Геологическое строение и полезные ископаемые. Северная часть К. м. представляет собой окраину Прикаспийской синеклизы Восточно-Европейской платформы; Мангышлакский порог структурно связан с герцинским погребённым валом Карпинского на западном берегу моря и с горами Мангышлака на восточном. Дно Среднего Каспия имеет гетерогенную структуру. Его восточная часть — погруженный участок эпигерцинской Туранской платформы; Дербентская впадина, а также западные участки шельфа и материкового склона — краевой прогиб геосинклинали Большого Кавказа. Апшеронский порог соответствует одному из ответвлений новейших структур, сформировавшихся на погружении складчатых образований Большого Кавказа и соединяющих их со складчатыми сооружениями Копетдага. Южный Каспий характеризуется субокеаническим строением земной коры, здесь отсутствует гранитный слой. Под осадочным слоем мощностью до 25 км (что указывает, очевидно, на большую древность впадины Южного Каспия) залегает базальтовый слой мощностью до 15 км .

  Вплоть до верхнего миоцена Каспий как морской бассейн в своей геологической истории был тесно связан с Чёрным морем. После верхнемиоценовой складчатости эта связь прервалась, К. м. превратилось в замкнутый водоём. Связь с океаном возобновилась в верхнем плиоцене, в акчагыльский век. В антропогене в связи с чередованием на Восточно-Европейской равнине ледниковых и послеледниковых эпох К. м. неоднократно испытывало трансгрессии (бакинская, хазарская, хвалынская) и регрессии, следы которых сохранились в виде террас на побережье моря и в стратиграфии древнекаспийских отложений.

  На шельфе распространены терригенно-ракушечные пески, ракуша, оолитовые пески; глубоководные участки дна покрыты алевролитовыми и илистыми осадками с высоким содержанием карбоната кальция. На отдельных участках дна обнажаются коренные породы неогенового возраста. На дне К. м. имеются богатые месторождения нефти и газа. Нефте-газоносными являются Апшеронский порог, дагестанский и туркменский районы моря. Перспективны на нефть и газ участки дна моря, прилегающие к Мангышлаку, а также Мангышлакский порог. Залив Кара-Богаз-Гол представляет собой крупнейшее месторождение химического сырья (в частности, мирабилита).

  Климат. Главные барические центры, определяющие атмосферную циркуляцию в области К. м., — отрог азиатского максимума зимой и отроги азорского максимума и южно-азиатского минимума летом. Характерными чертами климата являются: значительную континентальность, преобладание антициклональных условий погоды, сухие ветры, суровая морозная зима (особенно в северной части), резкие температурные изменения в течение года, бедность осадками (исключая юго-западную часть водоёма). На атмосферных фронтах развивается циклоническая деятельность, также являющаяся важным элементом климата и погоды на Каспий. В северной и средней частях К. м. с октября по апрель преобладают ветры восточных румбов, с мая по сентябрь — северо-западных румбов; в южной части моря наиболее резко выражен муссонный характер ветров. Самыми сильными ветрами отличается район Апшеронского полуострова (бакинский норд, дующий главным образом осенью), восточное побережье средней части и северо-западный район северной части; здесь часты штормы, при которых скорость ветра достигает более 24 м /сек .

  Средняя многолетняя температура воздуха тёплых месяцев (июль — август) над всем морем равна 24—26 °С, абсолютный максимум (до 44 °С) отмечается на восточном побережье. В зимние месяцы температура изменяется от —10 °С на С. до 12 °С на Ю. Над морем выпадает в среднем 200 мм осадков в год, на западном побережье — до 400 мм , на засушливом восточном — 90—100 мм , в субтропической юго-западной части побережья — до 1700 мм . Испарение с большей части поверхности моря весьма велико — до 1000 мм в год; в восточной части Южного Каспия и в районе Апшеронского полуострова — до 1400 мм в год.

