《自然电场法》课件

精度低
由于自然电场法的信号是自然产生的，因此精度 相对较低，难以获得精确的地质信息。
探测深度有限
自然电场法的探测深度相对较浅，对于深层地质 体的探测效果不佳。
自然电场法的改进方向及技术发展趋势
提高信号强度
可以通过改进采集设备和技术 ，提高自然电场法的信号强度
，提高探测精度。
结合其他物探方法
将自然电场法与其他物探方法 相结合，可以互相补充，提高 探测效果。
硬件
高精度电场仪、磁场仪、地震仪等相 关物探仪器。
相关案例和数据资料
案例
国内外某几个矿区的地质和物探资料，包括但不限于地质图 、物探数据、处理结果和结论等。
数据资料
各种类型的物探数据，如电阻率、磁异常、重力异常等，以 及相关的地质和工程资料。
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物探-自然电场法课件
• 自然电场法概述 • 自然电场法的基本原理 • 自然电场法的实施方法
• 自然电场法的实例分析 • 自然电场法的优缺点及改进方向 • 相关附录
01 自然电场法概述
自然电场法的定义
自然电场法是一种地球物理勘探方法，利用地下岩层或矿体的电化学性质差异， 通过测量自然电场强度和分布规律，推断地下地质体或矿体的分布特征及空间位 置。
数据整理
整理测量得到的电位差数据，分析其规律和异常值。
自然电场法的室内数据处理流程
数据清洗
去除异常值和噪声数据，保证 数据的质量和可靠性。
数据解析
根据地质情况和相关理论，对 数据处理得到的数据进行解析 。
数据导入
将野外测量得到的电位差数据 导入到数据处理软件中。
数据插值
使用插值算法将离散的电位差 数据转化为连续的数据曲面。

y U 2l 2
4U 1d
与粒子的电量q、 质量m无关
例与练
9、试证明：带电粒子垂直进入偏转电场，离开电
场时就好象是从初速度所在直线的中点沿直线离
开电场的。 x
θ
qUl 2
y

2
mv
2 0
d
tan qUl
mv02d
qUl 2
x y

2 mv
2 0
d
tan
qUl
mv
2 0
d
l 2
例与练
eU0

1 2
mv02
mv02 2eU0
tan Ul
2U0d
电子离开电场，就好象从中点沿直线离开的：
y'(l 2l)tan
2 5Ul 2
4U 0d
y'
θ
例与练
11、质量为1×10-25kg、电量为1×10-16C
的带电粒子以2×106m/s速度从水平放置的
平行金属板A、B中央沿水平方向飞入板间，
带电粒子在电场中的运动
复习提问
1牛顿第二定律的表达式是什么？ 2动能定理的表达式？
3.电场力做功的计算公式？
4.匀变速直线运动的基本公式有哪些？
速度公式 位移公式 导出公式
V=v0+at x=v0t+1/2at2
v2-vo2=2ax
5.平抛运动的相关知识点。
G
电场中的带电粒子一般可分为两类：
1、带电的基本粒子：如电子e，质子11H，α粒子， 正负离子等。这些粒子所受重力和电场力相比在小得 多，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重 力。（但并不能忽略质量）。
例与练

