Физические свойства климата неизбежно проявляются в составе и строении поверхностных отложений и формах рельефа. Выше мы уже отмечали роль литоморфологического анализа морен в изучении гляциологических процессов. Кроме того, данные о составе и строении морен совершенно необходимы для их четкой диагностики, поскольку в горах встречается немало других отложений и форм рельефа, внешне сходных с ледниковыми. Много лет продолжается дискуссия о происхождении вала Тюбеле в долине реки Баксан или Башильского вала в долине реки Чегем на Северном Кавказе. В обоих случаях ставится вопрос: сель это или морена, тогда как единственно правильный ответ дал бы литологический анализ.
Известно также, что в верхней части долины реки Сакени в Абхазии обнаружена серия гряд, которые принимали за конечные морены. При исследовании их петрографический состав крупнообломочного материала оказался исключительно однородным и сходным с составом коренных пород близлежащих участков бортов трога. Концентрация мелкозема в грядах была крайне незначительной. В плановом отношении гряды постепенно расширялись от бортов трога к его осевой части. Таким образом, судя по морфологии гряд и характеру их отложений, вполне можно интерпретировать формы обвального происхождения, а не конечные морены. Заметим, что в условиях тектонически активного центральнокавказского высокогорья обвалы — довольно обычное явление.
Кроме таких материальных свидетельств пребывания ледников, как морены, следует особо выделить ленточные глины — осадки ледниково-подпрудных озер. Для диагностики холодного климата важно изучение многообразных ископаемых мерзлотных явлений: структурных грунтов, солифлюкционных отложений и др.
Косвенным индикатором приледниковых обстановок служат лёссы — пористые алевриты, которые, по мнению многих исследователей, были принесены ветрами, дувшими с ледников. На связь лёссов с оледенением впервые определенно указал видный русский геолог П. А. Тутковский.
Вполне понятна и роль стратиграфической информации, способствующей установлению последовательности событий ледниковой истории. Здесь большое значение приобретают остатки растений и животных, содержащиеся в межледниковых отложениях. Судить о климатах прошлого позволяют палеонтологические данные. Правда, при их интерпретации следует учитывать миграции организмов, возможность переотложения остатков и формирования так называемых смешанных комплексов флоры или фауны.
Для реконструкции истории оледенения очень часто привлекается спорово-пыльцевой анализ — метод, базирующийся на изучении внешних оболочек пыльцевых зерен и спор растений. Пыльца и споры производятся растениями в огромных количествах: из одной сережки орешника выпадает до 14 млн. пыльцевых зерен, а из одного растения щавеля — 400 млн. Эксперименты показали, что перенос этих крохотных частиц (размером от 10 до 150 мкм) ветром, текучими водами, насекомыми, птицами и даже пресноводными моллюсками осуществляется на небольшие расстояния, поэтому пыльцевой дождь для конкретной территории соответствует составу растительности. Пыльца и споры лучше всего сохраняются, когда нет доступа воздуха, например в торфе, озерных илах и глинах.
Надежность гляциоклиматических интерпретаций возрастает, когда изучение пыльцы и спор дополняется анализом крупных растительных остатков: плодов, семян, коры деревьев и т. д. В последние десятилетия исследуются остатки жуков, прежде всего их надкрылья, которые тоже нередко встречаются в озерных и болотных отложениях.
Специалистов всегда интересовал вопрос об абсолютном возрасте древних оледенений. Принципиальная возможность датировать геологические события появилась благодаря успехам физики и химии в области радиоактивного распада и установлению закономерностей миграции отдельных элементов и их изотопов в природных системах.
Датировать четвертичные оледенения помогают две группы методов. Одна из них основывается на определении содержания изотопов в исследуемых породах, другая — на анализе распределения изотопов природных рядов урана, актиноурана и тория. К последней группе, в частности, относится калий-аргоновый метод, который позволил вычислить возраст кайнозойского оледенения Антарктиды.
Важный вклад в изучение самых молодых оледенений внес радиоуглеродный метод, отличающийся высокой точностью. Сфера его применения в основном охватывает последние 50 тыс. лет.
Методы датирования часто применяются в различных комбинациях. В частности, перспективным оказалось сочетание калий-аргоновых датировок с анализом изменений магнитного поля Земли. Это дало возможность наметить важные вехи в истории ледникового периода, или плейстоцена.