自然灾害是人类遇到的重要生态环境问题。人类文明发展、进步的历史，从某种意义上说，也是人类经历、认识、抗御自然灾害的历史。用地球物理方法和技术研究自然灾害的形成机理，对灾害的时间、地点和灾害程度进行预测，对灾害的过程实施监控则是地球物理学科的重要研究领域和应用范围。
一、自然灾害的分类及灾害损失
自然灾害会使生态环境发生重要改变。与人类活动引起的生态环境变化相比，像火山和地震这样的自然灾害引起的生态环境变化更为剧烈，而像全球气候变暖这样由于自然和人为因素共同引起的生态环境变化的过程较漫长，还有的自然灾害及其对生态环境的影响难以预测。就地球物理实质而论，自然灾害实际上是地球上的物质和能量形式的转变和演化过程中的某些特例，由于这些过程的差异，对生态环境的影响和作用也不尽相同。因此，首先应该对自然灾害的种类、成灾特点及其对生态环境变化的影响和后果进行讨论。
1.自然灾害发生的时间特征分类
自然灾害可按其发生的时间特征分类。
（1）缓变自然灾害
缓变自然灾害是累进性的过程，有外沿和迁移的特性，如水土流失，土地沙漠化、盐碱化，气候的长周期演变，海平面上升，地表沉降，淡水资源趋势性减少，臭氧层空洞等。这类自然灾害及其对生态环境的影响的周期可能延续几年、几十年，甚至几百年。
（2）突发性自然灾害
突发性自然灾害有明显的突发性，有的有一定规律，如洪水、旱灾、地震、暴风雨及冰雹、火山爆发。有的规律却不明显，如山体滑坡、泥石流、地裂、海啸、农林病虫害、森林火灾等。
2.按人类对自然灾害的认识分类
按人类目前对自然灾害的认识，自然灾害可分为以下几种情况。
1）人类还没有或基本没有认识其基本规律的灾害，如地震。地震的发生与地壳运动有密切关系，而且也可能与其他天体（尤其是太阳的）的运动有关，但目前人类还不能说认识和掌握了这些规律，人类对地震这样的自然灾害还基本上不能预测，更无法控制和利用。人类对这种自然灾害基本上停留在“未知不可治”的阶段。
2）人类已基本认识和掌握了某些自然灾害的基本规律，但还不能提出预防及控制这类自然灾害的方法或对策。例如台风，现代科学技术已经能认识和掌握其发生的主要规律（时间、地点和强度），并能对每次台风的生成地点、时间、以及运动方向和速率、强度变化、登陆地点进行预测，但是人类目前还不能对台风实行控制和利用，也还不能用科学技术手段避免。也就是说对台风—类灾害，人类还停留在“可知不可治”的阶段。
3）人类已认识和掌握了某些自然灾害的规律，也有在科学上合理、在技术上可行的治理方案和对策，也就是说人类对这类自然灾害已基本上做到“可知又可治”。例如，如洪水，可通过兴修水库、加高堤防、整治水土流失而有效地防止其灾害或减轻灾害的损失。但也有一些减轻灾害措施由于经济或其他方面的原因，无条件实施或无条件大规模实施，或实施的效益在短时间内难以见效。例如，人工降雨能防止干旱，对可能产生冰雹的云层实施炮击，可防止雹灾。但这类作业成本过高，并非能普遍采用。再例如，建造防护林能防止水土流失和风沙危害，减少消耗臭氧层物质的生产和使用能恢复臭氧层的空洞，但从采取措施到见效的周期可能要几十年甚至几百年。
总之，自然界的规律是可以逐步认识的，因此自然灾害也是可以认识的，相当一部分自然灾害已经能预测和防治，虽然这个过程可能要经过很长时间，例如，虽有专家认为，到21世纪30年代人类可实现对地震的预测，但也有专家认为，对地震现象的预测还很遥远。人类对自然灾害的认识虽然在进步，但人类还不可能抗御全部自然灾害。
3.自然灾害及其造成后果的严重性
20世纪的前90年，全世界共发生较严重的自然灾害约50余次，其中地震20余次，约占40%；飓风和热带风暴14次，约占26%；火山喷发8次，约占15%；海啸和洪水8次（其中2次是由地震和飓风引起）约占15%；另外，还有几次滑坡和森林火灾（最严重的是1987年中国大兴安岭的森林大火）。20世纪的后半期的前40年，一次死亡人数在万人以上的自然灾害，全世界共发生过17次。其中1970年孟加拉的热带飓风造成的死亡人数为30万人以上！1976年中国唐山地震死亡人数近25万人！都是震惊世界的自然灾难。据1987年统计，在过去20年中，由于地震、滑坡、洪水、海啸、火山、飓风等灾害造成280万人死亡，受灾人口8.2亿人，直接经济损失250亿～1000亿美元。自然灾害还造成社会的动荡和人群的惊恐。进入20世纪90年代以来，全球每年发生重大自然灾害约600多起，而且由于人口的增加，气候变化，自然灾害有日益频繁的趋势。