围岩溶液则因缺氧而具有较多的还原性质，这样 导体上、下部分总是处于不同的溶液中，处于氧化 带中的矿体上部将被氧化，处于还原带中的矿体下 部将被还原，下面以黄铁矿（硫化铁 FeS2）为例， 说明这一电化学过程。 先讨论氧化作用。黄铁矿和水及水中的氧发生作 用而变为亚硫酸铁，化学反应式如下： 2Fe+2S2+2H2O+7O2=2Fe+2SO4+2H2SO4。 亚硫酸铁再被氧化，并和硫酸作用，将生成硫酸铁： 4Fe+2SO4+2H2SO4+O2=2Fe2+3(SO4)3+2H2O。
该区利用自然电场法作为主要的普查手段， 在很短时间内扩大了原已勘探的Ⅰ号矿体的 规模，并发现了十二个自然电场异常，其中 除一个推断为炭质板岩外，其余十一个异常 经钻探验证，有八个异常见矿。图3.3—4给 出了其中两个典型剖面曲线，矿体上对应有 －200~－400mV的异常。
图3.3—4 青海某铜然矿床自然电位综合剖面图 1-超基性岩；2-浮土；3-矿体；4-氧化矿；5-平巷
最后分析矿体氧化—还原电场的特点。从图 3.1—1中可以看出：在氧化带中，矿体带正电荷， 而周围溶液带负电荷；在还原带中，情况相反。 由此可知，在矿体内部电流线是从上向下的，而 在矿体外部电流线是从矿体下部到矿体上部的， 在地面上看，自然电流从四面八方流向导体，因 此离导体越近，电位越低。在矿体正上方的电位 最低，称为自然电位负中心，在硫化金属矿和磁 铁矿体上，可以测到几十到几百mv的负电位异 常；在石墨或石墨化程度较高的岩层上，可以测 到800—900mv甚至更高的负电位异常。
因此，电子导体周围产生稳定电流场的条件是： 导体或溶液具有不均匀性，并有某种外界作用 保持这种不均匀性，使之不因极化放电而减弱。 如图3.1—1所示，赋存于地下的电子导电矿体， 当其被地下潜水面截过时，往往在其周围形成 稳定的自然电场。其原因是，潜水面以上的围 岩中，由于靠近地表，加上地表水的淋滤渗透 而富含氧，使这里的围岩溶液具有氧化性质。 随着深度的增加，岩石孔隙中所含氧气逐渐减 小。当到达潜水面以下时，

复 习 ： 几 个 基 本 概 念
常用的电法勘查方法及利用的物性 方法 利用的物性
电阻率法 导电性 充电法 导电性 自然电场法 导电性和电化学活动性 激电法 导电性和电化学活动性 （直流激电 和谱激电法） 电磁法 导电性和导磁性 （频率域电磁法和时间域电磁法）
充电法

1. 2. 3.
基本概念及应用领域 充电法的基本原理

二、充电法的实际应用

充电法应用的条件
1、探测对象的电阻率ρ1 应远远小于围岩电阻率 ρ2； 2、围岩岩性比较单一，地表介质电性均匀稳定， 地形起伏不大； 3、埋于地下的充电体必须有露头，或是天然露 头或是人工露头（浅井、泉眼、钻孔、坑道等）

充电法的野外工作方法
N
1、电位法 N极置于距充电体足够远的某一固 定基点上。M极沿测线逐点移动， 观测各测点相对于固定基点的电 位差，即为该点的电位值U，为了 消除电流变化的影响对电位值进 行电流归一，用U/I表示。 2、电位梯度法 MN置于同一测线上，保持相对位 置和间距不变，沿测线逐点移动， 计算电位梯度ΔU /Δ x = ΔU /MN， 进行电流归一后表示为ΔU /I•MN
过滤电场的形成


在离子导体的裂（孔）隙处， 双电离相互之间靠的很近， 在液体流动时，扩散带阳离 子将被带走。相对而言，此 处出现了极化，在水流上游 呈现负电位，而下游正离子 相对集中呈正电位——电化 学称之为流动电位。 上述极化过程，如同水流过 岩石，岩石颗粒滤掉阳离子， 剩下阴离子—称为过滤电场。
导体周围的自电场
一、自然电流场的成因及分布规律

地下产生稳定自然电流场的直接原因是地下介 质内存在着电极化现象。 所谓电极化是指呈现电中性（正负电荷保持平 衡）物质或系统在一定条件下其正、负电荷 （电子或离子）产生彼此分离，偏离平衡状态 的现象。

