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53、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（但必须记住电位的正负方向）。

图10三、自然电场法资料解释及应用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：1、对于渗透过滤电场，出水口呈现高电位、入水处呈现低电位；2、对于扩散（吸附）电场，浓度低的（矿化度低）一方呈现低电位；3、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。

自然电场法应用实例：1、检测某校游泳池底部灌浆加固效果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。

2、寻找水库坝体渗漏位置图4图5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3、找矿图6显示了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）图64、地质填图图7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。

图7四、自然电场法的干扰因素1、石墨化岩石一般形成在强烈变质的老地层中,最常遇到的是石墨化片岩。

这些石墨化片夹在绢云母片岩或石英绿泥石片岩中,层位稳忘定。

由于石墨是电子导电矿物,在片岩中呈薄膜状产出,而且顺着地层形成一个很好的电子导电层。

有时还遇到石墨化灰岩,它一般呈透镜状。

石墨化岩石形成的异常都很规整,长达几公里,异常强度很大,可以有 70 ~90毫伏,影响范围也很宽,可达几百米。

另一种是碳质页岩、碳质角砾岩和黄铁矿化岩石都可以引起自电异常。

这些岩石形成的自电异常较小,可达2 5 0毫伏。

从自电本身特点来研究,这种异常往往和矿异常很难区分。

2、过滤电场是地下水通过岩石中的微细裂隙或岩石中矿物颗粒之间的空隙产生。

有文章指出，石英颗粒为250-315微米,并具有 60-70达西渗透率时,流动电位最大。

过滤电场在不少矿区有发现，但是要能肯定下来的不多，往往似是而非，难以区分。

3、人造物的干扰随着工业的发展各种工程管道埋设越来越多。

只要是金属管道腐蚀以后都有可能引起电化学作用。

尤其在接头处使用不同金属时，或接头漏水时都很容易形成自然电流异常。

4、人工电源干扰，在矿山附近显得很突出。

主要有两种，一种是稳定的直流电源，一种是不稳定的直流电源和低频的交流电源。

这大都是由于用直流电源设备所引起，如矿山的电车等。

稳定的直流电源在矿区内形成一个范围相当大的电场，做出的结果像等电位线图一样。

这种干扰容易从异常中排除。

第二种干扰很不好办，干扰强的矿区使自然电流法无法进行工作。

干扰弱的矿区往往使自然电流法误差加大，平均绝对误差达不到5毫伏的要求。

矿区的基点网不能闭合。

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