Các nghiên cứu cổ địa từ dựa trên khả năng của khoáng vật từ tính như magnetit có thể ghi lại từ trường Trái Đất trong quá khứ. Lưu giữ từ trường trong đá có thể được ghi nhận bằng nhiều cơ chế khác nhau, và là phần Từ hóa dư tự nhiên (Natural remanent magnetization) trong hiện tượng vật lý Từ hóa dư.

Từ hóa dư nhiệt

Từ hóa dư nhiệt (Thermoremanent magnetization, TRM) là trường hợp phổ biến nhất. Các khoáng vật oxit sắt-titan trong bazan và các loại đá núi lửa bảo tồn được hướng và cường độ của từ trường Trái Đất khi đá nguội qua nhiệt độ Curie của chúng. Hầu hết bazan và gabro kết tinh hoàn toàn ở trên 900 °C, còn nhiệt độ Curie của magnetit khoảng 580 °C.

Vì các xáo trộn có thể xảy ra sau khi đá nguội như phản ứng oxy hóa hay hoạt động kiến tạo, các định hướng theo từ trường Trái Đất không phải luôn luôn được ghi chép chính xác, và cũng không nhất thiết ghi chép được bảo tồn. Tuy nhiên, trong bazan của lớp vỏ đại dương chúng đã được bảo quản khá tốt, và là cơ sở quan trọng cho sự phát triển của lý thuyết Đáy biển lan rộng (Sea floor spreading) liên quan đến kiến tạo mảng.

TRM cũng có thể được ghi lại trong lò nung (như gốm cổ) hay vụ cháy. Nghiên cứu Từ hóa dư nhiệt trong các di vật khảo cổ được gọi là Định tuổi khảo cổ bằng từ tính (Archaeomagnetic dating).

Từ hóa dư mảnh vụn

Từ hóa dư mảnh vụn (Detrital remanent magnetization, DRM) là trường hợp các mảnh vụn hạt từ tính trong trầm tích được định hướng theo từ trường Trái Đất trong hoặc ngay sau khi lắng đọng. Ví dụ các hạt ilmenit trôi rồi lắng trong các sa khoáng.

Định hướng xảy ra lúc lắng đọng gọi là Depositional DRM (dDRM), còn định hướng xảy ra sau lắng đọng gọi là Post-depositional DRM (pDRM).[3]

Từ hóa dư hóa học

Từ hóa dư hóa học (Chemical remanent magnetization, CRM) xảy ra trong quá trình biến chất hay phong hóa đá khi các phản ứng hóa học tạo ra khoáng vật từ tính, ghi lại hướng của từ trường Trái Đất tại thời điểm hình thành của chúng.

Phổ biến nhất là sự hình thành hematit, một loại oxyt sắt, có thể tập trung và tạo ra mỏ sắt, hoặc phân tán như trong Đất đỏ (Redbeds) và các loại cát kết màu đỏ. CRM có thể sử dụng cho Địa tầng từ tính (Magnetostratigraphy).

Phần lớn phản ứng hóa học là của tự nhiên. Tuy nhiên có một dạng đặc biệt là một số vi khuẩn nhóm Magnetotactic bacteria có cấu trúc màng kín giàu chất sắt trong tế bào chất tạo ra magnetosome chứa vài chục hạt cỡ 0,1 μm của magnetit FeIII2FeIIO4 hoặc greigit FeIII2FeIIS4 được bao bọc bởi một lớp lipid kép.[4] Các hạt này lắng đọng trong trầm tích.

Có thể coi nguồn gốc chúng là sinh học (Biomagnetism), ghép vào hóa học, nhưng tích luỹ trong trầm tích theo cơ chế mảnh vụn - lắng đọng. Chúng không tạo ra dị thường từ nhưng là dấu vết có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu địa tầng và cổ địa từ.[5]

Từ hóa dư đẳng nhiệt

Từ hóa dư đẳng nhiệt (Isothermal remanent magnetization, IRM) xảy ra ở nhiệt độ cố định, nhưng có xảy ra từ trường cục bộ mạnh, vi dụ sét đánh, hay có nam châm đưa lại gần làm từ hóa lại vật liệu. Phân biệt từ hóa sét đánh là cường độ cao và thay đổi nhanh chóng theo các hướng ở tầm cm. Trong khoan thăm dò IRM thường xảy ra do từ trường của ống đầu khoan làm từ hóa lõi khoan.

IRM không dùng được cho nghiên cứu cổ địa từ, mà thực tế là nhiễu loạn.

Từ hóa dư nhớt

Từ hóa dư nhớt (Viscous remanent magnetization) xảy ra khi vật liệu sắt từ (ferromagnetic) là loại có mômen từ nguyên tử lớn và có từ độ tự phát, khi đặt trong từ trường một thời gian đủ lâu nào đó thì phương từ hóa chuyển đến trùng với phương từ trường.