科学家们通过对深海沉积物中深水底栖有孔虫壳的氧同位素分析，发现3800万年前的始新世末期时海洋底层水温骤然下降了4~5℃，表层水温也大幅度下降。当时，冷水占据了大洋的深层，南极底层水开始形成，温度和盐度驱动的大洋环流也开始出现，海底侵蚀作用加强，沉积间断广泛出现。南极大陆周围海洋面发生大规模冰冻，形成数量可观的海冰，海底接受了大量冰载沉积物。南极大陆局部地区已有冰川出现。
海水温度骤降，使得深海底浮游生物蒙受沉重打击，浮游微生物大批灭绝或衰减，以至在这以后的一个时期里，海洋中呈现出生物贫乏、属种单调的荒芜局面。陆上植物也受到明显影响，北半球中高纬度地区的常绿林被落叶林所取代。3800万年前的骤冷，是新生代气候变冷中的第一个重大事件，它为新生代晚期大冰期的出现奠定了基础。
是什么造成海洋底层水温骤然下降的？有的科学家认为，这是始新世末期的海退的结果。这一时期的海退已在墨西哥湾沿岸、欧洲和澳大利亚一些地区发现。海水退落导致浅海大陆架露出水面，这就增加了海水对阳光的反射率，使气候变冷。气候变冷又会导致海面进一步退落，使气候更加变冷。南极洲局部地区及周围海域为冰雪所覆盖，也会导致反射率增加，反射率增加引起的气候变冷又会使冰雪覆盖面积进一步增大。由于海水变冷，冷水沉潜至海洋深处，致使海水中二氧化碳的溶解度升高，海水将从大气中吸收二氧化碳，从而削弱大气中二氧化碳的温室效应，使气候进一步变冷。这几种反馈作用可能有力地加剧了气候的变冷进程。
不过有人提出：海温骤降等现象的发生不限于始新世末期。但是，为什么这一时期海温的急剧变冷会显得如此不同寻常？
美国学者肯尼特注意到，澳大利亚曾于5300万年前与南极洲分裂，至始新世末期，塔斯马尼亚南面的南塔斯曼隆起，与南极大陆进一步分开，塔斯马尼亚海道形成，南印度洋与南太平洋之间第一次出现表层水交流，南印度洋高纬海域的寒冷表层水得以通过塔斯马尼亚海道注入南极罗斯海域，冷水取代了以往来自北面的东澳大利亚暖流，从而触发了南极地区的冰冻。海冰形成，使得冰下剩余的海水盐度升高，盐度较高的冷水势必向下沉潜，形成寒冷的底层水，致使海水温度急剧降低。
还有的科学家从其他方面解释海温骤然降低的原因，其说法不一，至今还不能有一个定论。