Địa vật lý đề cao tính liên ngành, đóng góp vào mọi lĩnh vực của vật lý và các khoa học Trái Đất. Để cung cấp một ý tưởng rõ ràng hơn về những gì cấu thành địa vật lý, phần này mô tả hiện tượng được nghiên cứu trong vật lý và cách chúng liên quan đến Trái Đất và môi trường xung quanh của nó.

Mô hình trường trọng lực của Trái Đất (theo NASA)

Trọng lực

Lực hấp dẫn cùng với lực ly tâm do sự tự xoay của Trái Đất tạo ra trọng trường Trái Đất, tác động lên các vật thể. Mặt đẳng thế của trọng trường ứng với mực nước biển trung bình yên tĩnh, được gọi là Geoid và là một trong các định nghĩa về hình dạng của Trái Đất.

Các lực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời làm xuất hiện thủy triều.[3]

Các phép đo gia tốc trọng trường và thế hấp dẫn trên bề mặt Trái Đất để xác định dị thường trọng lực, là nội dung của thăm dò trọng lực, được sử dụng để tìm kiếm các mỏ khoáng sản[4], cũng như cung cấp thông tin về sự dịch chuyển của các mảng kiến tạo.

Mô hình đối lưu nhiệt trong quyển manti. Cột mảnh màu đỏ là chùm manti.

Dòng nhiệt

Trái Đất hình thành và nguội dần, dẫn đến xuất hiện lớp vỏ ngoài rắn, làm giảm bớt quá trình thoát nhiệt. Phần nhiệt lượng trong lòng Trái Đất làm cho vật chất ở một phần lõi là thể lỏng. Các dòng nhiệt dẫn đến những chuyển động ở lõi lỏng, tạo ra từ trường Trái Đất theo thuyết geodynamo, còn vận động đối lưu manti dẫn đến chuyển động của các mảng kiến tạo nêu trong thuyết kiến tạo mảng [5]. Các nguồn nhiệt chính gồm có nhiệt nguyên thủy và phân rã phóng xạ, và đóng góp nhỏ của chuyển đổi pha vật chất (như sự kết tinh).

Nhiệt chủ yếu được vận chuyển đến bề mặt bằng đối lưu nhiệt (Thermal convection). Tuy nhiên có hai lớp ranh giới nhiệt, là ranh giới lõi - quyển manti (core-mantle) hay Điểm gián đoạn Gutenberg, và thạch quyển (lithosphere), tại đó là dẫn nhiệt.[6] Một phần nhiệt được đưa lên từ đáy quyển manti bởi các chùm manti.

Các dòng nhiệt lên bề mặt của Trái Đất là khoảng 4,2 × 1013 W, và nó là một nguồn tiềm năng của năng lượng địa nhiệt.[7]

Địa chấn

Sóng địa chấn (Seismic wave) là rung động truyền qua lòng Trái Đất hoặc dọc theo bề mặt của nó. Toàn bộ Trái Đất cũng có thể dao động ở dạng gọi là chế độ bình thường (normal mode) hay dao động tự do của Trái Đất. Chuyển động mặt đất do sóng địa chấn hoặc chế độ bình thường được đo bằng địa chấn kế. Nếu các sóng đến từ một nguồn cục bộ như một trận động đất, vụ nổ, các phép đo tại nhiều địa điểm khác nhau cho phép xác định vị trí nguồn. Vị trí của trận động đất cung cấp thông tin về kiến tạo mảng và đối lưu manti.[8]

Quan sát các sóng địa chấn là nguồn thông tin về các khu vực mà sóng đi qua. Nếu mật độ hoặc thành phần đá thay đổi đột ngột thì xảy ra sóng phản xạ. Phản xạ có thể cung cấp thông tin về cấu trúc gần bề mặt. Những thay đổi trong hướng đi, gọi là khúc xạ, được sử dụng để suy ra các cấu trúc sâu của Trái Đất.[9]

Sử dụng sóng địa chấn với nguồn sóng tự nhiên hay nhân tạo để nghiên cứu cấu trúc thạch quyển và thủy quyển, là nội dung các phương pháp thăm dò địa chấn. Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong cả vật lý địa cầu và địa vật lý thăm dò.