在水文地质调查中，利用自然电场法对离 子导电岩石过滤电场的研究，可以寻找含水破 碎带、上升泉，了解地下水与河水的补给关系 ，确定水库及河床堤坝渗漏点等。图3.2.9是利 用自然电场法确定地下水和地表水的补给关系 的实例。当地下水补给地表水时，在地面上能 观测到自然电位的正异常，图3.2.9(a)为灰岩和 花岗接触带上的上升泉，有明显的自然电位正 异常显示；相反，当地表水补给地下水时，则 观测到自然电位负异常，图3.2.9 (b)为水库渗漏 地点上出现的自然电位负异常。
图3.2.7 裂隙渗漏电场及上升泉电场 (a) 裂隙渗漏电场; (b) 上升泉电场
在自然界中，山坡上的潜水受重力作用，从 山坡向下逐渐渗透到坡底，因而在坡顶观测到 负电位，在坡底则观测到正电位。这种过滤电 场也称为山地电场。图3.2.8为一种典型的山地 电场，从图可见，在山顶出现的自然电位负异 常强度达-30mV。过滤电场的强度在很大程度 上取决于地下水的埋藏深度以及水力坡度的大 小。当地下水位较浅，而水力坡度较大时，会 出现明显的自然电位异常。
（二）充电法的实际应用 充电法在水文、工程及环境地质凋查中，主要
用来确定地下水的流速、流向，追索岩溶区的地下 暗河分布等。
1、测定地下水的流速、流向 应用追索等位线的方法来确定地下水的流速、 流向，一般只限于在含水层埋深较浅，水力坡度较 大以及围岩均匀等条件下进行，具体做法是：首先 把食盐作为指示剂投入井中，盐被地下水溶解后便 形成一个良导的、并随地下水移动的盐水体。然后 对良导盐水体进行充电，并在地表布设夹角为45°的 辐射状测线，并按一定的时间间隔来追索等位线， 见图3.2.3。
通过观测和研究这种自然电场的分布，以 进行地质填图、找矿或解决水文、工程及环境 地质问题的电法勘探方法，称为自然电场法。 自然电场法是电法勘探中应用最早的一种方法 ，由于它不需要人工施加电场，所以在仪器、 设备及野外工作方法方面都较任何一种其他电 法勘探方法简单。

提出了“ 膜极化”假说。 首先是双电层理论，由于电荷的吸引，形成如
所示的结构 在窄孔中形成正离子堆积，继而形成电 离子浓度梯度，反过来又阻碍离子运动，当断电后 浓度的扩散电位形成二次场，直到恢复原来状态。
我们观测的就是二次场△ V2 。
第三十九页，共69页。
图1－7.6 薄膜极化(jí huà)原理
?V
（0.45~1.1 秒）对放电曲线下部面积的积分与△ V的
比值。
衰減速度 D＝△V2（t1）/ △V2(t2) 即不同时刻放电
第三十五页，共69页。
电位(diàn。wèi)比值
常用(chánɡ ty1ò＝nɡ0).的25有秒
t2＝2秒
t1 ＝1秒
t2＝5秒
t1 ＝5秒
t2＝20 秒
③衰减(sh（uāsi）j(常iǎ用n)半时衰时，即 50%的衰减时间 )
第三十四页，共69页。
水， 铁矿等都有高数字的极化(jí huà)率（与围岩比）。
量方法与对称(duìchèn)四极化相同，只是供电时间3一0 般为
秒（有的仪器(y1í0q秒ì)）。
V
②时间特征参数
1.1
0 0.45
1.1 t
? 荷电率（ M） M ? 0.45 ? V2 (t )dt 即在特定时间区域内
④布极方向问题 在探测地下水时，布极方向与测试参数的稳定性
有直接关系，一般顺岩层走向，沿地下水流向较为
合适，但有时地形条件不允许，这就给探测和资料
解释带来困难。
第四十六页，共69页。
⑤激电异常(yìcháng)与地下水的富水性关系问题
激电找水的目的是解决某一深度(shēndù)是否有水，富水
性大小，这一问题比较复杂，可以通过(tōngguò)参数异常值

