深海碳同位素记录反映的是海洋乃至地球表层系统中碳生物地球化学循环的历史。①海洋的溶解无机碳系统是能够在年-百年时间尺度上调控大气二氧化碳（CO₂）的最大碳储库，其δ¹³C的变化是海气交换、海洋环流和海陆碳循环的综合反映。表层海水δ¹³C的变化主要受海洋初级生产力（生物分馏效应）和海气CO₂交换通量（海水温度变化导致的平衡分馏效应）的影响；深层海水δ¹³C则主要受海洋环流强度和通风充氧状况的影响，并因此与海水磷酸盐含量密切相关。同位素偏轻的有机质在表层以光合生产为主，在从水柱向下输出过程中不断降解，导致从表层到深层，海水无机碳δ¹³C呈现由重变轻的趋势。②保存于海洋沉积物中的有孔虫壳体碳酸盐的δ¹³C被广泛用于重建与古海洋和古气候演变有关的碳循环过程。浮游和底栖有孔虫的δ¹³C分别记录的是表层海水和深层海水溶解无机碳的δ¹³C。第四纪海洋沉积序列的δ¹³C剖面，特别是底栖有孔虫δ¹³C剖面，呈现类似于氧同位素的旋回变化，δ¹³C高值出现在间冰期，低值出现在冰期。全球大洋δ¹³C的平均值在盛冰期比全新世降低了约0.32‰，可能是由于冰期陆地生物量减少所致，即这些减少的生物量（δ¹³C偏轻）以无机碳形式返回了大气-海洋系统。而且，这些记录表明，冰期深层水比表层水的δ¹³C的降低更加显著，这导致二者之间的差值在冰期变大。大洋深层水δ¹³C在冰期的显著变轻暗示深层水的通风状况减弱和/或更多的营养盐和无机碳被转移输出到深海，增强了生物泵作用的效率。浮游与底栖有孔虫δ¹³C的差值在古海洋学中通常被用来指示海洋生物泵的强度，故二者差值在冰期的变大也指示冰期生物泵作用加强。这一现象是海洋生物泵调控冰期-间冰期大气CO₂变化这一假说的强有力证据。③除了无机碳，有机碳也是海洋沉积物中碳的重要存在形式，其主要来源为真光层浮游植物对无机碳的光合生产。光合作用导致显著的同位素生物分馏（-19‰～-30‰），其分馏程度受海水CO₂浓度和浮游植物的生长速率等因素的控制。因此深海沉积有机碳的同位素，特别是具有生物专属性的生物标志化合物的同位素可以反映古海水CO₂浓度的变化情况。但是由于生长速率等因素尚缺乏有效指标进行约束，运用有机碳同位素记录准确恢复古海水CO₂的工作还存在一定困难。