Paleoģeogrāfijas galvenais uzdevums ir rekonstruēt fiziski ģeogrāfiskos dabas apstākļu

kontinentu, okeānu un kalnu grēdu novietojumu un to izmaiņu dinamiku ģeoloģiskajā pagātnē. Citu zinātņu nozaru iegūtie dati ir pamats paleoģeogrāfiskajām rekonstrukcijām, piemēram, paleoekoloģija (pēta augu un dzīvnieku populāciju un ekosistēmu izmaiņas pagātnē), paleontoloģija (pēta aizvēsturiskos organismus), paleoklimatoloģija (pēta pagātnes klimatu), ģeomorfoloģija (pēta reljefa formas un to uzbūvi), stratigrāfija (pēta iežu slāņu struktūru un uzbūvi), ģeoķīmija (pēta ķīmiskos procesus un ar tiem saistītās likumsakarības pagātnē) un ģeofizika (pēta ar Zemi saistītos fizikālos parametrus un procesus).

Pētot ģeoloģisko vēsturi, var iegūt informāciju, kā, mainoties vides apstākļiem, reaģē citi parametri. Pagātnes procesi atspoguļo ilgtermiņa evolūciju, ko nav iespējams atkārtot vai novērot pat vairāku paaudžu laikā. Paleovides apstākļu un kontinentu izvietojumu rekonstrukcijas tiek izmantotas, lai rekonstruētu Zemes evolūciju un prognozētu potenciālo derīgo izrakteņu iegulu atrašanos un izplatību. Liela uzmanība tiek veltīta paleotemperatūru un paleoekosistēmu rekonstrukcijām, jo tās ir pamats nākotnes klimata (okeānu ūdens līmeņa un gaisa temperatūru izmaiņas u. c.) un ekosistēmu izmaiņu prognozēm.

Pagātnes vides rekonstruēšana balstās uz netiešiem novērojumiem jeb liecībām - nogulumu, iežu un fosiliju pētījumiem. Liecību datos iespējamas neprecizitātes, piemēram, fosilijas vienmēr saglabājas selektīvi, tādēļ tās sniedz nepilnīgu ainu par pagātnes sugu populāciju izplatību, līdz ar to arī par vides apstākļiem, kādos tās dzīvojušas. Neskatoties uz datu trūkumu, tās sniedz pietiekami vispārīgu priekšstatu par laiku, par kuru citādi nevarētu uzzināt. Pirmās rekonstrukcijas par kontinentu un okeānu attiecībām, novietojumu un tektonisko plātņu dreifu ģeoloģiskajā pagātnē tika veiktas, salīdzinot atrastās fosilijas un iežus dažādās pasaules vietās. Būtiska nozīme tektonisko plātņu rekonstrukcijās ir arī paleomagnētismam. Ieži veidošanās laikā saglabā Zemes magnētiskā lauka orientāciju, un, tā kā šis lauks var mainīt savu polaritāti, tad, salīdzinot iežu magnētiskās anomālijas, var noteikt kontinentu paleoplatumu un paleomeridiānu virzienu.

Rekonstrukciju pamatā galvenokārt ir uniformisms jeb uzskats, ka sugu izplatība, vides apstākļi, nogulumi un to veidošanās procesi mūsdienās notiek tāpat kā pagātnē. Piemēram, mūsdienās koraļļu rifi okeānos un jūrās izveidojas tikai vietās, kur ūdens temperatūra ir augstāka par +20 °C, bet sāļums lielāks par 30 ‰, un dzīvi rifu koraļļi sastopami tikai līdz 50 m dziļumam. Koraļļu fosilijas Latvijas centrālajā un austrumu daļā esošajos Daugavas svītas dolomītos norāda, ka kādreiz šajā teritorijā bijusi silta un sekla jūra. Balstoties uz vairākiem šāda veida analogiem, var rekonstruēt Latvijas teritorijas novietojumu devonā (419–359 miljoni gadu), kas liecina, ka tā atradusies tuvu ekvatoram.