生态环境脆弱是各种自然灾害频繁发生的重要原因。在这方面发展中国家面临更为严峻的挑战：自然灾害发生的频度和受灾死亡人数、受灾人口都居高不下。表6-4-1中给出了20世纪后半期世界主要突发性自然灾害严重程度（按灾害引起人员死亡的多少）排序。
表6-4-1 1947～1980世界突发性自然灾害
在各种自然灾害中，对人类威胁最大的是气象灾害，如暴雨洪涝、飓风、台风、龙卷风、雷暴、热浪等，所造成的人员伤亡和经济损失都居首位。其次，是地震灾害，20世纪全球共发生7级以上地震1500余次，其中85%发生在海域，占发生次数15%的陆地地震造成的损失则占全世界地震造成的损失的85%。死于地震的人数为160万人以上，约占各种自然灾害死亡人数的一半，20世纪后50年地震造成的经济损失约2000亿美元，大约与洪水和飓风造成的损失相当。
自然灾害带来明显的生态环境变化，如火山爆发和地震引起城市的毁灭（典型的事例如意大利的庞贝被火山爆发淹灭和中国唐山因地震而毁灭）；再如火山爆发产生的尘埃引起气候的改变，洪水和火灾对公共生命线的危害——食物、饮水供应系统，房屋、道路、码头、水坝等都会对人类的生存环境产生明显的影响。应该说明，在人类社会发展的现阶段，自然灾害是不可避免的，但自然灾害造成的损失和灾难则是可以通过科学方法进行研究和预测，并可使用人类已经有的技术手段减少生命和财产的损失。
二、气候变化和水旱灾害
1.长期气候变化
竺可桢曾系统研究了中国近5000年来的气候变化，认为约3000年前的仰韶文化时代到殷墟时代是第一个温暖时期；此后在秦汉、隋唐和元代也是温暖时期。尤其是公元5世纪末至10世纪初，即历史上的隋唐时期（公元589～907年），中国的气候温暖湿润，公元7世纪612年（隋炀帝大业八年）以后的近百年，即武则天时代的久视元年（公元700年），是中国5000年以来的第三个温暖期，也是西晋（始于武帝司马炎泰始元年即公元265年）以来1700多年间最温暖的时期，其平均气温约比现在高1～2℃。这一时期，即公元630～834年（唐太宗贞观四年至文宗大和八年）又是近3000年来历时最长的多雨期。在唐代的290年（公元618～907年，高祖武德元年至哀帝四年）中，由于多雨，史籍明载水灾148次，其中降雨直接造成的水灾64次，降雨造成江河泛滥的水灾19次，降雨造成山洪暴发而形成的水灾17次。这些事例说明自然灾害与气候变化密切相关，有周期性和在某一时期的多发性。
2.暴雨和洪涝
暴雨洪涝是自古以来对人类威胁最大的自然灾害，根据联合国救灾协作局的统计，在15种自然灾害中，由于暴雨洪涝造成的财产损失和人员伤亡居首位。就地球上的陆地区域而论，由暴雨引起的洪涝在大部分地区都可发生，其中南亚的印度、孟加拉、巴基斯坦，南太平洋西岸的中国、日本、菲律宾，北美的美国是世界暴雨洪涝灾害最频繁的国家。暴雨洪涝发生的范围广、频率高是其他自然灾害所不能比的。暴雨洪涝的另外一个特点是造成的灾害严重。世界气象组织的统计结果表明，1967～1985年世界部分国家每年死亡于暴雨洪涝灾害的人数在2万以上。1991年4月底，孟加拉国南部沿海遭受暴风雨和洪涝灾害，死亡12.9万人。日本近30年来由于暴雨洪涝造成的财产损失每年约2500亿日元，占国民总收入的1%以上。在内陆地区，由于暴雨洪涝还会诱发泥石流、滑坡、山崩等次生灾害，还会衍生瘟疫、饥馑等灾害。1931年我国长江流域16省672县遭受水灾，被洪水淹死者40万人，而暴雨洪涝诱发的瘟疫、饥馑等又有几百万人死亡。
三、地质灾害
地质灾害也是自然灾害，其中主要的如地震、山体滑坡、雪崩、泥石流等。此外，人类活动、人为因素也能引起地质灾害，如采矿区崩塌滑坡、采空塌陷、矿渣等采矿废弃物造成的泥石流等。还有一些地质灾害的成因既有自然原因，也有人为因素，例如煤田火灾。在各类地质灾害中危害最严重的是地震。
1.地震
在各种自然灾害中，地震以灾害的突发性及难以预测，造成伤亡人数多，建筑物损坏严重，次生灾害的多发性，震后恢复正常生活的长期性，给人类留下沉重的、灾难的回忆。同时，也没有另外一种自然现象会像地震一样，带着雷霆万钧的轰鸣，伴随着色彩斑斓、出现神秘的地光，以及继之而来的山崩地裂、刹那间天旋地转，或飞沙走石，或排天海浪，这样一种显示大自然威严的景象，给人以极为深刻的印象。但时至今日，甚至在今后相当长的时期内，作为一种严重地质灾害的破坏性地震，仍然是一种难以预测的自然现象。
