地球化学标志

利用沉积物中的化学组分，即地球化学标志，来研究第四纪古气候也是一种常规的方法。随着测试手段的改进和对一些元素在地表行为的新认识，这种方法也在不断改进和完善，并从早期的定性研究向目前的半定量研究方向发展。用于第四纪气候研究的主要有氧化物、碳酸钙、有机炭等。

1. 氧化物

第四纪沉积物中氧化物种类很多，可作为气候指标的主要有 SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、Na₂O、CaO 等。这些氧化物在地表的迁移过程中受气候的影响比较明显，在不同的气候条件下，它们迁移的难易程度不同，如在炎热湿润的气候条件下，SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃相对容易迁移些，而在干冷气候环境中迁移就比较难，因此气候影响这些氧化物在沉积物或残积物中的百分含量，通过分析沉积物或残积物中它们的含量变化可判断古气候特点。

一般情况下，沉积物中 Al₂O₃和 Fe₂O₃的含量随着气候的转暖湿而增加，反之就降低。但在第四纪气候研究中，通常用氧化物含量之间的比值，这样可以消除一些物源或沉积环境次生的影响。常用的比值有 n(SiO₂)/n(Al₂O₃)(硅铝 率)、n(SiO₂)/n(Fe₂O₃)(硅 铁 率)、n(SiO₂)/n(Fe₂O₃+ Al₂O₃)(硅氧化物率)、n(FeO)/n(Fe₂O₃)等。对现今的土壤研究表明，这些比值都会随着气候的暖湿而变小，如现代热带砖红壤的 n(SiO₂)/n(Al₂O₃)值为 1. 5 ～1. 6，亚热带红壤为 2～2. 2，黄壤为 2. 3～2. 7。但在沉积物中比较复杂，受物源和沉积环境的影响。

还可利用 n(Fe₂O₃)/n(FeO)［或 n(Fe₃ +)/n(Fe^{2 +})］ 和 n(Al₂O₃)/n(Fe₂O₃+FeO)的比值进行第四纪古气温和古降水的定量研究。这主要利用了铁的变价性，并在地表的环境中三价铁与二价铁可转化的原理。当气温升高时，地表的氧化条件增强，那么 Fe^{2 +}就向Fe^{3 +}转化; 反之，Fe^{3 +}就向 Fe^{2 +}转化。计算古温度和古降水的经验公式如下:

第四纪地质学与地貌学

式中: t 为所求古温度值(℃); T 为当地现今的年均气温(℃); δ 为研究剖面中某样品 n(Fe^{3 +})/n(Fe^{2 +})含量的比值与该剖面所有样品的平均值之差; m 为某个样品的 n(Fe^{3 +})/n(Fe^{2 +})含量的比值; M 为剖面所有样品含量的平均值; p 为所求的降雨量(mm); X 为全氧化铁含量(%)。

除计算古温度和古降水值外，还可依据氧化物含量计算当时地表的化学风化系数(如下面的公式)，该值越小，地表的风化强度越弱，表明气候越是干冷。

第四纪地质学与地貌学

2. 碳酸钙

在第四纪沉积物中，无论是陆相沉积，还是海洋沉积，碳酸钙(CaCO³)都是常见的盐类物质，但其含量变化很大，高的可达 60% ～70%，低的仅有百分之几，甚至不到 1%。沉积物中的 CaCO³有两种来源，一是沉积过程形成的，这部分 CaCO³为原生成分，对研究古气候非常重要; 另一部分是沉积物形成后由地下水带入形成的，为次生成分，它会影响古气候研究的精度，在分析过程中应将它排除，如沉积物中的一些方解石脉都是后期次生的。

对黄土和湖泊沉积物研究表明，CaCO³的含量受降水的影响比较明显，气候越是干旱，其含量越高，可以把 CaCO³含量升高作为气候向干冷变化的指标。

在海洋沉积物中，CaCO³的沉积受海洋环境和生物生产力的影响。在低纬度地区，随着冰期的到来，大气环流和洋流活动加强，海水中获得了更多营养物质的补给，生物的生产力增高了，因而沉积物中 CaCO³含量丰富。而在间冰期，海水温度随纬向梯度的降低而降低，洋流活动减弱，钙质溶解度增大，粘土沉积增加，因而 CaCO³含量降低。

3. 微量元素

第四纪沉积物中含有多种的微量元素，如 Cu、Zn、Mn、Ti、Pb、V、Sr、Rb、Ba、B、I等，在气候和生物的影响下，它们与介质进行交换，或富集，或扩散。生物的有机质对一些微量元素具有吸附作用，使土壤或沉积物中含量增加。而生物的繁盛与否又与气候有关，温暖湿润的气候条件下，植物茂盛，土壤和介质中有机质丰富，可造成微量元素富集，如 n(Rb)/n(Sr)的含量比值越高，气温越高; 反之，气温降低。