图 2.2.4 充电法追索地下暗河 Ⅰ—电位曲线；Ⅱ—电位梯度曲线；Ⅲ—地表； Ⅳ—潜水面；Ⅴ—暗河
钻孔，均发现了地下暗河，在推断为支流或充水裂隙带的 c 处也布设了钻孔，但只见到溶蚀 现象。
2.2
自然电场法
电法勘探除广泛利用各种人工电场外， 某些情况下还可以利用由各种原因所产生的天然 电场。 我们能够观测和利用的天然电场有两类： 一类是在地球表面呈区域性分布的大地电流 场和大地电磁场， 这是一种低频电磁场， 其分布特征和较深范围内的地层结构及基底起伏有 关。另一类是分布范围仅限于局部地区的自然电场，这是一种直流电场，它往往和地下水的 运动和岩、矿石的电化学活动性有关。通过观测和研究这种自然电场的分布，以进行地质填 图、找矿或解决水文、工程及环境地质问题的电法勘探方法，称为自然电场法。
也将随着溶质移动， 但不同离子的移动速度不同， 结果使两种不同浓度的溶液分别含有过量 的正离子或负离子，从而形成扩散电动势。电场的方向将视溶液中离子的符号而定，例如， 当两种岩层中含氧化钠的水溶液浓度相差较大时， 扩散电场的符号将取决于钠离子和氯离子 的迁移率， 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的含水岩层中便会获 得负电位，而浓度大的溶液一侧的含水岩层中则显示正电位，从而形成扩散电场。 扩散电场的数值一般比较小， 因为迁移率不同的离子之间总存在着一种吸引力， 这将使 它们的迁移速度减小。 仅管如此， 有时还是可以利用它圈定埋藏不深的矿化水分布区和进行 小范围的地质填图。 在自然条件下， 多孔岩石中的扩散电场常与过滤电场同时产生， 即在不同浓度溶液扩散 作用发生的同时，岩石颗粒对某些离子也会产生吸附作用，形成过滤电场。 2.2.2 自然电场法的应用 在水文地质与工程地质调查中， 自然电场法是应用较为广泛的物探方法之一。 由于它所 观测的是天然电场，不需要电源和供电电极，因此，仪器设备比较简单。自然电场法所用的 仪器与电阻率法相同，但测量电极不是铜棒，而是不极化电极，其目的是为了减小两电极间 的极差对测量结果的影响。 自然电场法的野外工作也需首先布设测线测网， 测网比例尺应视勘探对象的大小及研究 工作的详细程度而定，基线应平行地质对象的走向，测线应垂直地质对象的走向。野外观测 分电位法及电位梯度法两种：电位法是观测所有测点相对于总基点（即正常场、电位为相对 零值）的电位差值；而电位梯度法则测量测线上相邻两点间的电位差。观测结果可绘成剖面 平面图和等值线平面图。

