地質時期的氣候情況，我們只能根據間接的標志去研究。如根據某一地質時代的巖石性質、古老的土壤、地形以及古生物化石，還可以用放射性碳C14含量來推斷地質時期氣候狀況等等。在某一地區中如發現冰磧石、冰擦痕、漂石等，這就是寒冷時期冰川活動的證明；黑龍江地區的灰化土下面埋藏有古紅色土，可推知古代那里曾經有過炎熱的氣候；如果在現代沙漠地區發現有干涸河谷地形和湖岸線的遺跡，就表示該地是由濕潤氣候轉變為沙漠的。生物化石是說明地質時代氣候狀況的良好根據，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過森林氣候；在格陵蘭曾發現溫帶氣候的樹葉遺物，證明這里曾有過溫暖的時期；蘇聯的烏克蘭曾發現古代棕櫚的遺跡，證明那里曾出現過熱帶氣候。

通過上述方法對地層沉積物的廣泛分析，證實整個地質時期地球氣候曾經歷了巨大的變化，反復有過幾次大冰期，其中最近的三次大冰期（即震旦紀大冰期、石炭?二迭紀大冰期和第四紀大冰期）為科學家所公認，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，在整個地球氣候史中，大部分時期（占90％以上年代）為溫暖氣候，比現在溫和。

震旦紀大冰期，發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，都發現了冰磧層，說明這些地方曾發生過具有世界規模的大冰川氣候。我國東部和中部廣大地區，也有震旦紀冰磧層，說明這里也曾經歷過寒冷的大冰期。

寒武紀?石炭紀大間冰期，距今約3～6億年，當時整個世界氣候都比較溫暖。特別是石炭紀是古氣候中典型的溫和濕潤氣候，森林面積極廣，最后形成豐富的煤礦，樹木也缺少年輪，說明氣候具有海洋性特征。在我國石炭紀時期全處在熱帶氣候條件下，但到石炭紀后期，從北到南出現濕潤帶、干燥帶和熱帶三個氣候帶。

石炭?二迭紀大冰期，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，當時我國氣候仍有溫暖濕潤氣候帶、干燥氣候帶和炎熱潮濕氣候帶三個氣候帶。

三迭?第三紀大間冰期，距今約200萬年～2億年。整個中生代氣候溫暖，到新生代的第三紀世界氣候更趨暖化，格陵蘭也有溫帶樹種。三迭紀時期，我國西部和西北部普遍為干燥氣候；到侏羅紀，我國地層普遍分布著煤、粘土和耐火粘土等，說明當時是在濕潤氣候控制之下。侏羅紀后期到白堊紀是干燥氣候發展的時期，當時我國曾出現一條明顯的干燥帶，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育。到了第三紀，我國的沉積物大多帶有紅色，說明當時氣候比較炎熱。第三紀末期，世界氣溫普遍下降，整個北半球喜熱植物逐漸南退。

第四紀大冰期，約始于200萬年前。大冰期中仍然是冷暖干濕交替出現的，當寒冷時期，即亞冰期，氣溫比現代氣溫平均約低8～12℃，高緯度地區為冰川覆蓋，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。當時北半球有三個主要大陸冰川中心，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，有時可達北緯50°附近的貝加爾湖。冰川擴張，氣候帶南遷，生物群落也隨之南移，如里斯冰期時，北方動物南遷，在克里木的舊石器時代（距今25萬年以前）地層中曾發現過北極狐和北極鹿化石。

兩個亞冰期之間的亞間冰期，氣候比現代溫暖，北極氣候比現代約高出10℃以上，低緯度氣溫也比現代高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、麝香牛等喜熱動物群活動，喜暖植物可一直分布到北極圈。
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