No paleoģeogrāfiskā viedokļa visaktīvāk tiek pētīts periods, kurā pašreiz dzīvojam, – kvartārs. Starptautiskā Stratigrāfijas komisija (International Commission on Stratigraphy, ICS) definējusi, ka kvartārs ir laika posms no 2,58 miljoniem gadu līdz mūsdienām. Šim laika posmam raksturīgi regulāri leduslaikmeta un starpledus laikmeta cikli un ar tiem saistītās sekas. Cikliskas orbitālā rakstura, jūras straumju un līmeņu, gaisa atmosfēras izmaiņas un kontinentu izvietojums nosaka leduslaikmeta atkārtošanās regularitāti. Cikliski orbitālie pārkārtojumi laika gaitā nosaka arī Zemes saņemtās Saules radiācijas daudzumu, kas dažādos ģeogrāfiskajos platumos aršķiras. Skābekļa izotopu mērījumi liecina, ka cikliskumam raksturīga strauja klimata pasiltināšanās (starpledus laikmets jeb interglaciāls) un pakāpeniska atdzišana, līdz izveidojas jauns apledojums (leduslaikmets jeb glaciāls). Ledāju uzvirzīšanās un atvirzīšanās atstāj tiešas liecības to teritoriju reljefā, kuras ir pakļautas apledojumam. Pētot un kartējot šīs pazīmes, tiek rekonstruēta apledojumu maksimālā izplatība, deglaciācija un ar to saistītie procesi (ledāju atkāpšanās/kušana, hidrogrāfisko tīklu dinamika, kāpu veidošanās un citi).

Paleovides rekonstruēšanā liela nozīme ir iegūto datu izšķirtspējai, pārklājumam un ticamībai. Konkrētā nogulumu slāņa, iežu vai fosilijas vecuma noteikšana jeb datēšana ir būtisks jautājums, jo bez tās nevar rekonstruēt precīzu paleovidi.

Līdz 20. gs. 50. gadiem galvenokārt lietoja litostratigrāfijas salīdzināšanas metodi – salīdzināja konkrētus nogulumus vienā teritorijā ar citā teritorijā esošajiem nogulumiem. Piemēram, zviedru zinātnieks Lenarts fon Posts (Ernst Jakob Lennart von Post) 1916. gadā atklāja putekšņu metodi, ar kuras palīdzību varēja izveidot pēcledus laikmeta (holocēna) stratigrāfiju purviem. Plašas korelācijas tika veiktas arī ar Blita-Sernandera shēmu, kuru izveidoja norvēģu zinātnieks Aksels Blits (Axel Gudbrand Blytt) un pilnveidoja zviedru zinātnieks Rutgers Sernanders (Johan Rutger Sernander). Shēmas izveides pamatā bija A. Blita, R. Sernandera un L. fon Posta putekšņu pētījumi un atzinums, ka divi koku slāņi purvos norāda uz sausiem apstākļiem (boreālais un subboreālais periods), bet kūdra – uz mitriem klimatiskiem apstākļiem (atlantiskais un subatlantiskais periods). Šis bija pamats holocēna stratigrāfijai lielākajā Eiropas daļā un arī Krievijā. Vēlākie pētījumi pierādīja, ka koku slāņu izplatība purvos ir fragmentāra un to skaits var būt mainīgs, bet putekšņu tipi un proporcijas katrā reģionā var būt dažādas, tādējādi tieša nogulumu korelēšana pēc šīs shēmas ir neprecīza. Turklāt ir noskaidrots, ka Ziemeļeiropā holocēna sākumā (11650–8000 gadi) klimats bija vēss un mitrs, vidus holocēnā (8000–4000 gadi) – silts un sauss, bet vēlajā holocēnā (pēdējie 4000 gadi) dominēja vēss un mitrs klimats. Līdz ar radioaktīvā oglekļa (¹⁴C) datēšanas metodes atklāšanu, ar kuru nosaka organisko vielu saturošu objektu absolūto vecumu, Blita-Sernandera shēma zaudēja savu aktualitāti. Mūsdienās ir attīstītas dažādas datēšanas metodes, kuru lietojumu galvenokārt nosaka nogulumu, iežu un fosiliju tips un nosakāmais vecums. 