Động đất gây nguy hiểm cho con người. Hiểu được cơ chế của nó, tùy thuộc vào loại động đất (ví dụ, nội mảng kiến tạo hoặc tiêu điểm sâu), có thể dẫn đến các ước tính tốt hơn về nguy cơ động đất và cải tiến trong kỹ thuật công trình chịu động đất (Earthquake engineering).

Điện

Hiện tượng điện được thấy đầu tiên là sét trong mưa giông. Trái Đất là thể rắn, khí quyển bao quanh bị bắn phá bởi các bức xạ vũ trụ nên có điện tích dương. Nó tạo ra một điện trường gần mặt đất, trung bình là 120 V/m, và dòng điện khoảng 1800 A chạy trong mạch toàn cầu. Các dòng này thể hiện bởi sét bên dưới những đám mây.[10]

Trong đất đá thì các quá trình điện hóa tạo ra điện thế thiên nhiên. Ngoài ra, nếu phát nguồn điện nhân tạo phát vào đất đá, thì tính chất điện khác nhau của các đất đá khác nhau sẽ cho ra phản ứng khác nhau. Nghiên cứu các quá trình này là cơ sở cho một loạt các phương pháp thăm dò điện, để nghiên cứu thạch quyển và thủy quyển với nhiều chủ đích.

Điện từ

Sóng điện từ xảy ra trong tầng điện ly, từ quyển và ở lõi ngoài Trái Đất. Đồng ca bình minh (Dawn chorus) được cho là gây ra bởi các điện tử năng lượng cao bị mắc kẹt trong vành đai bức xạ Van Allen. Ngoài ra sét đánh trong khí quyển, các nguồn phát sóng tần thấp (300 Hz – 10 kHz) từ các lò plasma trong tầng điện ly, trong từ quyển,... tạo ra sóng điện từ kiểu “tiếng huýt gió”. Sóng điện từ cũng có thể được tạo ra bởi động đất (xem Seismo-electromagnetics).Các cảm ứng điện từ trong thạch quyển và thủy quyển, gọi là dòng tellur, có nguồn gốc từ nhiễu động trong tầng điện ly, nhiễu từ trường, hoặc do chuyển động của các khối nước.

Tại lõi ngoài Trái Đất, dòng điện trong sắt lỏng có độ dẫn điện tạo ra từ trường bằng cảm ứng điện từ theo thuyết geodynamo. Sóng Alfvén là sóng từ thủy động lực trong từ quyển hoặc lõi Trái Đất. Trong lõi, chúng có thể có hiệu ứng rất nhỏ để quan sát được trong từ trường Trái Đất, nhưng sóng chậm như sóng từ Rossby (Magnetic Rossby waves) có thể là một trong các nguồn gốc của sự biến đổi từ trường Trái Đất theo thời gian.[11]

Phương pháp điện từ được sử dụng trong khảo sát địa vật lý bao gồm Thăm dò điện từ Tellur (Magnetotellurics) và điện từ miền thời gian (Transient Electromagnetics, TDEM).

Trục lưỡng cực từ của Trái Đất (màu hồng) nghiêng so với trục quay (màu lam)Tuổi của đáy biển. Đa số dữ liệu để tính thời gian dựa vào dị thường từ.

Từ trường

Từ trường Trái Đất đã được biết đến từ lâu, và đã được sử dụng để định hướng bằng la bàn. Ngày nay ta biết từ trường lái các hạt tích điện của gió mặt trời ra xa Trái Đất, bảo vệ sinh giới trên Trái Đất. Một phần nhỏ các hạt tích điện này xâm nhập được thượng tầng khí quyển và dẫn đến cực quang.

Từ trường Trái Đất được giải thích bằng thuyết geodynamo, coi rằng có nguồn gốc từ sự chuyển động của chất lỏng là sắt ở lõi ngoài Trái Đất.[11]

Từ trường Trái Đất có dạng như một lưỡng cực nghiêng, và nó thay đổi theo thời gian, gọi là biến thiên thế kỷ. Các cực địa từ nằm gần các cực địa lý, nhưng trong khoảng thời gian ngẫu nhiên, trung bình 440.000 đến một triệu năm hoặc lâu hơn, cực tính của Từ trường Trái Đất đảo ngược. Những nghiên cứu Cổ địa từ, tập hợp và phân tích trong Đảo cực địa từ (Geomagnetic Polarity Time Scale), xác định có 184 đảo cực trong 83 triệu năm qua.

