จากผลการศึกษาการไหลเวียนของหินบะซอลต์เหลวผ่านใต้พิภพ มีทฤษฎีว่าขั้วแม่เหล็กของโลกสามารถมีการกลับขั้ว โดยมีช่วงระยะห่างตั้งแต่หลายหมื่นปีไปจนถึงหลายล้านปี โดยที่มีค่าเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 250,000 ปี ปรากฏการณ์กลับขั้วครั้งล่าสุดเรียกชื่อว่า Brunhes-Matuyama reversal เชื่อว่าได้เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 780,000 ปีมาแล้ว

ยังไม่มีทฤษฎีใดสามารถอธิบายได้แน่ชัดว่าการกลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลกเกิดขึ้นเนื่องจากอะไร นักวิทยาศาสตร์บางส่วนได้สร้างแบบจำลองแกนโลกขึ้นโดยที่ภายในสนามแม่เหล็กเป็นแบบ quasi-stable และขั้วแม่เหล็กสามารถเปลี่ยนข้างเองได้จากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งเมื่อเวลาผ่านไปหลายหมื่นปี นักวิทยาศาสตร์อีกส่วนหนึ่งเสนอว่าการเปลี่ยนขั้วแม่เหล็กนี้ไม่ได้เกิดขึ้นเอง แต่น่าจะมีการกระตุ้นจากภายนอกเช่นจากการถูกดาวหางพุ่งชน และทำให้เกิดการ "restart" โดยขั้วแม่เหล็กด้าน "เหนือ" อาจจะชี้ไปทางเหนือหรือใต้ก็ได้ ปรากฏการณ์ภายนอกนี้ไม่น่าจะสร้างให้เกิดการเปลี่ยนขั้วแม่เหล็กแบบเป็นวงรอบได้ เมื่อพิจารณาจากอายุของแอ่งปะทะเทียบกับช่วงเวลาการกลับขั้วที่ศึกษาได้

การศึกษาการไหลเวียนของลาวาที่ภูเขาสตีนส์ รัฐออริกอน บ่งชี้ว่าสนามแม่เหล็กเคยมีการเปลี่ยนแปลงไปในอัตรา 6 องศาต่อวันในประวัติศาสตร์ของโลก ซึ่งเป็นการท้าทายที่สำคัญในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับสาเหตุของการเปลี่ยนขั้วแม่เหล็กของโลก[1]

การศึกษาสนามแม่เหล็กโลกโบราณ จะประกอบด้วยการวัดการคงค่าแม่เหล็กของหินอัคนีซึ่งเป็นเศษซากจากเหตุการณ์ภูเขาไฟปะทุ ตะกอนที่ทอดตัวอยู่บนพื้นมหาสมุทรปรับทิศทางขั้วแม่เหล็กของตัวเองด้วยสนามแม่เหล็กในท้องถิ่น ซึ่งเป็นสัญญาณที่สามารถบันทึกได้ขณะแข็งตัว ถึงแม้ว่าการสะสมของหินอัคนีส่วนใหญ่จะเป็นแบบพาราแมกเนติก แต่ก็มีร่องรอยของวัสดุเฟอร์ริแมกเนติก และแอนติเฟอร์โรแมกเนติกในรูปของเฟอรัสออกไซด์ ซึ่งทำให้สามารถบันทึกความเป็นแม่เหล็กได้ ในความเป็นจริงลักษณะนี้พบได้บ่อยในหินและตะกอนชนิดอื่น ๆ ที่พบได้ทั่วโลก หนึ่งในหินธรรมชาติที่พบออกไซด์เหล่านี้มากที่สุดคือแมกนิไทต์

คุณสมบัติของหินอัคนีนี้เป็นตัวอย่างที่ช่วยให้เราสามารถตรวจสอบว่าสนามของโลกได้กลับขั้วในอดีต พิจารณาการวัดของอำนาจความเป็นแม่เหล็กตามแนวเทือกเขากลางสมุทร ก่อนที่แมกมาจะออกจากชั้นแมนเทิลผ่านรอยแยกจะมีอุณหภูมิที่สูงมากเหนืออุณหภูมิคูรี (Tc) ของเหล็กออกไซด์ใด ๆ เมื่อลาวาเริ่มเย็นตัวลงและแข็งตัวเมื่อเข้าสู่มหาสมุทร ทำให้เหล็กออกไซด์เหล่านี้สามารถคืนค่าคุณสมบัติแม่เหล็กได้ โดยเฉพาะความสามารถในการคงค่าแม่เหล็ก บนสมมติฐานว่าสนามแม่เหล็กโลกเป็นสนามแม่เหล็กเพียงแห่งเดียวที่อยู่ในตำแหน่งเหล่านี้ หินแข็งตัวนี้จะกลายเป็นแม่เหล็กในทิศทางของสนามแม่เหล็กโลก แม้ว่าความแรงของสนามค่อนข้างอ่อนและปริมาณธาตุเหล็กของตัวอย่างหินทั่วไปมีขนาดเล็ก แต่สภาพแม่เหล็กขนาดค่อนข้างเล็กที่เหลืออยู่ของกลุ่มตัวอย่าง อยู่ในพิสัยการวัดของเครื่องวัดแม่เหล็ก (Magnetometer) ที่ทันสมัย การวัดอายุและสภาพแม่เหล็กของตัวอย่างลาวาแข็งตัว สามารถนำมาอธิบายทิศทางของสนามแม่เหล็กโลกในช่วงยุคโบราณ[2]