深海指水深超过200米的区域，深海沉积记录可用于恢复再造陆源物质来源、组成及源区风化强度等陆地古环境变化历史，及深海海流强度、海洋古温度、古盐度、古酸碱度等古海洋信息变化历史。根据深海沉积物的来源，可分为陆源碎屑沉积物和生物来源沉积物。

陆源碎屑沉积物是陆地岩石经过风化剥蚀并通过风、河流等媒介输送入海的沉积物。海洋中陆源碎屑沉积物的矿物组成及不同物理化学性质可反映沉积物来源、源区风化强度、沉积物输送媒介的强弱变化等。陆源碎屑沉积物的矿物和化学组成往往记录了沉积物的来源和源区风化强度变化的信息。不同来源的碎屑沉积物由于源区的岩性、气候及构造活动强度等不同，往往各自具有特征性的黏土矿物组合及元素含量特征，如构造活动强烈的地区往往物理剥蚀较强，风化产物多为伊利石、绿泥石等黏土矿物，化学成分富钾、钠、铝等元素，化学风化指数低；而构造稳定、气候湿热的地区则化学风化作用较强，风化产物中富含高岭石族黏土矿物，化学成分富铝而贫钾、钠，化学风化指数高。因此，深海沉积物中陆源碎屑的黏土矿物组成和主量微量元素含量，可作为地质历史时期沉积物来源及源区风化强度变化有效的替代性指标。由于陆源碎屑物质源区的物理和化学风化作用受到降雨、气温等气候条件以及造山运动等构造活动的控制，因此可利用海洋陆源碎屑沉积记录重建源区的气候及构造活动的变化历史。此外，海洋陆源碎屑沉积物中赋含的磁性矿物，往往是源区特定岩性的岩石经风化产生的，这些磁性矿物的含量一般可以通过一定的环境磁学指标来指示，因此，海洋沉积物的环境磁学记录也可以用来指示沉积物源区的变化历史。

风、河流、海洋环流等作为海洋陆源碎屑沉积物最重要的搬运媒介，对于沉积物的搬运、分选及沉降过程起到非常重要的作用。利用海洋陆源碎屑沉积物的粒度、²³⁰Th及²³¹Pa同位素等特征，可重建地质历史中搬运介质强度的变化。海洋沉积物中可分选粉砂（粒径范围10～63微米）的平均粒径和含量，与所在海区古洋流的强度呈良好的线性关系，可作为古洋流强度变化有效的替代性指标，已成功应用于重建北大西洋深层水团、太平洋西部边界流等的冰期-间冰期变化历史。海洋沉积物中的²³⁰Th及²³¹Pa/²³⁰Th比值，可反映海洋沉积物侧向搬运与垂向沉降之间的比例，也被广泛应用于古洋流强度变化的重建。而在非洲西海岸外的大西洋区域，陆源碎屑的输入以风携带的撒哈拉粉尘为主，海洋沉积物中的²³⁰Th主要反映垂向沉降的变化，指示撒哈拉粉尘的输入历史。撒哈拉粉尘因携带金红石、锐钛矿等富钛矿物及赤铁矿等磁性矿物，大西洋和地中海部分海区海洋沉积物中的钛铝比值及特定古地磁指标常被应用于指示撒哈拉粉尘的输入，进而重建非洲季风及东北信风的古强度变化历史。亚洲冬季风将大量粉尘从亚洲中部沙漠地区携带至太平洋，因此，西太平洋部分沉积物钻孔的碎屑沉积物粒度及磁化率等也可反映亚洲季风的古强度变化。

