[Seiboldら、1986を参照した。]
海底堆積物は陸上に比べて侵食されることが少なく、特に深海の陸から遠い ところでは堆積速度がおそいために、ボーリング(掘削)によるコアの比較 的短い長さに、長期間の環境変動が連続的に記録されていると期待される。 ただし海洋底拡大・沈み込みのため、2億年以上はさかのぼれない。また、 底生生物によってかきまぜられることや、深海底の半分程度の地域では炭酸 カルシウムが溶解することなどにより、記録の解釈がむずかしくなることも ある。陸から遠い深海底の堆積物を構成しているのは、主として生物の殻で ある。例をあげると、炭酸カルシウムを主成分とする殻を作る生物として、 有孔虫(動物)、コッコリスフォリッド(植物)、珪酸を主成分とする殻を 作る生物として、珪藻(植物)、放散虫(動物)などがある。これらの多く は海の表面近くに浮遊するもの(プランクトン)であるが、有孔虫などには 底にすむもの(ベントス)もある。これらの生物化石の種類が一つの情報源 であり、それの安定同位体の構成比がもう一つの情報源となる。
有孔虫なら有孔虫と一口に言っても、生物分類の「属」や「種」のレベルで は多様な種類を含んでおり、それぞれが温度、塩分などの違った環境に適応 している。この関係を逆に使って、生物化石群集中の種の構成比から、温度、 塩分などの環境要素を推定することができる。第四紀のものだと、種のほと んどが現在生きているものなので、現在の生息環境で較正することができる。 このような古環境の研究は古くから行われているが、Imbrieらは、因子分析 という多変量統計学の方法で、水温などの推定値を客観的(他の人でも同じ 手順に従えば同じ結果を再現できるという意味)に出すことに成功した。
同位体としては酸素18が多く使われている。これはふつうの酸素原子 (酸素16)よりも重いので、蒸発が起きているときは、蒸気のほうに は少なく、液体の水のほうに多くなる傾向がある。ただし、この質量分別は、 温度が高くなるにしたがって無差別になっていく。大陸氷床は固体ではある が、いったん海から蒸発した水が雪となって降ったものと考えられるから、 氷期(氷床の総質量が多かった時期)には、海水には重い酸素18が多く、 間氷期には少なかったはずである。過去の海水は残っていないので、実際に 測定されている海底コアの酸素同位体比は有孔虫などの殻の炭酸カルシウム を分析したものである。生物が殻をつくる過程で海水から炭酸カルシウムを 沈殿させるときも、質量分別が起こる。その程度は温度、塩分および生物の 種類に依存し、実験で測定することができる。かつては、海底堆積物のコア に含まれる化石の酸素同位体比の変動は、海水の温度の変動がこの沈殿反応 の分別過程を通じて現われたものだと考えられたこともあった。しかし、 定量的な見積もりをしてみると、第四紀に関しては、氷床と海水の分配の 効果のほうが、その場の温度の効果よりも大きく効いており、酸素同位体比 の時系列は、全世界の氷の量の指標であるという考えが、現在では常識で ある。ただし、時系列の細かい違いから、温度の情報も取り出せるという 考えもある(一例が Broecker and Denton, 1989にある)。
なお、酸素同位体比は、ふつう
δ18O(‰)＝
(サンプルの[18O] / [16O]) - (標準海水の[18O] / [16O])
--------------------------------------------------------------------
(標準海水の[18O] / [16O])
× 1000
という形で表示される。