基本介紹
簡介,研究任務,學科分類,記述古氣候學,成因古氣候學,套用古氣候學,歷史古氣候學,發展概況,生物標誌,溫度標誌,意義作用,
簡介
古氣候學是研究地質時期氣候形成的原因、過程、分布及其變化規律的學科，其目的為預測今後氣候變化及解決有關資源、環境問題服務。即根據物質成分、沉積岩結構特點和生物，按一定的理論和方法推斷各地質時代的氣候。古氣候學的研究與地質學、古生物學、地球化學、同位素化學、大氣物理學和天文學等密切相關。
研究任務
1、擴大我們隊長、短期氣候變化的知識；2、套用相對短期的氣象記錄推測過去較長歷史記錄和地質記錄；3、提供長短期氣候變化原因和機制的線索。特別是古氣候的資料有可能用以建立海洋、冰層、以及大陸的時空變化模式，並把氣候系統聯繫起來。
學科分類
按研究的側重點不同，古氣候學可以分為記述古氣候學、成因古氣候學、套用古氣候學、歷史古氣候學四個學科。
記述古氣候學
也稱普通古氣候學。它研究古氣候的各種生物、沉積標誌，如化石或岩石代表在什麼氣候條件下生長或形成的，根據這些記錄恢復某地區在一定時期的古氣候。它與沉積岩岩石學、岩相古地理、古生物學、古生態學、古生物地理和同位素化學有密切的關係。
成因古氣候學
是在恢復和記述古氣候的基礎上，進一步探討古氣候的成因及過程，它涉及地球物理學、大氣物理學、現代氣候學、板塊構造學和天文學等。氣候與太陽和地球間緩慢變化，以及與太陽輻射、太陽黑子活動周期等有關。此外，如地磁極變動，黃道傾斜(即地球自轉軸的傾斜度)、地球自轉速度變化地殼外表山脈的形成、火山爆發、大氣圈的演化、洋流的改變等都影響氣候。
套用古氣候學
歷史古氣候學
是論述各地質時代古氣候及其演化的學科。
發展概況
19世紀早期，古氣候的研究材料主要來源於歐洲和北美。由於當時北美前寒武紀晚期冰川沉積尚未發現，所以認為整個地質時期的氣候都是溫暖的，直到第三紀氣候才開始變冷，到第四紀更新世出現冰川。把高緯度地區指示溫暖氣候的沉積與化石，認為是熱帶或亞熱帶氣候曾達到極地附近的證據。
另一重要的進展是根據氧同位素對古氣溫的測定。60年代以後，古代海洋和大陸溫度定量恢複方法的發展，對第四紀大冰期陸、海、冰古地理的恢復，大氣海洋一般環流模式及冰期氣候的模擬，及地球軌道變化對氣候的影響的研究等，使古氣候學取得了很大發展。
生物標誌
生物都是在一定的環境中生存的，生物的演化也是生物不斷適應周圍環境的結果。因此，生物能反映其所生存的環境，如生物的分異度，從赤道向兩極呈現由高到低的梯度變化，反映了當時的氣候狀況。熱帶生物最豐富，溫帶動、植物種類較少，而南北極最為貧乏。北美陸生鳥類和哺乳類，都是隨緯度的降低而分異度增高，如鳥類從40個種增加到660種，哺乳動物由20個種增加到130個種，植物界也有類似的情況。中、南美熱帶雨林1公頃面積有40～100個不同的種，北美東部落葉林帶只有10～30個種，加拿大北部針葉林帶，僅有1～5個種。除緯度外，海拔高度、濕度和水深等也影響生物的分異度。
古氣候學
