地表水(例如河水)与地下水接 触处由于浓差形成的扩散电场，一 般约10～20毫伏，地表水常处于浓度 小的溶液状态，常为负电位。 虽然扩散电场强度较小，有时 还是可用以圈定埋藏不深的矿化水 分布区和进行小范围内的地质填图 等问题。
§8.2 自然电场测试方法

仪器：电位差计（或电阻率仪器，但要 关掉极化补偿），测量电极MN（不极 化电极） 观测方法：(1)电位观测法；(2)电位梯 度观测法；(3)追索等电位线法。通常 野外应用的是电位观测法。 电位观测法一般有自电剖面法、十 字法、环形法三种。

自然电场法的资料可处理成自电剖面图和 自然电位等值线图
对于渗透过滤电场，出水口呈现高电位、入 水处呈现低电位； 对于扩散（吸附）电场，浓度低的（矿化度 低）一方呈现低电位； 电子型导体（矿体）上方呈现低电位，带状 脉自电曲线偏向倾向的反方向。
1.
2.
3.
自然电场法的应用实例
1.
检测某校游泳池底部灌浆加固效果
可绘制自然电位剖面图、 自然电位剖面平面图、自 然电位等值线平面图等。 测试时，以N极为基准点， M极的电位UM为纵坐标， 测点为横坐标，首先绘制 自然电位剖面图
电位法布置图

梯度法不设基准点，在剖面方向上顺序测试 M、N之间的电位差。 由于自电梯度值一般很小，且自电的观测精 度较低（±5mv），所以梯度法相对误差较 大，实际工作中多采用电位法（仅在工业游 散电流干扰严重时采用梯度法）。
M1 N1 M2 N2 M3 N3 M4 N4
Hale Waihona Puke 自电十字法通常为观测抽水井的影响半径
（降落漏斗）而采用的方法。（电位法的变 异）
2. 自电十字法
实测时，以抽水井为中心，剖面布臵成十字 型，N极固定在影响半径以外做基准点，M极 以井为中心沿十字线分别测试四个方向的电 位降落。
抽水后
抽水前
Rf
实际影响半径：
△P 为空隙或毛细管的端压（用大气压表示） ρ
水
水溶液的电阻率
△U 电位差（mv）
山地电场电位曲线 由地形起伏引起的 过滤电场常称为山 地电场。当地表水 顺疏松层由山顶渗 透到山谷时，在山 顶形成负电位，而 山谷为正电位，其 电位剖面曲线与地 形剖面大致成镜像 关系：在山顶电位 有极小值，而山谷 有电位极大值。
2. 寻找水库坝体渗漏位置
图4 图4为水库坝体与左坝肩接触处水上自 然电位探测工作布置图、图5是横穿水 库坝体与左坝肩接触面剖面上的自然 电位曲线，自然电位从左到右的变化 特征是: ①在0～41m的测线范围内属坝体区段, 自然电位比较平稳, 自然电位值大于4.0mv , 说明坝体完整, 没有漏水; ②在41～92m的测线范围内, 属坝体与 左坝肩的接触带范围, 自然电位值小 于-4.0mv,是漏水反映,于是把这一段 划为库水的渗流区; ③在测线距离为92～140m的范围内, 属山体范围自然电位较平稳, 没有漏 水现象; ④在测线的140m 处,产生了明显的自 然电位异常,峰值为- 19mv,经验证, 该异常是发电用进水管排水产生的; ⑤测线距离为140～160m 的范围内, 自然电位较平稳, 没有漏水现象
花岗斑岩
3. 找矿

在某金矿区应 用交流激电、 电阻率、自然 电场等综合电 法勘探成果 （经验证矿体 品位＞1g/T）
4. 地质填图


左图为我国某铅锌矿区应用自 然电场法进行石墨化地层地质 填图的实例。 由图可见，在该区震旦纪砂岩 与石墨比板岩互层的地层上， 得到强度高达一900毫伏的自 然电场异常，异常走向近南北 方向，呈狭长带状，与地层走 向一致，异常带内的负值中心 是由该处石墨化程度较高所引 起，平面图上等值线密集，常 以这些特征将其与矿体异常区 分开。

自然电场的测量装置图
G R 地面
M
N
不极化电极介绍

不极化电极的结构如 图所示，其特点是铜 电极通过硫酸铜溶液 间接与地接触，由于 M、N两电极都处于 硫酸铜饱和溶液中， 两电极具有相同的电 极电位，其电极极化 电位差约等于零（不 得大于2mv）。
1. 自电剖面法
自电剖面法分电位法和梯度法两种
采用自电剖面法测试，结果以等值平面图显示。 从图中可以看到, 在游泳池的A点处出现了明显 SP负异常, 异常最小值为-7.0 , 根据-3.0异常等 值线圈定了池底漏水范围。A 点处正好是游泳池 浅水区到深水区斜坡的上缘, 地层受扰动时扭力 作用最为集中的地方。探地雷达探测证实在A 点 处存在一东西向的裂缝,长9m左右, 位置与自然 电位圈定的位置相吻合。另外, 在图中B、C、D E位置上也有SP 较小的异常, 异常值在-3, 都集 中在深水区。
电位线 等高线
在平面图上，山地电场电位线与 山地等高线有近似的形态。
三、扩散电场
当两种浓度不同的溶液相接触时， 便会产生扩散现象。溶质由浓度大的溶 液移向浓度小的溶液里以达到浓度平衡， 正、负离子将随着溶质移动，但其运动 速度(即迁移率)不同，结果使两种不同 浓度的溶液中，分别含有过量的正离子 或负离子，形成电动势，这种电场称为 扩散电场。
① 寻找电子导电型的金属与非金属矿床(如硫
化矿床、石墨矿床、无烟煤等)； ② 在水文地质调查中确定地下水流速、流向， 补给关系等问题； ③ 水文试验中的确定抽水井影响半径； ④ 工程地质中寻找水库大坝的渗漏点、岩溶区 的落水洞、构造破碎带、裂隙等位置。
§8.1 自然电场的成因
产 生 自 然 电 场 的 导 体
RN (1.1 ~ 1.15) R f
3. 自电环形法