第二节自然电场法在一定的地质-地球物理条件下，地中存在原天然稳定电流场称为自然电场。

基于研究自然电场的分布规律来达到找矿或解决其它地质问题的一种方法称为自然电场法。

本节将讨论自然电场的成因和分布规律，并在此基础上介绍自然电场法的应用。

一、岩石和矿石的自然极化一般情况下物质都是电中性的，即正、负电荷保持平衡。

但在一定条件下，某些物质或系统的正、负电荷会彼此分离，偏离平衡状态，通常称这种现象为“极化”。

某些岩石和矿石在特定的自然条件下会呈现出极化状态，并在其周围形成自然电场，这便是岩、矿石的自然极化。

1、电子导体的自然极化当电子导体和溶液接触时，由于热运动，导体的金属离子或自由电子可能有足够大的能量，以致克服晶格间的结合力越出导体而进入溶液中。

从而破坏了导体与溶液的电中性，分别带导性电荷，并在分界面附近形成双电层，此双电层的电位差称为所论电子导体在该溶液中的电极电位。

它与导体和溶液的性质有关。

若导体及其周围的溶液都是均匀的，则界面上的双电层也是均匀的，这种均匀、封闭的双电层不会产生外电场。

如果导体或溶液是不均匀的，则界面上的双电层呈不均匀分布，产生极化，并在导体内、外产生电场引起自然电流。

这种极化所引起电流的趋势是减少造成极化的导体或溶液的不均匀性。

故若不能继续保持原有的导体或溶液的不均匀性，使之因极化而引起的自然电流会随时间逐渐减小，以至最终消失。

因此电子导体周围产生稳定电流场的条件是：导体或溶液具有不均匀性，并有某种外界作用保持这种不均匀性，使之不因极化放电而减弱。

图2.2.1 电子导电矿体的自然极化及自然电场如图2.2.1所示，赋存于地下的电子导体矿体，当其被地下潜水面截过时，往往在周围形成稳定的自然电场。

原因是，潜水面以上渗透带，由于靠近地表而富含氧气，使那里的（附着水）溶液氧化性较强；相反，潜水面以下含氧气较少，使那里的水溶液相对来说是还原性的。

潜水面上、下部分总是分别处于性质不同的溶液中，在导体和周围溶液的分界面上形成不均匀的双层面，产生自然极化，并形成稳定的自然极化电流场。

上的双电层电位差同周围溶液中的离子浓度有关。
一、自然电场的形成原因
自然电场法
3、扩散电场 （2）电子导体同离子导体相接触
岩层中的水多半是自上而下地渗流着的。在直立矿体的上 部，由于水刚刚接触矿体，溶解的矿物质成分少，离子的浓度
小；而在矿体的下部，由于水长时间冲涮矿体，溶解的矿物质
成分多，离子浓度大。所以，矿体的上部带负电，下部带正电，
2、过滤电场
自然电场法
山地电场的特点：电场的电位 等值线与地形等高线一致。在 山地电场部面上，地形高处出 现电位负中心，山地电场强度
可达
100 ~ 200 mV
一、自然电场的形成原因
2、过滤电场
自然电场法
裂隙渗漏电场及上升泉电场：a）裂隙渗漏电场；（b）上升泉电场
一、自然电场的形成原因
3、扩散电场
一、自然电场的形成原因
自然电场法
1、电化学活动形成的自然电场
黄铁矿（FeS2）为例，上部矿 体的氧化过程：矿体上部失去电子 带正电，水溶液获得电子带负电。
2 Fe S 2 2 H 2 O 7 O 2 2 Fe
2
SO 4 2 H 2 SO 4
4 F e SO 4 H 2 SO 4 O 2 2 F e
Fe
2
S 2 Fe 2
3
( SO 4 ) 3 3 F e
2
( SO 4 ) 3 2 S
一、自然电场的形成原因
自然电场法
1、电化学活动形成的自然电场
1） 氧化作用使得矿体上部与周围溶液的接触面形成电偶极层
还原作用使得矿体下部与周围溶液的接触面形成电偶极
层，符号相反； 2） 电偶极层使得矿体表面与溶液之间形成电位跃变，矿体上 部和下部电位跃变值是不等的，符号是相反的，从而形成 自然电场；

一,自然电场的形成原因
3,扩散电场
自然电场法
例如:当两种岩层中含氯化钠的水溶液浓度相差较大时, 例如:当两种岩层中含氯化钠的水溶液浓度相差较大时, 扩散电场的符号将取决于钠离子Na+和氯离子 扩散电场的符号将取决于钠离子 +和氯离子CL -的迁移 率,由于氯离子的迁移率大于钠离子,因而在浓度小的溶液 由于氯离子的迁移率大于钠离子, 一侧的含水岩层中便会获得负电位, 一侧的含水岩层中便会获得负电位,而浓度大的溶液一侧的 含水岩层中则显示正电位,从而形成扩散电场. 含水岩层中则显示正电位,从而形成扩散电场.
一,自然电场的形成原因
自然电场法
1,电化学活动形成的自然电场 潜水面以下的水连成一片与空气接触面小,含氧量少, 潜水面以下的水连成一片与空气接触面小,含氧量少, 氧化能力差.因此自潜水面以下称为还原带, 氧化能力差.因此自潜水面以下称为还原带,位于这一带的 部分矿体被还原,得到电子而带负电,周围溶液则带正电. 部分矿体被还原,得到电子而带负电,周围溶液则带正电. 于是,在围岩中形成了自下而上的电化学电场. 于是,在围岩中形成了自下而上的电化学电场.在矿体的上 部电位取极小值.氧化-还原电场是自然电场中最强的一种, 部电位取极小值.氧化-还原电场是自然电场中最强的一种, 其最大幅度可达800～900毫伏. 其最大幅度可达800～900毫伏. 800 毫伏
一,自然电场的形成原因
3,扩散电场
自然电场法
当两种岩层中溶液的浓度不同时, 当两种岩层中溶液的浓度不同时,其中的溶质便会由浓度大 的溶液移向浓度小的溶液,以期达到浓度的平衡, 的溶液移向浓度小的溶液,以期达到浓度的平衡,这便是我们经 常见到的扩散现象. 常见到的扩散现象. 扩散现象 扩散过程中,溶质的正,负离子也将随着溶质移动, 扩散过程中,溶质的正,负离子也将随着溶质移动,但不同 离子的移动速度不同, 离子的移动速度不同,结果使两种不同浓度的溶液分别含有过量 的正离子或负离子,从而形成扩散电动势. 的正离子或负离子,从而形成扩散电动势.电场的方向将视溶液 中离子的符号而定. 中离子的符号而定.