Sự đảo cực quan sát rõ trong địa tầng gần đây nhất, xảy ra vào giữa kỷ Đệ tứ, 781000 năm trước, là Đảo ngược Brunhes-Matuyama (Brunhes–Matuyama reversal).[12] Sự đảo cực ngắn gần đây nhất là sự kiện Laschamp xảy ra 41.000 năm trước, trong thời kỳ băng hà cuối cùng, trong đó thời gian đảo cực dài cỡ 440 năm.[13]

Các nhà địa chất quan sát đảo cực địa từ ghi lại trong đá núi lửa thông qua hiện tượng từ hóa dư tự nhiên, và lập ra tương quan Địa tầng từ tính (Magnetostratigraphy). Các dấu vết của chúng thể hiện rõ ở sự song song tuyến tính của các sọc dị thường từ ở đáy đại dương. Những sọc này cung cấp thông tin định lượng về sự lan rộng đáy đại dương, một phần quan trọng của thuyết kiến tạo mảng. Chúng là cơ sở của Địa tầng từ tính, dựng tương quan giữa đảo cực địa từ với các môn địa tầng học khác để xây dựng thang thời gian địa chất.[14]

Từ hóa của các khoáng vật trong các loại đất đá được sử dụng để đo chuyển động của các lục địa. Nó cũng là cơ sở của thăm dò từ, thông qua đo đạc và xác định dị thường từ để giải đoán ra cấu trúc, thành phần, tính chất, trạng thái của đất đá trong thạch quyển, phục vụ nghiên cứu địa chất, môi trường và tìm kiếm khoáng sản.

Phóng xạ

Phân rã phóng xạ cấp khoảng 80% của nội nhiệt Trái Đất, tạo năng lượng cho geodynamo và kiến tạo mảng. Các nguồn cấp nhiệt chính có các đồng vị Kali K40, Urani U238, U235 và Thori Th232.[15]

Nguyên tố phóng xạ được sử dụng trong định tuổi bằng đồng vị phóng xạ, là phương pháp chính để thiết lập khoảng thời gian tuyệt đối trong Địa thời học.[16]

Đo phóng xạ, gồm đo gamma tổng và đo phổ gamma, đo khí Radon, sẽ xác định phân bố của các đồng vị phóng xạ gần bề mặt Trái Đất, phục vụ cho lập bản đồ thạch học, tìm quặng phóng xạ, xác định mức độ hoạt động của đứt gãy, xác định ô nhiễm phóng xạ của môi trường tự nhiên.[17]

Thủy động lực học

Chuyển động chất lỏng xảy ra trong từ quyển, khí quyển, đại dương, quyển manti và lõi Trái Đất. Ngay cả trong lớp phủ rắn mặc dù có một độ nhớt rất lớn, vẫn có sự chảy giống như một chất lỏng nếu xem xét trong khoảng thời gian dài (xem Địa động lực).

Địa vật lý Thủy động lực học là một công cụ chính trong vật lý hải dương học và khí tượng học. Sự quay của Trái Đất có ảnh hưởng sâu sắc đến thủy động lực học của Trái Đất, thường là do hiệu ứng Coriolis. Trong bầu không khí nó làm phát sinh chuỗi dòng xoáy quy mô lớn như sóng Rossby (Rossby waves) và xác định các mô hình lưu thông cơ bản của các cơn bão. Trong đại dương nó định hướng các lưu thông xoáy quy mô lớn như sóng Kelvin (Kelvin wave) và xoắn ốc Ekman (Ekman spirals) ở bề mặt đại dương.

Trong lõi Trái Đất, sự lưu thông xoáy của sắt nóng chảy được cấu trúc bởi các cột Taylor (Taylor column).[18]

Sóng và những hiện tượng khác trong từ quyển có thể được mô phỏng bằng Từ thủy động lực học.