近几十年来，同位素地球化学指标在第四纪古气候研究中被广泛应用，取得了良好的效果。目前常用于气候研究的元素有氧、碳和氢。
图 11-5 瑞利分馏过程与向陆地 δ18O 降低示意图(据 White，2000)
1. 氧同位素
在自然界，氧有三种稳定同位素，即16O、17O 和18O， 它们 的 含 量 分 别 为99. 763% 、0. 03729% 和 0. 19959% 。通常以 n(18O)/ n(16O)含量比值表示氧同位素的组成。但它们在大气、水、有机质等介质中的同位素组成不同，以有机质的最丰富(2. 1 × 10－ 3)，河水最低(1. 98 × 10－ 3)。观 测 和研究 表 明，氧同位素的分馏，除与水温有关外，还与蒸发、凝聚、结晶、溶解等物理-化学过程有关。在水体的蒸发过程中，16O比18O 更易进入大气，而使水体中的18O富集; 而在降雨过程中，18O 比16O 易于凝聚成水滴而降落。从海面蒸发的水蒸气，在向陆方向运动过程中不断发生水蒸气凝结而作为雨水降落，使水蒸气的16O 富集(图 11-5)，而降落到陆地上的水的同位素组成较海洋上的降水偏轻。在冰期时，陆地上的一些降水以冰川的形式保存在陆地上而不能回到海洋，从而引起海水的氧同位素构成发生变化。因此，由于分馏作用，在不同的气候条件下，表层海水、水蒸气和陆地水中的氧同位素的构成是不同的。
在海洋环境中，由于气候变化，引起水体中氧同位素构成发生变化，而这种变化又被生活在海水中一些微体生物(如有孔虫)的钙质壳体记录下来。当这些微体生物死亡后，它们的壳体沉积到海底，并保存在沉积物中。只要我们分析沉积物中有孔虫壳体的氧同位素比值变化就可以恢复当时的海水温度。经过对17O 校正后，用同位素相对比率法表示试样的氧同位素组成，其公式如下:
第四纪地质学与地貌学
氧同位素的标准有两个，一是平均海洋水(SMOW)，其定义是 δ18O = 0; 另一是用美国北卡罗莱纳州白垩纪 Pee Dee 组箭石(Belemnites)化石的 δ18O，记为 δ18O(PDB)，若用该化石的13C 作为13C 研究标准，则记为 δ13C(PDB)。这两个氧同位素标准的关系为:
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δ18O 单位为 ，在海水中变化很小，海水温度 1℃ 的变化可引起 δ18O 值的 0. 25 变化。研究还表明，δ18O 值升高，海水温度降低，而 δ18O 值降低，海水温度则升高。1955 年，艾米里亚尼(Emilliani)分析了加勒比海一钻孔岩心有孔虫壳体的 δ18O 值，得到一条曲线(图 11－ 6)，发现曲线具有明显的波动规律。根据曲线波动特点，从现今向前依次划分出若干阶段，并用 1、2、3……表示。δ18O 低值阶段用奇数表示，而高值阶段用偶数表示。也就是说，奇数代表温暖气候阶段，而偶数代表寒冷气候时期。后来有不少学者对各大洋深海岩心做了大量研究，支持了艾米里亚尼的结果，而且研究工作更为细致，测出第四纪以来的氧同位素值的变化(图 11-7)。研究还发现，深海沉积物中的 δ18O 从高值到低值的变率大，而从低值到高值的变率小，也就是说全球的升温很快，而降温过程比较缓慢。在海洋中，沉积物微体化石壳体的δ18O 值与气温为负相关。
图 11-6 加勒比海 A179-4 孔氧同位素曲线(据 Emilliani，1955)
图 11-7 第四纪时期北大西洋DSDP607 站深海钻孔氧同位素曲线(据 Raymo 等，1989)
对极地或高山冰川的冰心样研究表明，δ18O 值也有明显的波动特征，与深海岩心所不同的是: δ18O 值升高指示气温升高，而δ18O 值降低指示气温降低，与深海岩心样的氧同位素值变化恰好相反，这是由于氧同位素的分馏过程导致的。因此，在冰心中δ18O 值与气温为正相关。
除了对海洋沉积物和冰芯研究以外，还对哺乳动物化石、树木年轮、石笋以及沉积物中碳酸盐的氧同位素进行研究，也取得了良好的效果，具有气候指示意义。如利用树木年轮纤维素中的δ18O 计算气温(T)(℃ )，其公式如下:
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这一地区降雨中的 δ18O 值与气温(T)的关系如下:
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2. 碳同位素
碳也有两种稳定同位素13C 和12C，它们的含量比值n(13C)/n(12C)变化也能指示气候变化。在第四纪沉积物中，有两种碳，即有机碳和无机碳。有机碳主要由生物体形成，如陆地和水体中的植物和动物，但植物是主要的。无机碳主要是沉积物中的碳酸盐类或一些生物壳体的碳酸盐。这两者都可作为气候指标。
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研究表明，在生物体中碳同位素构成与生物种类有关，如C4(碳四植物，主要是草本植物，并喜干热)的 δ13C 值较高，而 C3 植物(碳三植物，主要是木本植物，喜暖湿)的 δ13C 值较低。总体来说，沉积物中有机质 δ13C 值升高表明气候变干和变暖，而 δ13C 值降低表明气候变湿润和变凉(图 11-8)。另外，有些学者根据哺乳动物牙齿的碳同位素研究动物的食性，动物食性的改变与植物类型变化相关，并与气候变化相关联。
在无机碳同位素研究方面，对黄土、红粘土和土壤做的工作较多，δ13C 值比有机质的 δ13C值要高得多。总体变化特点是: δ13C 低值对应于温暖湿润气候，而 δ13C 高值与干冷气候对应。韩家懋等(1995)根据前人和本人的资料，推导出土壤碳酸盐的 δ13C 值与年均气温和降水量的关系式:
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式中的 x 为土壤形成时的 “干燥度”，以年平均气温与年平均降水量的比值表示。
3. 氢同位素
各种物质的氢同位素用 δD()表示，主要是分析树木消化纤维中的与碳原子(CH)结合的同位素，而不是与氧原子结合的 OH 键上的氢，因为后者很不稳定。研究表明，树木硝化纤维中的 δD 值与当地的降水量、湿度和植物生长季节的平均温度有关，特别是 δD 值对降水量最敏感。降水量越大，δD 值就越小; 反之亦然。还可通过经验公式计算总降水量(P)和植物生长季节的平均气温(T)，Ramesh 建立了一个经验公式:
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