Материя, слагающая нашу Вселенную, проявляется в виде вещества и энергии. Данное разделение достаточно условно, так как эти состояния материи могут переходить одно в другое, но для геологии удобно. Вещественное выражение материи – это атомы химических элементов, а энергия – это способность их совершать работу. Энергия проявляется в различных формах, переходящих одна в другую. Важнейшие виды энергии: тепловая, гравитационная, электромагнитная, химическая и ядерная. Энергия может быть кинетической (энергия движения) и потенциальной (энергия положения). Для того чтобы работа была совершена, необходимы какие-то силы, приводящие вещество в движение. Это: гравитационная сила; электромагнитная сила; атомные силы, которые подразделяются на слабые силы, определяющие все физико-химические реакции вещества и сильные взаимодействия в ядре, проявляющиеся при расщеплении ядер атомов. Эти силы формируют естественные (или геофизические) поля Земли. К ним относят гравитационное, магнитное, тепловое, электрическое поле естественной радиоактивности. Охарактеризуем некоторые их них.
Гравитационное или поле силы тяжести на поверхности Земли складывается из 2-х сил – притяжения и центробежной. Центробежная сила на полюсах отсутствует, поэтому тела с одинаковой массой на полюсе весят больше, чем на экваторе. Расчетные значения ускорения силы тяжести (9.83 м/с2 на полюсах и 9.78 м/с2 на экваторе) обычно отличаются от истинных в результате влияния различных масс пород, заключенных между уровнем измерения и уровнем моря. В результате образуются положительные и отрицательные гравитационные аномалии. По направлению к центру Земли до глубины 2900 км сила тяжести возрастает до 10,3 м/с2, а затем резко уменьшается до 0 в центре Земли.
Магнитное поле Земли своему происхождению обязано конвективным движениям во внешнем жидком ядре. Электрические токи, возникающие при этом, генерируют магнитное поле Земли. В настоящее время ось магнитного поля наклонена относительно оси вращения Земли на 10,50. Геомагнитное поле изменяется во времени. Изменения бывают периодическими и непериодическими. Периодические изменения бывают суточными (связаны с изменением положения земли относительно Солнца), вековые вариации – плавные изменения геомагнитного поля. Существующие на Земле магнитные аномалии совершают круговые движения в широтном направлении. Полный оборот вокруг Земли они совершают примерно за 1800 лет.
Магнитное поле Земли фиксирует свое положение при формировании минералов, содержащих элементы-ферромагнетики (Fe, Ni, Co). Горные породы, содержащие такие минералы (гематит, магнетит, титаномагнетит и др.) сохраняют приобретенную при формировании намагниченность. Исследования этой намагниченности (палеомагнитный метод) показали, что магнитное поле Земли меняет свою полярность каждые 1200-1500 лет (происходит инверсия поля).
Непериодические изменения называют магнитными бурями и связаны они в основном со вспышками солнечной активности.
Тепловое поле Земли складывается из двух источников тепла – внутренней теплоты Земли и теплоты, полученной от Солнца. На температуру атмосферы, гидросферы и 30-40-метрового слоя литосферы решающее значение оказывает солнечное тепло, а глубже – внутренняя теплота Земли. В литосфере на глубинах от нескольких метров до 116 метров наблюдается слой постоянных температур, где температура определяется среднегодовой температурой местности. С дальнейшим увеличением глубины постепенно возрастает и температура, но с разной скоростью в разных местах. Расстояние в метрах от пояса постоянных температур, через которое температура повышается на 10С, называется геотермической ступенью. Ее величина колеблется в среднем = 33 м. Обратная величина называется геотермическим градиентом. Она указывает, насколько увеличится температура при углублении на 1 км. Он колеблется от 60С на 1 км в Южной Африке, до 1500С на 1 км в штате Орегон (США). Средний градиент принят 300С на 1 км. В Кольской сверхглубокой скважине на глубине 12 км зафиксирована температура 2800С. Количество теплоты, исходящей из недр Земли на поверхность оценивают через тепловой поток (Вm/см2 за секунду на слое постоянных температур). Минимален тепловой поток на территориях древних кристаллических щитов, высокий тепловой поток отмечен в областях древней складчатости (Урал, Тянь-Шань, Аппалачи), а также в рифтовых разломах. Выделяют несколько источников внутренней теплоты Земли. Это теплота, выделяющаяся при распаде радиоактивных элементов (238U, 235U, 232Th, 40K, 87Rb, 87Sr и др.). Теплота, выделяющаяся при гравитационной дифференциации вещества в недрах. А также теплота, связанная с гравитационным взаимодействием внутриземных слоев с другими космическими телами (приливные силы).
Существенно прогреваются недра до глубин более 100 км и при падении на Землю крупных метеоритов. Предполагается, что температура в ядре Земли достигает 50000С.