基于研究自然电场的分布规律来达到找矿或解决其他地质问题的方法则称为自然电场法。依据自然电场的形成机制划分为氧化还原电场法、过滤（渗流）电场法和扩散电场法3种。

具有悠久的研究与实际应用历史。早在1830年，英国在康沃尔（Cornwall）对硫化物矿床进行了第一次自然电场观测。美国科学家C.巴勒斯（Carl Barus，1856～1935）于1882年利用不极化电极对美国内华达州康斯托克（Comstock）金矿进行了自然电场观测。1906年，开展了第一次自然电场法商业勘探。

美国科学家M.佐藤（Motoaki Saito，1931～2012）与H.M.穆尼（Harold M.Mooney，1922～1986）于1960年提出了著名的“矿体原电池”模型，该模型认为，矿体周围随深度变化的氧化还原电势解释了地表所观测到的自然电势异常。该模型为自然电场的存在提供了理论依据，并在后来被相当广泛地研究，还提出了若干更加精细的模型。植物、微生物等生命体的生命电学活动也被认为是氧化还原自然电场的来源之一。

自然电场的另一来源是地下水经多孔岩石向下渗透时，岩石颗粒对溶液中的阳、阴离子有选择性的吸附作用而形成的过滤电场。产生这一现象的原因是由于多数多孔介质的孔隙流体携带有超量的电荷来平衡矿体表面的固定电荷，当孔隙流体流动并带走这些电荷时，会导致电荷对流，并进一步产生相应的净电流和过滤电场。德国科学家G.H.昆克（Georg Hermann Quinck，1834～1924）和H.von 亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz，1821～1894）分别于1859年和1879年在实验和理论上证实了这一现象的存在。美国科学家S.R.普赖德（Steven R.Pride）则于1994年提出了基于能斯特-普朗克（Nernst-Planck）方程和纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程的过滤电场理论。孔隙流体中溶质的浓度梯度所产生的扩散电场也是自然电场的组成部分之一。

为避免电极接地电阻的干扰，通常采用如图1所示的不极化电极在地表进行自然电场的电势差测量。常用的不极化电极包括瓷罐式不极化电极和Pb-PbCl₂不极化电极两种。①瓷罐式不极化电极：采用素瓷罐盛饱和硫酸铜溶液，并将纯铜棒浸入溶液中。当瓷罐置于土壤中时，铜离子通过瓷罐底部的细孔进入土壤，使铜棒和土壤之间形成电通路。由于铜棒并不直接与土壤接触，因此两者间不会产生极化作用。②Pb-PbCl₂不极化电极：采用铅丝，其一端与引线焊接，另一端埋在以PbCl₂为主的电解质中。电解质和土壤接触时，土壤和Pb之间的电势传递经过离子-离子传导、离子-电子传导两个环节。由于金属介质Pb和电解质中的离子导电介质PbCl₂均处于稳定环境，因而可以保证电极的一致性和长期稳定性。

a.瓷罐式不极化电极；b.Pb-PbCl2不极化电极图1　不极化电极的结构

常用的自然电势观测方法包括电势观测及电势梯度观测两种（图2）。①电势观测。须在测区内指定基点，基点一般位于测区边缘不受局部因素干扰的正常场区中。工作时将参考作为固定电极置于基点上，另一测量电极作为活动电极沿测线逐点观测各测点相对于基点的电势差值。这个差值就是测点相对于基点（正常场）的电势值。电势观测法测量简单，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。②电势梯度观测。一般将两个测量电极置于同一测线的两相邻测点上，保持其间距不变，并沿测线逐点移动，观测各相邻测点间的电势差，便可求得相邻两测点中点处的电势梯度值。电势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。

a.电位梯度观测；b.电位观测图2　自然电位法观测方式

由于自然电场法无须供电、设备简单、施工方便、生产效率高，因此其成为最简单的地表电法勘探方法之一。自然电场法也是应用得最早的电法勘探方法之一，已广泛用于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）、解决某些地质填图问题、在水文地质调查中确定地下水流速流向、确定坝体渗流位置、剪切带及近地表断层标定等。下面分别以形成自然电场的3种机制举例说明自然电场法的应用。

自然电场法最重要的应用领域是对电子导电型矿床的探测，特别是块状硫化物矿床的勘探。通常在此类矿体上方的地表，可以观测到明显的负自然电势异常（图3）。

图3　加拿大魁北克省森特尔（Senneterre）地区某硫化物矿床自然电位剖面

基于溶质浓度差异的扩散电场理论首次于1920年被法国科学家C.施伦贝格尔（Conrad Schlumberger，1878～1936）应用于商业地球物理勘探中，如图4所示。在这个实例中，A、B两点的电位差反映了井中泥质和基岩孔隙水之间的离子浓度差异。

图4　井中自然电位测深示意