Thăm dò từ
Cơ sở phương pháp

Từ thượng cổ, con người đã biết đến từ trường Trái Đất và phát minh ra La bàn để định phương hướng. Ngày nay từ trường Trái Đất chính được xác định là có nguồn gốc từ sự chuyển động chất lỏng của lõi ngoài Trái Đất theo thuyết geodynamo. Nó được khái quát là một lưỡng cực từ (Dipol). Trường này gọi là trường bình thường, và trên mặt Trái Đất có giá trị thay đổi từ khoảng 25 đến 80 μT (Tesla, đơn vị tính trong hệ SI).
Sự có mặt của vật chất có từ tính trong đất đá, đặc biệt là quặng sắt (magnetite), hoặc các khối sắt thép nhân tạo, gây ra thay đổi của trường ở địa phương. Nếu đo đạc và trừ đi phần trường bình thường, thì phần còn lại gọi là dị thường từ, và hoàn toàn đặc trưng cho khối vật liệu đó.
Các dị thường từ rộng lớn liên quan đến đối tượng nằm sâu hay trải rộng, gọi là dị thường khu vực (Regional). Các dị thường chiếm diện tích nhỏ hơn là dị thường địa phương (Local). Dị thường nhỏ hơn nữa - dị thường cục bộ, có nguồn gốc hẹp và nằm nông. Dị thường lớn nhất thế giới là dị thường Kursk ở nước Nga (Kursk Magnetic Anomaly).
Các vật chất từ tính trong đất đá là những hạt khoáng vật, được xem như vi lưỡng cực từ hoặc vi nam châm. Từ trường của chúng là kết quả quá trình từ hóa trong quá khứ, và gọi là từ hóa dư. Có nhiều dạng từ hóa dư, nhưng trong thạch quyển thì là ba quá trình chính (được một số người nhóm thành Từ hóa dư tự nhiên):
Trong đá magma thì các khoáng vật oxit sắt-titan sinh ra trong quá trình đá nguội đi và kết tinh hoàn toàn ở trên 900 °C. Các khoàng vật này bảo tồn được hướng của từ trường Trái Đất khi đá nguội qua nhiệt độ Curie của chúng. Nhiệt độ Curie của magnetit khoảng 580 °C. Quá trình này của các khoáng vật được gọi là Từ hóa dư nhiệt (Thermoremanent magnetization, TRM).
Trong trầm tích hay magma (đã nguội) thời cổ, xảy ra các phản ứng hóa học tạo ra khoáng vật từ tính mới, 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 oxit sắt, có thể tập trung và tạo ra mỏ sắt, hoặc phân tán như trong Đất đỏ (Redbed). Quá trình này gọi là Từ hóa dư hóa học (Chemical remanent magnetization, CRM).
Do quá trình phong hóa các hạt từ tính như ilmenit được giải phóng khỏi đá gốc. Chúng trôi đi rồi có thể lắng đọng cùng cát sét,... trong bồi tích. Trục từ của hạt được chốt lại theo hướng từ trường Trái Đất trong hoặc sau khi lắng đọng, và quá trình này được gọi là Từ hóa dư mảnh vụn (Detrital remanent magnetization, DRM).
Nghiên cứu đặc trưng từ hóa đất đá cho phép xác định ra từ trường Trái Đất ở thời kỳ tạo đá, và là đối tượng nghiên cứu của môn Cổ địa từ (Paleomagnetism). Nó cho thấy từ trường Trái Đất luôn thay đổi, đặc biệt là sự đảo cực địa từ đã xảy ra nhiều lần.
Trong khối đất đá trường tổng cộng của các phần tử là tổng vector, và cho ra một lưỡng cực từ tổng có phương và cường độ từ hóa xác định. Tổng trong một đơn vị thể tích gọi là độ từ hóa dư. Thông thường phương, cường độ và mật độ phần tử từ tính có thể thay đổi trong các phần của một cấu trúc địa chất. Điều đó làm cho biểu hiện của một dị thường từ là phức tạp. Chỉ một số trường hợp may mắn, một khối mỏ quặng có được các giá trị nói trên đồng nhất, cho phép tính ra trường dị thường lý thuyết của nó để nhận diện dị thường quan sát được.
Các hoạt động kiến tạo - đứt gãy gây xáo trộn đất đá và các hạt từ tính nếu có. Vì thế sự xáo trộn từ trường là dấu hiệu để xác định đứt gãy.