自然电场法

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，
图3.3—5 某铅锌矿区石墨化地层 上的自然电场法等电位线平面图 1-震旦系砂岩与石墨化板岩互层； 2-自然电场等电位线
图3.1—4 山地电场
（4）河流的过滤电场 河水和地下水相互之间存在补给关系，由此形 成一定的地下水流，而与此有关的过滤电场称 为河流的过滤电场。若地下水补给河水，即地 下水由两侧流向河床，则所对应的河流电场电 位剖面曲线如图3.1—5a所示，河底的电位取 极大值，而两侧电位较低。相反，若河水补给 地下水，即河水从河床流向两侧，则河流电场 的电位剖面曲线如图3.1—5b所示，河底的电 位达极小值，而两侧电位较高。
第3章 自然电场
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。实践证明，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。
自然电场法是应用得最早的一种电法勘探方法。由 于该法无需供电，使用的仪器、设备也较轻便，因此生 产效率较高。我国目前已广泛使用自然电场法，在寻找 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）和解决某些地质填图以及在水文地质调 查中确定地下水流速、流向等问的，会发生水解，最 后生成氢氧化铁和游离的硫酸：
硫
Fe 3 (SO 4 ) 3 6H 2 O 水解 2Fe 3 (OH) 3 3H 2 SO 4 2
最后，Fe(OH)3 失水，沉淀成褐铁矿及赤铁矿。这样，黄 铁矿的氧化反应使铁原子价升高 （由二价变成三价） 这就 。 是说，矿体上部失去了电子而带正电，周围水溶液得到了 电子而带负电。因此在矿体上部与周围溶液的接触面上形 成了双电层。 再来讨论还原作用。还原反应式如下： Fe+2S2+Fe2+3(SO4)3=3 Fe+2SO4+2S。
3.1.1 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 金属离子或电子可能有足够大 的能量，以致能克服晶格间的 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。
图3.1—5 河流的过滤电场分布图图3.1—6 电子扩散方向示 意图 a.地下水补给河水；b.河水补给地下水；⊕—正离子，- —负 离子
1．电位观测法 实际工作中，电位测量是相对测量，因此必须 在测区内找一个电位的“零值”点，此零点称 为基点，一般都分布在测区边缘不受局部因素 干扰的正常场区域里。工作时将测量电极N作为 固定电极置于基点上，另一测量电极M作为活 动电极沿测线逐点观测各测点相对于基点的电 位差值。这个差值就是测点相对于基点（正常 场）的电位值，见图3.3—2。 电位观测法测量简单，但当测量电极间距离比 较大时，干扰水平也增加，所以此法适用于干 扰较小的地区。
过滤电场的场强显然应与渗透压力的大小以及岩 石、溶液的性质有关，利用（2.2.1）式可对过滤电场电 位差之大小做出近似估算 U 0.77 水 P （2.2.1） 式中 水 为地下水的电阻率；
P 为引起地下水流动的压力差，单位为大气压。
例如，高差为 100 米的山地地形（ P 则约为 10 个 大气压） ，其疏松沉积含水层电阻率约为 20 欧姆·米， 由（2.2.1）式则计算出该条件下山地过滤电场的电位异 常值为
3.1 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，能够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。
图3.1—3 裂隙渗漏电场
（2）上升泉电场
与前一种情况相反，当地下水通过裂隙带向 上涌出形成上升泉时，由于过滤作用，在泉 水出露处呈现过剩的正电荷，而在地下深处 留下过多的负电荷，于是形成上升泉电场。 电场分布形态与裂隙渗漏电场分布形态相似， 但由于电流方向相反，故在泉水涌出处电位 达到极大值。
当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，随时 间的增长这种正、负离子分布的差异形成的电 位差逐渐增大，一直到这电位差使负离子加速 运动，正离子减速运动，以至正离子和负离子 保持近似相同的数目从孔隙通道内流出为止， 这时由岩石吸附作用形成的过滤电场趋于一稳 定的电场，其方向与溶液流动方向相反。由于 在这种极化机制中，好似溶液流过岩石时，岩 石颗粒滤下了部分负离子，所以形象地称由此 形成的自然极化电流场为“过滤电场”。
图3.3—3 电位梯度观测布置图
3.3.3 自然电场法的应用 下面举几个实例说明自然电场法的实际应用。 1．青海某铜钴矿床 该矿床的矿体为层状或似层状，以含铜黄铁矿 为主的硫化矿，产于超基性岩中。矿体从地表 向下延伸较大，约为一百多米。矿体导电性好， 电阻率比围岩低四个级次以上。区内地表水与 地下水均较发育，为形成自然电场提供了良好 的氧化-还原环境。不利因素是炭质板岩形成非 矿自然电场的干扰。不过，炭质板岩无磁性， 层位稳定，沿走向分布有一定规模，且自电异 常较大（超过－500mV），故可识别。
2．石墨化地层填图
图3.3—5给出了我国某铅锌矿区应用自然电场 法进行石墨化地层填图的例子。在该区震旦系 砂岩与石墨化板岩互层的地层上，得到强度高 达－900mV的自然电位异常。异常走向近南 北方向，与地层走向一致；异常带内的高负值 中心是该处石墨化程度较高所引起；平面图上 等值线密集。利用这些特征，可将其与矿异常 区分开来。
这种还原作用使铁原子由三价降为二价，因此， 在矿体下部与周围水溶液的接触面上也形成了双 电层，但符号与前者相反（见图3.1—1）。 双电层的形成使矿体表面与溶液之间形成了电位 跃变；矿体上部和下部的电位跃变在数值上是不 等的，符号是相反的。这样就形成了自然电场， 通常称这样的自然电场为氧化—还原电场。只要 地表的含氧水源源不断地渗入地下，满足氧化带 中氧的需要，这种氧化－还原电场就能长期地维 持下去。
U 0.77 20 10 154mV
该异常值对自然电场法而言已是较大的异常了。
图3.1—2 过滤电场的形 成 1.孔隙壁；2.孔隙中心线； 3.正常溶液； 4.紧密层；5.扩散区；6. 溶液运动方向
3．过滤电场的类型 地壳中自然形成的过滤电场主要包括裂隙电场、 上升泉电场、山地电场和河流电场等。下面分 别讨论这几种电场。 （1）裂隙渗漏电场 地下的喀斯特溶洞、断层、破碎带或其它裂隙 带常成为地下水的通道。当地下水向下渗漏时， 上部岩石孔壁吸附了负离子，而下部则出现多 余的正离子，这就形成了裂隙渗漏电场。这种 电场在分布形态上与导体的自然电场相似，远 处的电位大，在裂隙的正上方电位达到极小值， 见图3.1—3。
图3.3—2 电位观测布置图
2．电位梯度观测法 如图3.3—3所示，将测 量电极M、N置于同一测 线的两相邻测点上，保 持其相对位置和间距不 变，沿测线逐点移动， 观测各相邻测点间的电 位差ΔUMN，便可求得M、 N中点处的电位梯度值 ΔUMN/MN。 电位梯度法的主要优点 是两测量电极间的间距 小，移动方便，干扰小， 适用于干扰较大地区的 自然电场测量。