生源沉积即生物来源沉积物，是指在海洋中生活的或者在陆地上生活、被河流及风等媒介带入海洋的生物化石或生物有机体组成部分，沉降至海底并发生埋藏形成的海洋沉积物。海洋沉积物中埋藏保存的生物化石，多是钙质和硅质微体生物，如有孔虫、颗石藻、放射虫及硅藻等海洋浮游生物的壳体，鱼牙化石及海绵骨针也比较常见。由于有孔虫等海洋浮游生物的寿命非常短暂，且特定属种的浮游生物一般生活在较窄的环境条件（温度、水深、盐度等）范围内，因此利用海洋沉积物中特定属种浮游生物化石的丰度及化石组合，可重建地质历史中古海洋条件的变化。如阿拉伯海沉积物中浮游有孔虫泡抱球虫（Globigerina bulloides）的丰度，与印度季风造成的上升流带来的营养物质输入直接相关，可作为印度季风强度的良好指标；浮游有孔虫左旋厚壁方球虫（Neogloboquadrina pachyderma sinistral）是高纬极地海区主要的有孔虫属种，其丰度变化是高纬海区古海洋变化的重要指标；颗石藻属种组合及某些颗石藻（如深水花球藻，Florisphaera profunda）的丰度，被广泛应用于指示古生产力和营养跃层的变化。在大洋碳酸盐补偿深度以下及某些贫营养海区，如南极大陆周边，海洋微体生物以硅质生物如放射虫、硅藻为主，其特定属种丰度及属种组合可用于指示古海洋环境的变化。此外，随着海上温度升高，放射虫壳体有孔格变大、结构简化及骨架重量减轻的趋势，也可作为海洋古温度变化的重要指示。

除属种丰度及组合，海洋浮游微体生物——尤其是有孔虫——由于其壳体与海水保持化学平衡，壳体的许多化学特征，如氧同位素比值、碳同位素比值、镁钙比值、硼钙比值等，可指示海水温度、盐度、pH及大洋碳循环等古海洋特征的变化（见深海氧同位素记录、深海碳同位素记录、古海水表层温度重建、古海水pH重建和古海水二氧化碳分压重建）。由于其生命效应对壳体氧碳同位素的影响机制较为复杂，颗石藻壳体的氧碳同位素比值并没有像有孔虫一样广泛应用于重建古海洋变化。放射虫和硅藻壳体的硅同位素比值被逐渐应用于重建大洋硅循环的变化。

河流及风等媒介携带进入深海的陆地生物化石，也是深海沉积物，特别是边缘海深海沉积物的重要组成部分。其中，最常见且应用最广泛的古环境指标为陆地植物孢粉。孢粉即孢子植物的孢子和种子植物的花粉，由于植物孢子和花粉的外壁质密而硬，且质量轻总量大，可通过河流及风等多种媒介被搬运至海洋环境并保存在深海沉积物中，是古环境古气候恢复极有价值的指标。特定的植物及植物组合的孢粉，可反映其生存环境的气温、降雨、海拔等环境特征，因此可用于重建其源区的古环境变化。与陆源碎屑沉积物类似，搬运媒介的强度和方向对深海沉积物中的孢粉含量及组合有很大影响，可用于指示搬运媒介，如季风及洋流的变化历史。

除海洋微体生物壳体和陆地植物孢粉等生物化石外，生物的部分有机物可保存在海洋沉积物中，如陆地植物叶片中的叶蜡长链正构烷烃类（n-alkane）、长链正构醇类（n-alkanol）及长链正构烷酸（n-alkanoic acid）、海洋藻类产生的长链烯酮（alkenone）及甾醇和古菌及细菌细胞膜的醚脂-甘油二烷基甘油四醚（Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraethers; GDGTs）等。不同光合作用类型的植物（C₃及C₄植物）产生的有机质碳链长度有差异，其碳同位素比值也明显不同，因此海洋沉积物中长链正构烷烃（包括正构醇和正构烷酸等）的丰度和组成指标及其碳同位素比值可用于重建陆地植物的来源、类型和陆地植被的演化。海洋原生动物定鞭藻门（Haptophyta）某些属种产生的长链不饱和烯酮与其生活水体海洋表层温度具有良好的相关关系。如基于两个和三个不饱和键的C₃₇长链烯酮（C₃₇ alkenone）（C_37:2和C_37:3）的比例建立的系数，作为表层海水温度的替代性指标已在古海洋研究中广泛应用（见古海水表层温度重建）。基于古菌细胞膜GDGTs的TEX₈₆指标是新兴的另一种古表层海水温度替代性指标。研究发现，类异戊二烯GDGTs的五元环相对含量与表层海水温度之间有很好的线性关系。古菌和细菌分布的广泛性，使基于GDGTs构建的有机地球化学指标（TEX₈₆、MBT/CBT、BIT、MI等）在古环境重建、有机物质来源示踪以及微生物生态功能评价等相关研究中发挥独特优势。