  Гидрологический режим. В К. м. господствует циклональная циркуляция вод, обусловленная главным образом речным стоком и господствующими ветрами. Массы воды движутся с С. на Ю. вдоль западного берега моря к Апшеронскому полуострову, где течение разделяется: одна ветвь продолжается вдоль западного берега, другая пересекает К. м. в области Апшеронского порога и у восточного берега соединяется с водами, движущимися на С. вдоль восточного берега из Южного Каспия. В Южном Каспии также наблюдается циклональная циркуляция, но менее четко выраженная, а между Баку и устьем р. Куры осложнённая местной антициклональной циркуляцией. В Северном Каспии преобладают неустойчивые ветровые течения различных направлений. Скорость их обычно 10—15 см /сек , при сильных ветрах, совпадающих с направлением течений, скорость может достигать 30—40 и даже 100 см /сек . Частая повторяемость умеренных и сильных ветров обусловливает большое число дней со значительным волнением. Максимальная наблюдающаяся высота волн до 11 м — в районе Апшеронского порога. Температура воды летом на поверхности составляет в среднем 24—26°C, на Ю. — до 29°C, в Красноводском заливе — до 32°C. У восточных берегов в июле и августе температура иногда понижается до 10—12 °C. Это явление связано со сгонным влиянием ветров и подъёмом глубинных вод. Зимой отмечаются значительные контрасты температур: на С. — отрицательные температуры (до —0,5 °С), в Среднем Каспии 3—7 °С, в Южном 8—10 °С. Северная часть моря замерзает обычно на 2—3 мес ., толщина льда достигает 2 м . В Среднем Каспии в суровые зимы замерзают отдельные мелководные заливы. Нередки случаи интенсивного взламывания льдов ветром и их дрейфа из Северного Каспия на Ю. вдоль западного берега. В отдельные годы плавучие льды достигают района Апшеронского полуострова и способны причинять значительный ущерб гидротехническим сооружениям в море.

  Средняя солёность вод 12,7—12,8 ‰, максимальная (не считая залива Кара-Богаз-Гол) у восточных берегов — до 13,2 ‰, минимальная на С.-З. — 1—2 ‰. Колебания солёности по площади моря, по вертикали и во времени незначительны, и только на С. они более заметны в связи с колебаниями стока Волги. Состав солей отличается от обычного океанского большим содержанием сульфатов, карбонатов кальция, магния и соответственно меньшим содержанием хлоридов, что обусловлено влиянием стока рек.

  Вертикальное перемешивание вод в зимнее время охватывает всю толщу воды в Северном Каспии и слой 200—300 м в глубоководных районах, летом и осенью ограничивается верхним слоем 15—30 м . В эти сезоны на нижней границе верхнего хорошо прогретого и перемешанного слоя (15—30 м ) образуется интенсивный слой скачка температуры (несколько градусов на метр), препятствующий распространению тепла в глубинные слои моря.

  Колебания уровня. Кратковременные непериодические колебания уровня К. м. обусловлены сгонно-нагонными явлениями, которые на С. могут вызвать кратковременное повышение уровня на 2,5—2 м или понижение до 2 м . Наблюдаются сейши с периодом от 10 мин до 12 ч с амплитудой до 0,7 м . Отмечаются небольшие сезонные колебания уровня (около 30 см ).

  Уровень К. м. подвержен значительным многолетним и вековым колебаниям, определяемым главным образом изменениями его водного баланса. По геологическим, археологическим, историческим и геоморфологическим данным установлено, что высокий уровень К. м. (до отметки 22 м ) был отмечен 4—6 тыс. лет назад, в начале н. э. и в начале 19 в. (новокаспийская трансгрессия). Известно также, что в 7—11 вв. н. э. был низкий уровень (возможно, на 2—4 м ниже современного). Последнее крупное снижение уровня происходило начиная с 1929 (когда уровень был на отметке около 26 м ) до 1956—57. Ныне уровень колеблется в пределах нескольких см около отметки 28,5 м . Причинами последнего падения уровня, кроме климатических изменений, обусловивших уменьшение стока рек в К. м. и увеличение испарения с его поверхности, были также гидротехническое строительство на Волге (создание крупных искусственных водохранилищ) и расход речных вод на орошение засушливых земель и на производственные нужды. Отрицательно сказывается на водном балансе также сток вод К. м. в заливе Кара-Богаз-Гол, уровень которого на 4 м ниже уровня Каспия. В целом составляющие водного баланса на 1970: приход — осадки 66,8 км³ , речной сток 266,4 км³ , подземный приток 5 км³ , расход — испарение 357,3 км³ , сток в Кара-Богаз-Гол 4 км³ , забор воды из моря 1 км³ . Превышение расходной части над приходом воды обусловливает среднее годовое понижение уровня (за период 1966—67) на 7 см . Для предотвращения дальнейшего падения уровня моря (к 2000 возможно понижение уровня на 2 м ) разрабатывается ряд мероприятий. Существует проект переброски стока северных рек — Вычегды и Печоры — в бассейне Волги, что даст Волге и К. м. около 32 км³ воды в год; разработан (1972) проект зарегулирования стока каспийских вод в залив Кара-Богаз-Гол.