Các quá trình hoá lý khi dầu tràn bị phong hoá trong môi trường biển được thể hiện chi tiết như trong Hình 4.2.
Hình 4.2: Quá trình phong hóa dầu
Quá trình phong hoá gồm một chuỗi các thay đổi hóa lý làm cho dầu tràn bị phá vỡ cấu trúc phân tử hoặc thay đổi thành phần và trở nên nặng hơn nước chịu chi phối bởi các yếu tố môi trường như sóng, gió và dòng chảy… Các quá trình hoá lý chủ yếu bao gồm:
Quá trình bay hơi: xảy ra khi các thành phần nhẹ trong hỗn hợp dầu bị bốc hơi và bay lên khỏi mặt biển. Kết quả của quá trình này là hỗn hợp dầu còn lại chỉ chứa các thành phần nặng hơn nước biển và có thể chìm xuống đáy biển sau quá trình phong hóa dầu;
Quá trình oxy hóa: xảy ra khi dầu tràn tiếp xúc với nước và oxy, hình thành các loại hợp chất có thể tan trong nước. Do quá trình này chủ yếu diễn ra tại phần biên của các váng dầu nên các váng dầu dày chỉ bị oxy hóa một phần và tạo thành các viên dầu nhỏ lơ lửng trong nước. Các viên dầu này tồn tại trong môi trường trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó có thể bị các trầm tích biển bám vào và trôi dạt vào bờ sau sự cố tràn dầu.
Quá trình phân hủy sinh học: nước có chứa hàng loạt vi khuẩn có khả năng phân hủy từng phần hoặc toàn bộ dầu tràn thành các hợp chất hòa tan được trong nước và cuối cùng thành cacbon dioxit và nước. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả của phân hủy sinh học là mức độ chất dinh dưỡng (nitơ và phốtpho), nhiệt độ và hàm lượng oxy;
Quá trình nhũ tương hóa: xảy ra khi các giọt nước trở thành huyền phù trong dầu với tác động chủ yếu từ sóng biển. Nhũ tương kiểu này thông thường rất sệt nhớt và bền hơn dầu nguyên thủy, hay có dạng mút màu sôcôla. Quá trình hình thành nhũ tương sẽ tăng tỷ trọng của lưu chất từ ba đến bốn lần, làm chậm trễ và cản trở các quá trình phân hủy dầu. Quá trình này làm cho dầu có thể chìm xuống và biến mất khỏi mặt biển, điều này thường gây nên sự nhầm tưởng rằng chúng đã biến mất và mối nguy cho môi trường đã chấm dứt.