Metodes, ar kurām iespējams aprēķināt un noteikt nogulumu, iežu un fosiliju vecumu, dēvē par absolūtām datēšanas metodēm, bet metodes, kuras norāda aptuveno notikumu vai vides izmaiņu laiku bez konkrētiem gadu aprēķiniem, sauc par relatīvām datēšanas metodēm. Neviena absolūtā datēšanas metode nesniedz pilnīgi precīzu gadu aprēķinu. Piemēram, Zemes vecums ir noteikts, datējot uz Zemes atrastos meteorītus ar urāna-svina (U-Pb) datēšanas metodi. Tā norāda, ka Zeme ir vismaz 4,54 (ar kļūdu ±10⁹ gadi) miljardus gadu veca. Savukārt pleistocēna un holocēna robeža ir noteikta 11 650 (ar kļūdu ±99 gadi) gadi, kas datēta, izmantojot Grenlandes ledāja gadskārtu hronoloģiju. Precīzākas datēšanas metodes ir tieši gadskārtu datēšanas metodes – dendrohronoloģiju (pēta koku gadskārtas), varvju hronoloģiju (pēta laminētus jeb slāņotus okeānu/jūru sapropeļu un ezeru gitijas nogulumus) un ledāju gadskārtu hronoloģiju. Datēšanā nozīmīga ir tefrohronoloģija (pēta vulkānu izvirdumus pagātnē – vulkānisko stiklu/pelnu jeb tefras pētījumi), ko lieto saistībā ar paleoklimatiskiem un paleoekoloģiskiem notikumiem kā hronoloģiskos marķierus. Izmantojot dažādas datēšanas metodes, vides izmaiņas telpā tiek attēlotas cilvēkiem saprotamā laika skalā, izdalot un precizējot Zemes attīstības laika posmus.

Kopš organiskās pasaules evolūcijas baktērijas, augi un dzīvie organismi ir nozīmīgi paleovides indikatori. Pirmie augi, kuri kolonizēja sauszemi kopš paleozoja vidus, aptuveni pirms 470 miljoniem gadu, veicināja skābekļa koncentrācijas palielināšanos atmosfērā. Pašreizējais atmosfēras sastāvs ir pielīdzināms tam, kāds eksistēja pirms apmēram 420–400 miljoniem gadu, līdz ar to arī eksistēja līdzīgi ekosistēmu pamatkomponenti. Piemēram, vairums fosiliju pārstāv mūsdienu sugas un ir atrodamas dažādās Zemes vietās, kas ļauj veikt vides apstākļu rekonstrukcijas, kā arī pētīt ekoloģijas/paleoekoloģijas principus laikā un telpā.

Divas nozīmīgas metodes, kas tiek izmantotas paleovides un paleoainavas rekonstruēšanā, ir putekšņu analīze un augu makroatlieku analīze. Augi savā dzīves ciklā izdala daudz putekšņu vai sporu, no kurām lielākā daļa nogulsnējas uz sauszemes vai ūdenī. Noteiktos labvēlīgos apstākļos (pārsvarā anairobos jeb bezskābekļa vides apstākļos) putekšņi un sporas (arī sēņu sporas) spēj saglabāties pat tūkstošiem un miljoniem gadu. Līdzīgi ir arī ar augu makroatliekām. Tomēr pastāv nozīmīgas atšķirības, kas jāņem vērā, lietojot šīs metodes paleovides rekonstrukcijās. Pirmkārt, katrs augs izdala dažādu putekšņu daudzumu, kuru izkliede vidē atkarīga no klimatiskajiem un ainavas topogrāfiskajiem aspektiem. Otrkārt, pētāmās vietas platība un veids (mitra ieplaka mežā, purvs, ezers, jūra u. c.) nosaka, kāda informācija tiks iegūta – lokāla, ekstra lokāla vai reģionāla.

Treškārt, kamēr augu makroatliekas norāda uz lokālu auga esamību, putekšņi norāda uz augu esamību lokālā–reģionālā līmenī. Ceturtkārt, putekšņi un augu makroatliekas nesaglabājās pilnībā, tādēļ tās sniedz selektīvu informāciju par kādreizējo augu esamību ainavā, bet vienlaicīgi papildina viena otru.

