì)40年代開始發(fā)展起來的，其中以氧的同位素方法應(yīng)用最廣。例如，利用氧的同位素比值可以測(cè)定極地冰原的不同冰層形成時(shí)的溫度狀況。自然界中的氧有氧-16、氧-17、氧-18三種同位素。在冰層形成時(shí)，氣溫越低，其中氧-18和氧-16的比值越高，因此，可以根據(jù)氧-18和氧-16比值的變化，換算成當(dāng)時(shí)的溫度。分析洋底抱球蟲軟泥的氧同位素比值，可以了解第四紀(jì)海面溫度的變化，氧同位素方法同樣可用來測(cè)定鐘乳石和樹木年輪形成時(shí)的溫度。利用碳-14和碳-13的比值，也可以推測(cè)古代的溫度，但應(yīng)用還不廣泛。地理學(xué)方法主要是用來考察各種自然地理因子的變遷，如海平面的升降、河流和湖泊水位的變化、冰川和雪線的進(jìn)退、沙漠和凍土以及森林等界限的推移，用以估計(jì)相應(yīng)的氣候演變。

斷代技術(shù)是確定各種證據(jù)形成的順序和年代。可分為相對(duì)斷代和絕對(duì)斷代。相對(duì)斷代只說明證據(jù)在形成時(shí)間上的新老順序，主要依據(jù)古生物方法加以劃分，如孢粉斷代、地層學(xué)斷代等。絕對(duì)斷代是明確給出證據(jù)形成的絕對(duì)年代，主要是根據(jù)巖石中放射性同位素蛻變產(chǎn)物的含量加以測(cè)定的。

推理預(yù)測(cè)

5千萬年后——地質(zhì)氣候特征：按照冰川期變化規(guī)律，迎來新一季冰川，一些現(xiàn)存的脆弱種群消失。北半球亞歐大陸覆蓋著茫茫積雪，南美洲雨林退化成大草原，北美洲則由針葉闊葉林變?yōu)榇笊衬?非洲板塊的向上擠壓，直布羅坨海峽閉合，地中海由內(nèi)陸湖變?yōu)榇篼}場。亞歐大冰川：由于一些現(xiàn)存的脆弱種群消失，它們的位置被現(xiàn)存的一些生物取代，并在這個(gè)時(shí)期得以進(jìn)化。地中海鹽場：科斯特地貌和大鹽場，兩套互嵌并干擾的小生態(tài)系統(tǒng)。一些生物依賴兩種環(huán)境，一些生物卻只能在自己的環(huán)境中生存。南美大草原：環(huán)境的改變進(jìn)化出一批新的獵手和獵物。北美大沙漠：地上和地表下兩套不同的小生態(tài)系統(tǒng)。南美大草原的種類在這里進(jìn)化出地域近似種，形態(tài)和習(xí)性也有很大不同。

一億年后——地質(zhì)氣候特征：冰川期過去，南北極冰雪融化，加上海底大量巖漿噴發(fā)，海平面上升，地球氣候進(jìn)入新一輪溫暖濕熱期，造就了大片的淺海區(qū)、沼澤和雨林;同時(shí)由于地殼板塊移動(dòng)，板塊之間的擠壓產(chǎn)生了比現(xiàn)在更廣袤的高原區(qū)。濕熱沼澤：新沼澤的特點(diǎn)使其可能進(jìn)化出地球有史以來最大的陸生生物，并促使新一批水生生物登陸。兩套小生態(tài)系統(tǒng)，沼澤上層和水下部分。溫暖淺海：新的地理環(huán)境，孕育出一批高度分化的合作生物群落。巨大雨林：假設(shè)的雨林是位于現(xiàn)在南極洲，因?yàn)橥扑氵@個(gè)年代南極洲板塊正好向北移動(dòng)到大約赤道的熱帶位置上。島嶼性質(zhì)使它具備一套獨(dú)立的生態(tài)體系;這個(gè)年代氧氣含量的升高還可能會(huì)使一批節(jié)肢類動(dòng)物的體型變得很大。廣袤高原：澳洲板塊向北移動(dòng)，撞擊亞歐板塊后向東又去撞擊北美板塊，歷史上從未有過的最高山脈在這里誕生了。強(qiáng)紫外線、氣候惡劣、食物貧乏的特點(diǎn)使這里生活的生物進(jìn)化出特有生存方式。

兩億年后——地質(zhì)氣候特征：根據(jù)現(xiàn)有地殼板塊移動(dòng)情況，這個(gè)年代的大陸又會(huì)合為一體，類似地質(zhì)年代上的泛大陸。同時(shí)大量的火山爆發(fā)造成了新一輪生物種群滅亡。由于內(nèi)陸受海洋影響小，形成大量的沙漠，并產(chǎn)生至少兩種截然不同的沙漠生態(tài)系統(tǒng)，內(nèi)陸自給式和沿海依賴式;某些沿海地區(qū)的雨林則可能進(jìn)化出新的智慧生命。泛大陸中部沙漠：圍繞水源展開。兩套小生態(tài)系統(tǒng)，地表上層和地下水部分。地表上層典型特征是自給，一些動(dòng)物進(jìn)化出了藻類共生，或更復(fù)雜的耕種培養(yǎng)藻菌的能力;地下水部分則勾畫了一個(gè)極端環(huán)境中的生態(tài)系統(tǒng)，主有機(jī)質(zhì)來源為硫化細(xì)菌而非光合作用。泛大洋：大滅絕使一批新的海洋生物取代了原滅絕生物的位置或變化角色，同時(shí)又有一些原有的海洋物種得以進(jìn)化，新的海洋生態(tài)系統(tǒng)誕生。泛大陸沿海沙漠：這里的沙漠生態(tài)系統(tǒng)要顯得脆弱得多，有些完全是依賴性的，這些生物的主要有機(jī)質(zhì)來源來自大洋風(fēng)暴帶來的生物尸體，因此具有很強(qiáng)的季節(jié)周期性。一些植物則進(jìn)化出掠食性。