科學家們通過對深海沉積物中深水底棲有孔蟲殼的氧同位素分析，發現3800萬年前的始新世末期時海洋底層水溫驟然下降了4~5℃，表層水溫也大幅度下降。當時，冷水占據了大洋的深層，南極底層水開始形成，溫度和鹽度驅動的大洋環流也開始出現，海底侵蝕作用加強，沉積間斷廣泛出現。南極大陸周圍海洋麵發生大規模冰凍，形成數量可觀的海冰，海底接受了大量冰載沉積物。南極大陸局部地區已有冰川出現。
海水溫度驟降，使得深海底浮遊生物蒙受沉重打擊，浮遊微生物大批滅絕或衰減，以至在這以後的一個時期裏，海洋中呈現出生物貧乏、屬種單調的荒蕪局麵。陸上植物也受到明顯影響，北半球中高緯度地區的常綠林被落葉林所取代。3800萬年前的驟冷，是新生代氣候變冷中的第一個重大事件，它為新生代晚期大冰期的出現奠定了基礎。
是什麼造成海洋底層水溫驟然下降的？有的科學家認為，這是始新世末期的海退的結果。這一時期的海退已在墨西哥灣沿岸、歐洲和澳大利亞一些地區發現。海水退落導致淺海大陸架露出水麵，這就增加了海水對陽光的反射率，使氣候變冷。氣候變冷又會導致海麵進一步退落，使氣候更加變冷。南極洲局部地區及周圍海域為冰雪所覆蓋，也會導致反射率增加，反射率增加引起的氣候變冷又會使冰雪覆蓋麵積進一步增大。由於海水變冷，冷水沉潛至海洋深處，致使海水中二氧化碳的溶解度升高，海水將從大氣中吸收二氧化碳，從而削弱大氣中二氧化碳的溫室效應，使氣候進一步變冷。這幾種反饋作用可能有力地加劇了氣候的變冷進程。
不過有人提出：海溫驟降等現象的發生不限於始新世末期。但是，為什麼這一時期海溫的急劇變冷會顯得如此不同尋常？
美國學者肯尼特注意到，澳大利亞曾於5300萬年前與南極洲分裂，至始新世末期，塔斯馬尼亞南麵的南塔斯曼隆起，與南極大陸進一步分開，塔斯馬尼亞海道形成，南印度洋與南太平洋之間第一次出現表層水交流，南印度洋高緯海域的寒冷表層水得以通過塔斯馬尼亞海道注入南極羅斯海域，冷水取代了以往來自北麵的東澳大利亞暖流，從而觸發了南極地區的冰凍。海冰形成，使得冰下剩餘的海水鹽度升高，鹽度較高的冷水勢必向下沉潛，形成寒冷的底層水，致使海水溫度急劇降低。
還有的科學家從其他方麵解釋海溫驟然降低的原因，其說法不一，至今還不能有一個定論。