古氣候學一般來說，用植物化石來判斷古氣候是比較可靠的，其次是底棲固著的無脊椎動物。脊椎動物小型兩棲類、爬行類由於有冬眠的習性，在較冷的氣候條件下還能生存。而大型的爬行類如鱷，絕大多數分布在熱帶和亞熱帶，只有很少的代表分布在溫帶。所以豐富的大型爬行類化石的存在，標誌著溫暖的氣候。無脊椎腔腸動物的造礁珊瑚幾乎全部生活在熱帶，它們不能生活在低於16～17℃的條件下，一般在25～30℃的條件下，個體豐度及分異度最大。地球赤道兩側熱帶和亞熱帶的淺海，廣泛分布著珊瑚礁。
這一地區水面年平均溫度約18～30℃。這樣，在地層中如發現大量由珊瑚等形成的生物礁，就可以推測，這種地層分布的地區應屬於熱帶、亞熱帶的淺海環境。腕足動物的舌形貝是一種“狹溫動物”，它只在熱帶和亞熱帶的淺海與潮汐帶生活。晚古生代的?類和新生代的貨幣蟲也是溫暖海水中的無脊椎動物。南大陸二疊紀雙殼類的寬鉸蛤屬 (Eurydesma)是典型的冷水型標誌。疊層石是生物成因的沉積構造，它是藍綠藻與碳酸鈣相互作用的結果。而鈣質藻在熱帶、亞熱帶淺海水域最為發育。鈣質綠藻幾乎全部生活於熱帶地區，只有少數幾個種分布於溫帶。中石炭世至早二疊世，隨著植物類群的迅速演化繁育，分布地區日益擴大。在北半球的聚煤地帶，生長著茂盛的陸生植物，具有高大的樹幹和密厚的枝葉，同現代的熱帶叢林酷似。
古氣候學
古氣候學從石炭-二疊紀植物的器官分析，它們還缺少完善的防止水分蒸發的表皮層，木質部分和厚壁細胞均不發育，沒有年輪，多數為喬木。由此推斷，當時的氣候既溫暖又潮濕，大約相當於現今的熱帶和亞熱帶雨林地區。然而，在約3億年前的南半球，景觀卻不是這樣，從地層中採到的植物化石是以舌羊齒(Glossopteris)為主，屬於旱生植物，大都是矮小的灌木狀或類似草本的類型，樹葉緊密排列，而且堅厚，木質部分具有年輪，植物群的種類相當單調，數量貧乏。由此推斷，石炭紀、二疊紀南半球的氣候可能既寒冷又乾燥。格陵蘭等地位於北極圈內，氣候寒冷，常年冰雪覆蓋。在距今1000萬年前的地層中，發現了象木蘭、棕櫚等常綠喬木的植物化石，這些植物現僅見於熱帶。這說明格陵蘭等地在1000萬年前屬熱帶氣候。不僅植物可以反映古氣候的特徵，而且年輪和一些植物器官也可用來分析氣候，如植物葉片的葉級（葉片面積的大小）、葉緣、滴水尖的有無、葉型、葉脈類型、葉脈密度、葉片角質層厚度和葉基形態等。
溫度標誌
任何元素同位素的分餾係數都與溫度有關，原則上都可以作為地質過程的溫暖標誌。同位素溫標主要用於較低溫度範圍內的溫度測量，它在古氣候測定方面顯示了特殊的優越性，其中氧、碳、氫同位素溫度計套用最廣泛。此外，有用胺基酸外消旋法、惰性氣體溶解度法和微量元素法來測定環境溫度或古海水溫度等。地球物理學方法主要是通過古地磁的研究確定古緯度，闡明地球氣候變化與地球磁場變化的關係。
古氣候學