天然地震就其成因可分为（天然的）构造地震、火山地震、崩塌地震、陨石地震等类型。其中由于地壳的断裂、褶皱等构造运动产生的构造地震占天然地震的多数。由于人类活动引起的地震有水库地震和核爆炸地震等。
对地震的定义实际上有多种理解，但一般来说至少涉及四个方面：能量释放、岩体破裂、地震波、破坏作用。地震涉及地球内部的能量释放，但不是所有的地球能量释放都与地震有关。如地磁能的释放（极光）并不引起地震；热能的释放（火山爆发）也不一定都引起地震，即使是与地震关系最密切的机械能释放，也只是在释放过程时间极短，并产生能引起破坏作用的地震波时，才发生地震。
地震的破坏作用主要是指地震波对地面建筑物的破坏。发生在人口稠密地区的强烈地震及其伴生的火灾等会造成生命、财产的巨大损失，并可能在地震发生后由于人类生存条件恶化（水源、食物供应中断，居住环境破坏，通讯中断）而造成瘟疫等次生灾害。还可能由于人类的错误行为（抢劫、偷盗）形成人为的灾害。历史上的大地震都以其突发性、巨大的破坏性和恢复正常生活的长期性，给人以深刻的印象。
我国地处欧亚大陆板块东南部，在欧亚大陆板块和太平洋板块、菲律宾板块的交汇处，受环太平洋地震带及喜马拉雅地震带的影响，因此地震活跃区范围广（基本烈度定为7度以上地区面积达312×104 km2，占国土面积的32.5%，其中包括全国299个城市中的136个），地震活动频度高、强度大、震源浅（多为70 km以内），是地震灾害严重的国家。
2.滑坡
斜坡上的岩石、土壤块体在重力的作用下沿软弱面整体向下滑动的地质现象称为滑坡（俗称“走山”、“跨山”）。滑坡多发生在地形起伏大、断层发育和多暴雨的地区。世界上几乎每个国家都有滑坡发生，诱发的原因为：暴雨、冰雪融化、地震、火山及人类活动。
3.泥石流
在山区沟谷中，由于暴雨、冰雪融化等水源诱发的含有大量泥沙、石块的特殊洪流叫泥石流或泥流（mudflow）。泥石流实际上是含有大量悬浮颗粒（大小不等）和粉砂的水流，与一般水流相比，泥石流有大得多的密度和黏滞性，因此在其流动过程中，先是体积或重量最大的岩石块体先沉积下来，然后其余部分继续流动，沿山坡流动时，速度可达100 km/h，有巨大的破坏作用。由于泥石流的黏滞性很高，因此不可能流得像水流一样远，在流动一定距离后陆续发生沉积，所产生的沉积物由粉砂、巨砾、岩屑和被挟裹的有机物组成，泥石流形成的沉积物边界明显，外缘多呈叶缘状，高度可达3～6 m。
4.地面塌陷
地面塌陷发生在地下为石灰岩溶洞、暗河发育区的地表，或是在采矿区内，没有及时回填的采空区，或是在年久失修的地下坑道（如“深挖洞”时期修建的人防工事）的地表。在这些地下有空洞区域的顶部，由于承受不了地面压力而发生的陷落。
5.地面沉降
地面沉降是在一定的地表面积内发生的地面海拔标高降低的现象。地面沉降的自然原因是地壳构造运动、近地表处第四纪沉积物的天然固结等自然因素所致；人为的原因则是由于地下水长期过量开采或油气田开发引起地表水平高程的降低；另外自然和人为因素的共同作用，如日地关系的变化和人类大量使用燃料产生的温室效应而导致的海平面上升。在人口密集的沿海大城市，由于地下水的大量开采和大规模城市建设，人为因素逐渐成了地面沉降的主要原因。这种地壳的垂直变形虽然不一定立即引起灾害，但可能是潜在的灾害根源：地表沉降可能造成地下的水、煤气等管道的破裂，建筑物地基下沉，还可能引起海水倒灌，因而使土壤盐碱化。
6.煤田火灾
出露在地表或在地下的煤层和空气中的氧接触，发生氧化作用，所产生的热积累（由于通风不畅等原因）到一定程度，达到煤的燃点，就会发生自燃，美国的科罗拉多和蒙大那的煤田都有多年自燃的记录。
7.人为地质灾害
据不完全统计全国每年因采矿引起的塌陷近200处，塌陷坑1600多个，直接经济损失4亿多元，此外每年还要直接破坏和侵占土地200 km2。由于盲目开采矿产而造成地质灾害的最明显事例是在长江三峡的链子崖，链子崖是一个断层，江北右侧山体未发现煤层，整个体岩层多年保持稳定。而江南左侧山体有薄煤层，由于长期掠夺性开采（经济效益仅十几万元），采空区未回填，因此山体出现裂缝，而且整个山体向北移动，一旦出现滑坡，将使这—段宽度仅约百米江段发生碍航，初步估计经济损失将达8～9亿元。国家为此专门成立了“长江三峡链子崖和黄蜡石地质灾害防治指挥部”，其中链子崖危岩治理已历时6年，经费投入数千万元。