环形法用于测量地下水的流向。测线按环形辐射布 臵，间隔一般为30～45°，M、N对称布臵在测量 圆周上，每测线互换M、N测试两次，取其绝对值 的算术平均值（但必须记住电位的正负方向）。
N3 M N2 + 水流方向
M1
N1
M2 M3
N
-
§8.3自然电场法资料解释及应用
溶液在渗透压力作 用下，通过岩石颗 粒间的孔隙时，颗 粒将负离子吸向孔 隙壁，使运动着的 溶液中正、负离子 的数目不相同，结 果是多余的正离子 出现在靠近孔隙出 口的一端，形成高 电位。
过滤电场的强度显然与渗透压力的大小 以及岩石、溶液的性质有关，利用下式可对 过滤电场电位差之大小作出近似估算：
在自然条件下，无需向地下供电， 地面两点间通常能观测到一定大小 的电位差，这表明地下存在着天然 电流场，简称自然电场。 这种场主要由电子导电矿体的天然 电化学作用和地下水中电离子的过 滤或扩散作用以及大地电流和雷雨 放电等因素所形成。


自然电场法能解决的地质、水工问题 自然电场法是应用最早的一种电法勘探 方法。在以下方面得到广泛应用：
电化学电场机理模型
二、过滤电场


当溶液经过多孔岩石进行渗透时，由于岩石 颗粒对正、负离子有选择的吸附作用，便出 现正、负离子分布的不均衡，从而形成自然 电场。 实践表明，石英晶体、硫化物、泥质颗粒以 及所有泥质岩层等均具有吸附负离子作用， 而碳酸岩类的石灰岩、白云岩则具有吸附正 离子作用。总的看，沉积岩大多数具吸附负 离子作用，通常说的岩石的吸附作用一般仅 指其吸附负离子的特性。
电子导体-----氧化还原电场
离子导体
过滤电场 扩散电场
一、氧化还原电场

野外观测资科表明，与金属矿床有关的 电化学电场通常在地面上能引起几十至 几百毫伏的电位异常，其电场类似地下 存在一个“原电池”的电场，且常在矿 体顶部呈现电位负值。 矿体电化学电场的形成原因较复杂，它 与矿体成分及围岩中溶液的性质有关。 对于如何详细了解这一物理化学过程， 迄今仍需进一步研究的问题。
地下水中通常含氯化钠(Nacl)，当水
溶液浓度相差很大时，溶液中的钠离子
(Na+)与氯离子(cl-)将向浓度小的溶液一方
移动，由于氯离子的迁移率大于钠离子，因
而在浓度小的溶液一侧氯离子数较钠离子多，
获得负电位，另一侧为正电位，形成扩散电
场。
扩散电场一般都很弱。纯扩散一般不存
在，通常与渗透过滤作用同时发生。
课堂作业
1.
能形成自然电场的导体有哪两种？分 别可形成何种自然电场？简述其形成 机理。 自然电场法可解决哪些水文地质问题？ 用自电法如何确定抽水井影响半径？
2.

较统一的看法为：
当电子导电矿体赋存于含孔隙水(离子导 电)的围岩中，且矿体一部分处于地下水面之 上的氧化环境里，另一部分处于地下水面之 下还原环境中，这时含有大量氧气的地表水 容易达到矿体的上部周围，溶液具有很强的 氧化性质。
矿体上部
在这种环境中，溶液中的物质就是氧化 剂，它将从矿体上夺取电子使自己的离子价 数降低，它本身进行还原反应。溶液物质还 原反应使围岩溶液中某些物质得到电子，使 原呈中性的溶液带负电，出现过多的负离子， 便在上部矿体与周围溶液间形成了一个“半 电池”。
下部矿体
处于地下水面以下的还原环境，由于离 地表较远，矿体本身及围岩的风化程度低， 质地较致密，地下水和氧气不易进入，溶液 中某些离子将电子交给矿体即发生氧化反应 以提高其自身的离子价数，其结果是溶液出 现过多的正离于，于是在矿体——溶液间形 成了一个与上部矿体极性相反的“半电池”。
由于溶液的电性有保持中性的趋势，矿 体上半部围岩溶液因上述作用引起总的负电 荷增加，便需增加溶液中的正离子或由溶液 中移去负离子；矿体下部围岩溶液的情况却 相反，需要移去正离子或增加负离子。因此， 需要使正离子向矿体上部移动，负离子移向 矿体下部深处，便形成由良导矿体为外线路 的一个完整的电流回路，见下图：
第八章
自然电场法
天然场电（电磁）法方法分类
自然电场法 大地电流法 大地电磁法 音频磁场法
在地球表面可以观测到天然的大地电（流）场、磁场、电 磁场。这种地下电场、电流场、电磁场的分布与电性非均 匀体的存在和分布状态、方式有关。研究它们在空间/时 间/频率域相对于均匀介质分布时的场(正常场)分布畸变 特征(异常场)，从而反演电性非均匀体的存在和分布状态， 解决地质问题