Līdz ar pirmajām hipotēzēm un publikācijām par dabas attīstību un Zemes virsas mainīgumu laikā tika likti pamati ģeoloģijai un līdz ar to arī paleovides rekonstruēšanai. Skotu ģeologs Džeimss Hatons (James Hutton) publikācijā “Zemes teorija” (Theory of the Earth, 1785) norādīja, ka Zemei ir sena vēsture un ka Zemes veidošanās procesi mūsdienās ir pielīdzināmi pagātnes procesiem. Angļu ģeologs Čārlzs Laiels (Charles Lyell) publikāciju sērijā “Ģeoloģijas pamati” (Principles of Geology, 1830–1833) aprakstīja Zemes virsmas izmaiņas un līdzīgi Dž. Hatonam norādīja, ka mūsdienās novērojamie procesi ir pielīdzināmi pagātnes procesiem. Tādējādi Dž. Hatons un Č. Laeils lika pamatus uniformismam. Šveiciešu un amerikāņu biologs un ģeologs Luijs Agasi (Jean Louis Rodolphe Agassiz) bija viens no pirmajiem zinātniekiem, kurš monogrāfijā “Ledāju pētījumi” (Études sur les glaciers, 1840) norādīja, ka uz Zemes bijuši vairākkārtēji apledojumi. Tieši viņš ir viens no nozīmīgākajiem glacioloģijas pamatlicējiem. Vācu dabaszinātnieka Aleksandra fon Humbolta (Friedrich Wilhelm Heinrich Alexander von Humboldt) darbs “Kosmoss” (Kosmos, 1844–1845) uzskatāms par holistiskās pasaules uztveres pirmsākumu, kurā autors skaidro uz Zemes noritošos procesus vienotā veselumā – viss ir savstarpēji saistīts. Viņa darbi iedvesmoja angļu dabaszinātnieku Čārlzu Darvinu (Charles Robert Darwin), kurš vēlāk publicēja slaveno monogrāfiju “Sugu izcelšanās” (On the Origin of Species, 1859), kurā apraksta savu skatījumu uz organiskās pasaules evolūciju, kas ir aktuāla arī mūsdienās. Vācu polārpētnieks Alfrēds Vēgeners (Alfred Lothar Wegener) darbā “Kontinentu dreifs” (Die Entstehung der Kontinente, 1912) pierādīja, ka kontinenti kādreiz bijuši vienoti, bet Zemes tektonisko plātņu kustību rezultātā tie mainījuši savas pozīcijas.

Mūsdienās veģetācijas lokālpētījumi samazinās, bet pieaug kvantitatīvie pētījumi, kuri spēj parādīt reģionālo ekosistēmu attīstības dinamiku, dzīvnieku un augu funkcionālās un filoģenētiskās izmaiņas pagātnē. Lokālpētījumu dati, piemēram, putekšņu rezultāti, var tikt prezentēti dažādos veidos, klasiski tā ir putekšņu diagramma. Vieglāk saprotamas, bet sarežģītāk sastādāmas ir sugu izplatību kartes, kurām nepieciešams liels punktveida (lokālpētījumu) datu apjoms. Šādi tiek analizētas reģionālās sugu migrācijas un fiksētas ekosistēmu izmaiņas laikā un telpā. Svarīgi, ka putekšņu procentuālais sastāvs norāda tikai uz sugu savstarpējām attiecībām konkrētā ainavā, kas nozīmē, ka, samazinoties vienai sugai, proporcionāli palielināsies cita suga. Savukārt putekšņu koncentrācija un uzkrāšanās daudzums ir no sugu proporcijām neatkarīgi lielumi un parāda veģetācijas produktivitāti un pat biomasas izmaiņas, ko ietekmē savstarpējā augu konkurence, konkrētā areāla augšņu īpašības, topogrāfija un klimata parametri.

Pastiprināti pētījumi tiek veikti saistībā ar paleoklimata rekonstruēšanu un modelēšanu, iegūstot sākuma datus nākotnes klimata prognožu modelēšanai. Paleotemperatūras var tikt rekonstruētas, izmantojot augu un dzīvnieku fosilijas un ģeoķīmisko un izotopu elementu mērījumus no ezeru un jūru nogulumiem. Katrai sugai ir savi tolerances apstākļi, kādos tie aug. Temperatūru rekonstrukciju pamatā ir references kompozīcija no mūsdienām, piemēram, putekšņu gadījumā virsējiem ezeru nogulumiem tiek noteikts putekšņu sastāvs. Izveidojot plašu datu tīklu (training-set) ar mazu līdz vidēji lielu ezeru augšējo nogulumu putekšņu kompozīciju un lietojot specifiskas matemātiskās pārveides un kalibrācijas funkcijas attiecībā pret klimata parametriem un analizēto nogulumu putekšņu kompozīciju, tiek iegūta temperatūras rekonstrukcija (gada vidējā, vasaras un ziemas temperatūra). Temperatūras rekonstrukcijas, kas balstās uz putekšņu izpēti, liecina, ka Latvijā viszemākā gaisa temperatūra bija leduslaikmeta beigās, bet augstākā – holocēnā, tā saucamā holocēna termālā maksimuma laikā.  

Pēdējo 15000 gadu laikā ir zināmi vismaz trīs globāli izteikti pavēsināšanās notikumi, no kuriem divi (vēlais driass un 8200. notikums) skāruši arī Latvijas teritoriju. Šie notikumi saistīti ar Ziemeļamerikas Labrenča ledus vairoga kušanas ūdeņu strauju noplūdi uz Atlantijas okeānu, izraisot Golfa straumes pasaldināšanos un pavēsināšanos, kas veicināja atmosfēras cirkulācijas izmaiņas un klimata pavēsināšanos Eiropā.