图2.2.1 电子导体周围的自然电场第二章 自然电场自然电场是地电场中由电化学作用产生的仅限于局部地区的天然稳定电场， 研究自然电场 的成因及其在地面上的分布规律，对于寻找矿产资源和解决某些地质填图，水文地质和工程地 质问题，具有重要的意义，为此目的而建立的一种电法勘探方法，称为自然电场法。

2.2.1 自然电场的类型一般情况下，物质都是电中性的，即正、负电荷保持平衡。

但在一定条件下某些物质或某 个系统的正、负电荷会彼此分离，偏离平衡状态，这种现象通常称为“极化” 。

某些岩、矿石 在特定的自然条件下会呈现出极化状态，并在其周围形成自然电场，这便是岩、矿石的自然极 化。

一般说来，形成自然电场的物理、化学作用可以概括如下：1．发生在电子导体（硫化矿体等）和溶液接触面上的氧化还原作用；2．地下水的渗流和过滤作用；3．矿化溶液的离子在岩石交界面上的扩散和岩石骨架对离子的吸附作用。

以上三种作用形成矿体的氧化还原电场、过滤电场和接触扩散电场。

这三种电场就是自然 电场的主要组成部分。

一、 氧化还原电场当电子导体和离子导电的溶液接触时，由于热运动，导体的金属离子或电子有足够大的能 量，能克服晶格间的结合力而越出导体，进入溶液中，从而破坏了导体与溶液的电中性，这时 导体和其附近的溶液分别带有符号相反的电荷， 它们相互吸引， 分布于导体与溶液的界面附近， 形成一双电层。

此双电层的电位称为导体在该溶液中的电极电位。

电极电位与电子导体和溶液的性质有关。

若成份单一的电子导体全部沉浸于化学性质均匀的溶液中，则导体表面将形成均匀、封闭的双电层。

由于双电层中正、负电荷相互平衡，故导体周围不会出现电场。

如果电子导体的成分发生变化或溶液化学性质不均匀，则双电层的分布呈不均匀状态，产生极化，并在导体内、外产生电场，形成自然电流。

这种由极化形成的电流的趋势是减少造成极化的导体或溶液的不均匀性。

故若不能继续保持原有的导体或溶液的不均匀性，则因极化而引起的自然电流会随时间逐渐减小，以至最终消失。

V + 0
V
V &#。.. .. 。 。 .. 。 .. 。 -- 。
.. 。.. .. 。 。 。 .. 。 .. 。 + + +
-
---+ + + + ++ + +
++ + V + 0
--V + 0
裂隙渗透电场
上升泉电场
山地电场
-++ 地下水补给河水
+ ++ + + + 河水补给地下水
勘查地球物理概论
第三章 电法勘探
第二节 充电法和自然电场法
一、充电法
什么是充电法： 对地面上、坑道内或者钻孔中已经揭露的良导体直 接充电，以解决某些地质问题的一种电法勘探方法。 充电法的提出： 详查及勘探阶段，良导性地质体有露头但不知道其分 布情况，如矿体是否相连；矿体走向、产状；盲矿； 地下水流速、流向；滑坡
在充电体表面附近，电 位面的形状与充电体的 形状一致。远离充电体， 等位面趋于圆形。
电位V为对称曲线；电 位梯度ΔV /ΔX为反对称 曲线，即在充电体顶部 中心，电位梯度为零， 其正、负极值对应于充 电体边缘部分。
2、脉状体倾斜时，电位曲线及电位梯度曲线均不对称
电位曲线的极大点与电位梯度的 零值点均向倾斜方向位移。电位 曲线在倾斜一边曲线平缓，在倾 斜相反方向曲线较陡；电位梯度 曲线在倾斜一边曲线平缓，梯度 绝对值小；在倾斜相反方向曲线 陡，梯度绝对值大。
自然电场法——通过研究自然电场在地面的分布 规律来解决地质问题的一种电法勘探方法。
常见的自然电场有两类：
呈区域性分布的不稳定的电场—大地电磁场 （与地壳表层构造有关）；

