局部电场（自然电场）

在地球的天然电场中，除了区域性的大地电场外，还存在着一种局部性的电场，即自然电场。研究自然电场在地面上的分布特征及其成因，对于寻找矿产资源和解决地质问题具有重要意义。

能够形成自然电场的物理化学作用可概括为3种：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；地下水的渗流和过滤作用；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3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3种电场是自然电场的主要组成部分。

13.3.1 矿体的氧化还原电场

矿体的氧化还原电场多发生在某些天然电子导体矿石（如硫化金属矿体、石墨、无烟煤及某些金属氧化物矿床等）的周围。这种电场是上述矿物受到地下水的氧化还原作用所产生的，如图13-9所示。当这类矿体处于地下潜水面附近时，高于潜水面部分和低于潜水面部分处于两种不同的环境之中，因而就会逐渐发生两种相反的化学作用。图中潜水面以上为氧化带。地下水在由地表向地下渗透时，空气中的氧被带入地下，使这种地下水具有一定的氧化性，将矿体的上部氧化；潜水面之下为还原带，地下水含氧少，氧化能力很弱，结果使矿体下部被还原。

图13-9 氧化还原电场示意图

以黄铁矿（Fe S2）为例，其上部矿体的氧化过程为

黄铁矿氧化的作用使铁原子价由二价增到三价，这样，矿体上部失去电子带正电，周围水溶液得到电子带负电。

其下部矿体的还原作用为

还原作用使铁原子化合价降低，使矿体下部带负电，周围水溶液带正电。这样整个矿体的上部和下部存在着极性相反的两种电荷，产生了电位差，通过围岩溶液构成一个闭合回路，矿体周围形成了天然电场。因此产生此类自然电场的条件是，矿体本身是良导性矿体，围岩溶液具有氧化还原作用。

另一种观点是用电子导体与溶液接触面上形成的电位跳跃来解释。对于电子导体的矿体来说，矿体与围岩溶液接触时，在矿体表面产生一电位跳跃值。由于矿体的上部和下部所接触的围岩溶被具有不同的化学性质（浅部具有氧化性，深部具有还原性），使得它们的电位跳跃值不同，便形成了自然电场的现象。除化学活动性强的矿物（硫化物）组成的矿体能够产生自然电场外，这种观点可以解释在化学活动性稳定的矿体（石墨和煤）上能观测到很强的自然电场的现象。

13.3.2 吸附作用——过滤电场

当地下水经过多孔岩石向下渗透时，在地表可以观测到过滤电场。由于岩石的空穴（或颗粒间的孔隙）对溶液中的正、负离子具有选择性的吸附作用，使得流动着的水溶液中的某种离子（正离子或负离子）的激度发生相对变化，岩石孔隙通道内（水流上游）与溶液出口（水流下游）之间形成电位差。随着溶液的不断流动，被吸附的离子数不断增长，电位差也不断增大。另一方面，这种电位差又使得岩石孔隙的吸附作用逐渐减弱，使未被吸附的那种离子的运动逐渐减速，直至达到动态平衡为止。这时在孔隙通道中运动着的正负离子数目又保持了相同，于是便形成一种较稳定的电位差，称之为“过滤电位差”，它的大小与溶液的化学成分、电阻率、黏滞系数、溶液两端的压力等因素有关。图13-10表示孔隙壁吸引负离子后溶液中正、负离子浓度差异的情况。

至于岩石孔隙吸附哪种离子以及吸附多少，取决于岩（矿）石的成分、孔隙度及溶液的成分等因素。从实际观测中得知，石英晶体、硫化物、泥质颗粒以及所有泥质岩层，绝大多数沉积岩，都具有吸附负离子的性能。而碳酸盐类如石灰岩、白云岩等则具有吸附正离子的性能。地壳中自然形成的过滤电场主要有裂隙电场、上升泉电场、山地电场和河流电场等。

图13-10 过滤电场的形成

13.3.3 扩散电场

地壳中两种或几种成分不同的岩石互相接触，在接触面上，不同岩石中的带电粒子相互扩散，形成双电层，产生接触电位差。双电层的形成过程和电位差大小同介质内部载流子的性质有关。根据载流子的性质，导体可分为电子导体和离子导体两种。在自然界中，石墨和一些金属矿床属于电子导体，而大多数岩石和矿物属于离子导体。

自然界中，扩散电场的强度较小，不可能观测到纯粹由扩散作用形成的自然电场。在多孔岩石中，往往是粒子的扩散现象和岩石吸附现象同时发生，并且伴随着水的渗透作用，这种水的吸附和渗透作用也会产生电场。

13.3.4 工业游散电流

在工矿企业附近，由于一些电气装置（高压线、电话线等）的漏电，造成地下局部范围内形成一种干扰电流，称为工业游散电流。这种电流往往变化剧烈，无一定规律，容易与大地电流区分开来。为了避免工业游散电流的干扰，在进行地电观测时，应尽量远离大城镇，避开高压线等装置，选择游散电流很小的地方进行。

自然电场法主要用于勘察埋藏不深的金属硫化物矿藏和部分金属氧化物矿床，寻找石墨和无烟煤，确定断层位置，以及解决寻找含水破碎带，确定地下水流向等水文地质问题。