Pasaulē nozīmīgākie zinātnes centri, kuros tiek veikti pētījumi paleoģeogrāfijā, ir Londonas Universitātes koledža (University College London, Lielbritānija), Potsdamas Vācu dabaszinātņu pētījumu centrs (Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum, GFZ, Vācija), Orhūsas Universitāte (Aarhus University, Dānija), Amerikas Savienoto Valstu (ASV) Ģeoloģijas dienests (United States Geological Survey, USGS) un Kalifornijas Tehnoloģiju Institūts (California Institute of Technology, ASV).

Geology (The Geological Society of America, kopš 1973. gada), GFF (Taylor & Francis, kopš 1872. gada), Global Ecology and Biogeography (John Wiley & Sons Ltd, kopš 1991. gada), Journal of Biogeography (John Wiley & Sons Ltd, kopš 1974. gada), Nature (Nature Publishing Group, kopš 1869. gada), Nature Geoscience (Nature Publishing Group, kopš 2008. gada), Quaternary Science Reviews (Elsevier, kopš 1982. gada), Journal of Paleolimnology (Springer, kopš 1988. gada), Palaeogeography Palaeoclimatology Palaeoecology (Elsevier, kopš 1965. gada) un citi.

Paleoģeogrāfijas izveidi un attīstību būtiski sekmējusi dažādu nozaru zinātnieku un pētnieku darbība. Tās attīstībā nozīmīgu ieguldījumu devuši A. fon Humbolts, L. fon Posts, Č. Laiels, Č. Darvins, Dž. Hatons, kā arī viens no ģeoloģijas un paleontoloģijas pamatlicējiem angļu zinātnieks Viljams Smits (William Smith) un skotu izcelsmes amerikāņu zinātnieks Viljams Maklūrs (William Maclure), kurš izveidoja pirmo ASV ģeoloģisko karti; dendrohronoloģijas pamatlicēji – amerikāņu astronoms Endrū Duglass (Andrew Ellicott Douglass), kurš atklāja saistību starp koku gadskārtām un Saules plankumu cikliem, un vācu botāniķis Bruno Hūbers (Bruno Huber), kurš pirmais uzsāka koku gadskārtu datēšanas pētījumus Eiropā; (paleo-) klimatoloģijas pamatlicēji – vācu zinātnieks Helmuts Landsbergs (Helmut Erich Landsberg), kurš pētīja gaisa piesārņojumu un tā ietekmi uz cilvēku veselību un viens no pirmajiem sāka lietot statistiskās analīzes klimatoloģijas pētījumos; zviedru zinātnieks Gunārs Andersons (Gunnar Andersson), izmantojot augu makroatliekas, veica pirmās kvantitatīvās paleotemperatūru rekonstrukcijas; franču matemātiķis un fiziķis Žozefs Furjē (Jean Baptiste Joseph Fourier) pirmais definēja “siltumnīcas” efektu un intensīvi pētīja siltuma vadīšanas procesus; serbu ģeofiziķis Milutins Milankovičs (Милутин Миланковић) aprēķināja Zemes orbītas izmaiņu ciklus; radioaktīvā oglekļa datēšanas metodes izstrādātājs ir amerikāņu fizikālķīmiķis Vilārds Lībijs (Willard Frank Libby), kurš par šo atklājumu 1960. gadā saņēma Nobela prēmiju ķīmijā; paleomagnētisma pamatlicējs franču ģeofiziķis Bernārs Brins (Antoine Joseph Betnard Brunhes) atklāja ģeomagnētisko mainību; šveiciešu meteorologs un glaciologs Pauls Luis Merkantons (Paul Louis Mercanton) bija pirmais, kurš šķērsoja Grenalndi virzienā no rietumiem uz austrumiem un ekspedīcijas laikā ieguva liecību par stabilu rietumvēju plūsmu troposfērā; japāņu ģeofiziķis Motonori Matujama (松山 基範, Motonori Matuyama) pierādīja, ka Zemes magnētiskais lauks pagātnē ir mainījis savu polariāti; angļu fiziķis Patriks Blekets (Patrick Maynard Stuart Blackett) teorētiski un praktiski pierādīja Zemes magnētiskā lauka mainību un definēja tā galvenās sastāvdaļas, kas tālāk zinātniski pamatoja “kontinentu dreifu”. P. Blekets par savu ieguldījumu zinātnē 1948. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā.