自然电场法文献调研

自然电场法

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：

（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。

一、自然电场的成因（岩石和矿石的自然极化）

1、电子导体产生的氧化还原电场

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。

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：如图1所示，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”。

图1

下部矿体：如图2所示，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”。

图2

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：

图3 电化学电场机理模型

2、离子导体产生的过滤电场

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。如图4所示，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：

P U ∆⋅⋅=∆水ρ77.0

式中，△P 为空隙或毛细管的端压（用大气压表示），ρ水 为水溶液的电阻率，△U 为电位差（mv ）。

由地形起伏引起的过滤电场常称为山地电场。如图5所示，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。在平面图上，山地电场电位线与山地等高线有近似的形态。

图5

3、离子导体产生的扩散电场

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。

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。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。

二、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。

测试装置图如图6所示。

图6

不极化电极的结构如图7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）。

图7

（1）自电剖面法

自电剖面法分电位法和梯度法两种。

电位法布置图如图8所示。

图8

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.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）。

（2）自电十字法

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）实测时，以抽水井为中心，剖面布置成十字型，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。如图9所示。

图9

（3）自电环形法

环形法用于测量地下水的流向。如图10所示，测线按环形辐射布置，间隔一般为30～45°，M、N对称布置在测量圆周上，每测线互换M、N测试两次，取其绝对值的算术平均值