【古气候学】（paleoclimatology）研究过去地质时代地球上的气候条件和变化，及其在某个地区或世界范围的变化原因。古气候研究是依据沉积岩中所保存的某些具有特征的岩石和标志及其所含化石，用古地磁和同位素的方法，估计出某些古气候要素，如风向、大气圈和海洋的温度等等。主要是辨认和确定冰期和炎热、干湿情况。古气候研究对于地层划分对比、地壳和大气的演化以及矿产资源的成因与探测，都具有指导意义。地质时代的古气候研究，同以历史资料和考古资料、以及树木年轮为主要依据的历史时期气候研究不同。

按研究的侧重点不同，古气候学可以分为记述古气候学、成因古气候学、应用古气候学、历史古气候学四个学科。

记述古气候学，也称普通古气候学。它研究古气候的各种生物、沉积标志，如化石或岩石代表在什么气候条件下生长或形成的，根据这些记录恢复某地区在一定时期的古气候。它与沉积岩岩石学、岩相古地理、古生物学、古生态学、古生物地理和同位素化学有密切的关系。

成因古气候学是在恢复和记述古气候的基础上，进一步探讨古气候的成因及过程，它涉及地球物理学、大气物理学、现代气候学、板块构造学和天文学等。气候与太阳和地球间缓慢变化，以及与太阳辐射、太阳黑子活动周期等有关。此外，如地磁极变动，黄道倾斜(即地球自转轴的倾斜度)、地球自转速度变化地壳外表山脉的形成、火山爆发、大气圈的演化、洋流的改变等都影响气候。

应用古气候学是在恢复某一时期某些地区古气候的基础上，推测在该种气候条件下可能形成的矿产，指导矿产资源的寻找和勘探。这需要与成因矿床学、成因矿物学、地球化学、大地构造学等结合起来研究。

历史古气候学是论述各地质时代古气候及其演化的学科。生物都是在一定的环境中生存的，生物的演化也是生物不断适应周围环境的结果。因此，生物能反映其所生存的环境，如生物的分异度，从赤道向两极呈现由高到低的梯度变化，反映了当时的气候状况。热带生物最丰富，温带动、植物种类较少，而南北极最为贫乏。除纬度外，海拔高度、湿度和水深等也影响生物的分异度。一般来说，用植物化石来判断古气候是比较可靠的，其次是底栖固着的无脊椎动物。脊椎动物小型两栖类、爬行类由于有冬眠的习性，在较冷的气候条件下还能生存。而大型的爬行类如鳄，绝大多数分布在热带和亚热带，只有很少的代表分布在温带。一些岩石的形成也有它的古气候意义，如冰碛岩、冰川漂砾和冰川纹泥代表寒冷冰川或大陆冰盖气候。 　　

任何元素同位素的分馏系数都与温度有关，原则上都可以作为地质过程的温暖标志。目前同位素温标主要用于较低温度范围内的温度测量，它在古气候测定方面显示了特殊的优越性，其中氧、碳、氢同位素温度计应用员广泛。此外，有用氨基酸外消旋法、惰性气体溶解度法和微量元素法来测定环境温度或古海水温度等。地球物理学方法主要是通过古地磁的研究确定古纬度，阐明地球气候变化与地球磁场变化的关系。 元古宙晚期有全球性冰期出现，代表普遍的寒冷气候。寒武纪时气候转暖，当时各个分散的大陆板块和冈瓦钠古陆的大部地区都扯于赤道附近。因此，在西伯利亚、澳大利亚和中国西南地区都发现了蒸发岩沉积。 　　

奥陶纪早、中期，海侵广泛，气候温暖，但奥陶纪晚期至志留纪初期，则在西冈瓦纳大陆(北非、南美、南欧)发生了大规模的大陆冰盖和冰晦沉积，代表寒冷的极地气候。东冈瓦纳大陆和其他陆块仍处于赤道附近。在北美、西伯利亚和中国华北地区有蒸发岩沉积，推测为干热的古气候条件。志留纪早期与奥陶纪晚期古气候情况相似，以后气候转暖，冰川溶化，海侵加大。志留纪时，西冈瓦纳大陆大部已脱离极地气候区，处于温凉气候带，同时出现了冷温水动物群，仅在南美仍有少量冰川沉积，代表寒冷的极地气候。北美有重要的盐类沉积和珊瑚礁，代表热带气候。 　　

西伯利亚板块位于古北纬约30°～40°位置，其南北方向与现在相反，所以阿尔泰、大兴安岭一带出现图瓦贝动物群，可能代表北温带的温凉气候。晚古生代地球上北大陆气候是温暖的，但古气候变化中最引入注目的是晚石炭世至早二叠世南大陆上大规模冰川活动。 　　

大陆冰盖中心最初位于南非，以后经南极洲向澳大利亚移动，至早二叠世晚期最后消失由于植物大量繁盛，大气中二氧化碳含量降低，氧含量增加，由于太阳紫外辐射的光化作用，在地球上空大气平流层内产生臭氧层。臭氧层能吸收危害生命的太阳紫外辐射，这对古生代生物的演化发展并由海域登上陆地起了促进作用。 中、新生代的气候是早期以干燥气候为特点，中期温暖潮湿气候谝布全球，晚期则逐渐转冷，出现大冰期。到全新世全球气候普遍转暖。