3、岩石中地下水运移的电动效应(过滤电场)
由于岩石颗粒对水溶液中负离子有吸附作用，岩石颗粒 与溶液间形成双电层。当地下水静止时，整个系统呈电性 平衡，不产生外电场。地下水流动时，带走溶液中的部分 正离子，水流上游有多余“负离子”，而在水流的下游有 多余的“正离子”，形成极化，从而形成自然电场。
4、岩石中不同浓度溶液离子的扩散作用
在充电体表面附近，电位面 的形状与充电体的形状一致。 远离充点体，等位面趋于圆 形。
等位V为对称曲线；电位梯
度 △V/△X 为反对称曲线，
即在充点体顶部中心,电位 梯度为零,其正、负极值对 应于充电边缘部分
（2）脉状体倾斜时，电位曲线及电位梯度曲线均不对称
电位曲线的极大点与电位梯度的 零值点均向倾斜方向移动。电位 曲线在倾斜一边曲线平缓，在倾 斜相反方向曲线较陡；电位梯度 曲线在倾斜一边曲线平缓，梯度 绝对值小；在倾斜相反方向曲线 陡，梯度绝对值大。
当两种浓度不同的溶液相互接触时，会产生扩散现象。带 电离子由浓度高的溶液向浓度低的溶液里扩散。但正、负离子 的扩散速度不同，使两种不同离子浓度的溶液分解面上分别含 有过量的正离子或负离子，形成电位差。这种由扩散作用引起 的自然电场称为扩散电场。
2.2 自然电场法的装备及工作方法
装备特点： ①不需要电源和供电电极 ②测量电极不用铜棒，而是“不
（3）自然界中，导体都不是等位体(即 ρ0≠0),对其充电后，充电体
上各点的电位并非都相等。
（1）当充电点位于不等位体边缘时，电位及电位梯度曲 线都不对称； （2）当充电点位于不等位体中心时，电位及电位梯度曲 线均成对称分布(很难与等位体区分开来)
因此，在解释中，必须充分考虑到： ①充电导体自身的电阻率（是否满足理想导体的条件） ②充电体与围岩电阻率差异（是否满足 ρ0<<ρ围 ）； ③充电点的位置。

一、充电法的基本理论 为了能正确地应用充电法来解决地质问题，首先需要了 解充电电场与充电体形状、大小、位置及周围岩石中电性分 布的关系。我们就来讨论这些问题。 （一）球形导体的充电电场 理想导电球体的充电电场实际上与位于球心的点电源场 没有区别。地表电位、电位梯度的表达式
I 1 U 2 1/2 2 ( x 2 y 2 h0 )3/ 2 U I x 2 x 2 ( x 2 y 2 h0 )3/ 2
但在一定条件下，某些物质或某个系统的正、负电荷会彼此分 离，偏离平衡状态，通常称这种现象为“极化”。某些岩石和
矿石在特定的自然条件下会呈现出极化状态，并在其周围形成
自然电场，这便是岩、矿石的自然极化。
（一）电子导体的自然极化
当电子导体和溶液接触时，由于热运动，导体的金属离子 或自由电子可能有足够大的能量，以致克服晶格间的结合力越 出导体而进入溶液中。从而破坏了导体与溶液的电中性，分别 带异性电荷，并在分界面附近形成双电层，此双电层的电位差 称为所论电子导体在该溶液中的电极电位。它与导体和溶液的 性质有关。若导体及其周围的溶液都是均匀的，则界面上的双 电层也是均匀的，这种均匀、封闭的双电层不会产生外电场。 如果导体或溶液是不均匀的，则界面上的双电层呈不均匀分布， 产生极化，并在导体内、外产生电场，引起自然电流。这种极 化所引起电流的趋势是减少造成极化的导体或溶液的不均匀性。 故若不能继续保持原有的导体或溶液的不均匀性，则因极化而 引起的自然电流会随时间逐渐减小，以至最终消失。因此，电 子导体周围产生稳定电流场的条件是：导体或溶液具有不均匀 性，并有某种外界作用保持这种不均匀性，使之不因极化放电 而减弱。