古氣候學元古宙晚期有全球性冰期出現，代表普遍的寒冷氣候。寒武紀時氣候轉暖，當時各個分散的大陸板塊和岡瓦納古陸的大部地區都處於赤道附近。因此，在西伯利亞、澳大利亞和中國西南地區都發現了蒸發岩沉積。奧陶紀早、中期，海侵廣泛，氣候溫暖，但奧陶紀晚期至志留紀初期，則在西岡瓦納大陸（北非、南美、南歐）發生了大規模的大陸冰蓋和冰海沉積，代表寒冷的極地氣候。東岡瓦納大陸和其他陸塊仍處於赤道附近。在北美、西伯利亞和中國華北地區有蒸發岩沉積，推測為乾熱的古氣候條件。志留紀早期與奧陶紀晚期古氣候情況相似，以後氣候轉暖，冰川融化，海侵加大。志留紀時，西岡瓦納大陸大部已脫離極地氣候區，處於溫涼氣候帶，同時出現了Malvinokaffric冷溫水動物群。
僅在南美仍有少量冰川沉積，代表寒冷的極地氣候。岡瓦納古陸東部澳大利亞已移至赤道附近，並有蒸發岩沉積。其他陸塊大部處在赤道附近。北美有重要的鹽類沉積和珊瑚礁，代表熱帶氣候。西伯利亞板塊位於古北緯約30°～40°位置，其南北方向與當今相反，所以阿爾泰、大興安嶺一帶出現圖瓦貝動物群，可能代表北溫帶的溫涼氣候。晚古生代地球上北大陸氣候是溫暖的，但古氣候變化中最引人注目的是晚石炭世至早二疊世南大陸上大規模冰川活動。大陸冰蓋中心最初位於南非，以後經南極洲向澳大利亞移動，至早二疊世晚期最後消失。
由於植物大量繁盛，大氣中二氧化碳含量降低，氧含量增加，由於太陽紫外輻射的光化作用，在地球上空大氣平流層內產生臭氧層。臭氧層能吸收危害生命的太陽紫外輻射，這對古生代生物的演化發展並由海域登上陸地起了促進作用。中、新生代的氣候是早期以乾燥氣候為特點，中期溫暖潮濕氣候遍布全球，晚期則逐漸轉冷，出現大冰期。到全新世全球氣候普遍轉暖。
意義作用
古氣候的礦物、沉積岩石標誌 一些岩石的形成有它的古氣候意義，如冰磧岩、冰川漂礫和冰川紋泥代表寒冷冰川或大陸冰蓋氣候。元古宙晚期冰磧岩的分布廣泛。岡瓦納古陸晚石炭世、早二疊世的冰磧岩分布更引人注目。在乾旱、半乾旱地區可以形成蒸發岩，如石膏、硬石膏、鉀鹽、鹽岩等。此外，還有風成的沙漠或沙丘。乾旱地區的古土壤中由於植物貧乏，難於形成厚的有機質層，滲流水量也很少，鹼金屬和鹼土金屬被帶走的很少，pH值很高，從而產生鹼性環境，有利於風化殼（見風化作用）中蒙脫石的形成，也有利於鉀長石的保存。由於溶解度低，使溶解在水中的鈣質在鹼性條件下沉澱在土壤剖面中，形成鈣質層或結核，溶解於水中的SiO2也可以形成矽質殼。 這些土壤也可反映古氣候特徵。在潮濕的氣候條件下，有利於植物的生長繁盛。地球上大面積森林長年累月的生長，為後來形成的煤田創造了有利條件。因而煤的生成及含煤岩系代表潮濕氣候。在溫暖潮濕氣候條件下，發生風化作用時，廣泛形成水雲母，也可含有高嶺土（見高嶺石）。在炎熱潮濕氣候條件下，有更多可溶離子被地下水帶走，導致鐵、鋁氧化物聚集，形成紅土風化殼和鋁土礦。在紅土風化殼中沒有方解石、白雲石和鹽類礦物。即使在母岩為碳酸岩類的地區，也不含碳酸岩的碎塊。因為它們在酸性介質中被溶解帶走。在寒冷潮濕的環境裡，由於微生物活動促使鐵質沉澱，在土壤上部形成一個褐鐵礦結殼。海相磷塊岩和化學成因的碳酸岩是溫暖或炎熱氣候的標誌，鮞狀灰岩是炎熱氣候的標誌。