三、自然电场法的应用
自然电场法是进行硫化金属矿和石墨矿快速普查、乃至 详查的有效方法；在水文地质和工程地质调查中也应用相当 广泛；还常常利用自然电场法普查找矿的面积性观测成果， 对石墨化或黄铁矿化地层和构造破碎带进行地质填图，提供 进一步找矿的远景地段。 自然电场法的观测方式和充电法的观测方式相似，最常 用的是电位观测法；当工作地区游散电流干扰严重时，可采 用电位梯度观测法；用于解决水文地质问题时，还可采用电 位梯度环形测量法。 与电阻率法和充电法不同，自然电场法不能用极化补偿 器来消除极差的影响，因此，测量电极需采用“不极化电 极”。常用的不极化电极有 Cu－CuSO4和 Pb—PbCl不极化 电极。

图2.1.1 地电观测线路第二篇 大地电场、自然电场法及充电法第一章 大地电场地球表面存在着天然的变化电场和稳定电场。

天然的变化电场是由地球外部的各种电流系 在地球内部感应产生的，分布于整个地表或广大地区，一般具有较小的梯度。

天然的稳定电场 主要是由矿体、地下水和各种水系产生的，分布于局部地区，一般具有较大的梯度。

各种天然 的全球性或区域性的变化电场（电流场、电磁场），称为大地电场，而各种天然的地方性的稳 定电场，称为自然电场。

这两种电场总称为地电场。

本章仅讨论大地电场。

2.1.1 大地电场概述一 大地电场的测量测量大地电场的装置如图 2.1.1 所示。

M ，N 是一对埋 入地下的电极，一般埋深两米左右。

电极间的距离一般在 一公里以上，常用化学性质比较稳定的铅板制作电极，其面积约为 0.3×0.2m 2。

G 是座式电流计，灵敏度约为 10 －7—10 －9 A/mm 。

R 是一个阻抗较大的电阻，必须远大于两个电极之间的接地电阻。

这时，电流计就可以近似地记录M ， N 电极之间的电位差ΔU MN 。

由电位差ΔU MN 和极距 MN 可 算出测点O 处（M ，N 的中点）的平均电场强度 E MN ：MNU E MNMN D =（2.1.1）E MN 就是沿 MN 方向的电位梯度，一般以 mv/km 为单位。

大地电场是个矢量，因此，必须沿 x ，y 两个方向布设两组电极，分别测量出电场的北向 分量 E x ，和东向分量 E y ，才能确定测点 O 处大地电场的强度和方位角α：,22 y x E E E + = xy E E tg / = a （2.1.2）在固定台站上，为了获得较大的信号，电极距常取得很大。

表 2.1.1 给出了世界上几个著 名的地电台采用的极距。

流动台站采用的电极距较小，一般为 400 到 600米。

表2.1.1 几个国家的地电观测极距国 家 台 名 南北极距（公里）东西极距（公里）德 国 Barlin 120 262 美 国 Tueson 56.8 93.9 美 国College1.31.2图2.1.4 大地电场的对比性（1952.2.24 观测）英 国 Greenrich 25.0 15.6 澳大利亚 Watheroo 3.4及2.0 9.9及5.6 西 班 牙 Ebro 1.3 1.4 加 拿 大Chesterfield1.30.9二、 大地电场的特点图 2.1.2 是大地电场的两段记录。