二、自然电位测井
利用如图10-22所示原理线路，沿井身移动M极，测量移动电极——M极与设在地面的固定电极——N极之间的电位差，便可得到沿井轴变化的自然电位曲线。根据所测得的沿井轴变化的自然电位曲线，研究井孔地质问题的方法叫自然电位测井。自然电位测井，可以用来划分井孔地质剖面，判断含水层位置，估计地层泥质含量等。
（一）井内自然电位成因
井孔中形成自然电场的成因是相当复杂的。通常在沉积岩地区和金属矿区，形成自然电场的主要成因是：扩散电动势、吸附电动势、氧化还原电动势。这里我们仅讨论与水文地质、工程地质关系密切的扩散作用及吸附作用形成的自然电场。
1.扩散成因
图10-22 自然电位测井原理图
根据物理化学知识我们知道，当两种浓度不同的盐溶液相接触时，浓度大的溶液中的离子要向浓度小的溶液中扩散。在离子扩散时，溶液中的正、负离子的迁移速度是不同的。例如NaCl溶液中的氯离子的迁移速度就大于钠离子的迁移速度。当两种浓度不同的NaCl溶液相接触后，由于正、负离子迁移速度不同，在低浓度的溶液中迁移速度大的Cl-1的数量将多于迁移速度小的Na+的数量。而在高浓度的溶液中迁移速度大的Cl-的数量将少于迁移速度小的Na+的数量。从而使得浓度不同的两种溶液显不同的电性，形成一个电动势。这样形成的电动势又反转来影响正、负离子的迁移速度，使得Cl-向浓度低的溶液中的迁移速度减慢，使Na+向浓度低的溶液中迁移速度加大，直至两种离子迁移速度一致，使溶液中正、负离子数量上的差额达到一定值。这时在两种浓度的溶液间形成一个稳定的扩散电动势。
表10-2给出了25℃时几种常见离子的迁移率。
表10-2 几种常见离子迁移率 单位：104cm2/（v·s）
如图10-23所示，两种不同浓度溶液中间以陶瓷板隔开，两侧溶液为浓度相差10倍的NaCl溶液。在25℃条件下，两溶液间可形成约11.6mV的扩散电位差，且低浓度一侧为低电位。
如将容器中隔开两种不同浓度溶液的陶瓷板换成纯净的砂岩板，同样可测得上述结果[图10-24（a）]。
图10-23 不同浓度溶液接触形成扩散电动势图
图10-24 离子扩散通过不同隔板时形成电动势图
在井孔中，如井液浓度小于纯净砂岩层中水（溶液）的离子浓度，其情况类似于两种不同浓度的溶液被纯砂岩板所隔开，对应于纯净砂岩处则可测得负电位。这时所形成的自然电场即是扩散作用形成的自然电场。
2.吸附成因
将上述试验中隔开两种不同浓度溶液的纯砂岩隔板拿掉，换上一个泥岩隔板，其他条件不变。这时，在两种溶液间可测得一个更大的电位差，且这时低浓度的溶液为高电位，高浓度的溶液为低电位，如图10-24（b）所示，它不同于图10-24（a）。之所以出现这种变化是由于：泥岩颗粒有吸附负离子的作用。当离子由浓度高的溶液向浓度低的溶液中扩散经过泥岩板孔隙时，负离子被泥质颗粒吸附，附着于孔壁上，而正离子通过孔隙进入了浓度低的溶液中。所以低浓度溶液中正离子增多，而高浓度溶液中负离子相对增多。因此在两种溶液间形成了一个与如图10-24（a）所示相反的电位差。这样形成的自然电场为吸附作用自然电场。
自然界井孔中井液离子浓度与岩层水离子浓度不同，离子通过岩土孔隙时，会有吸附作用发生，形成吸附作用成因的自然电场。不仅如此，当地下水或井液与地下水之间由于存在压力差而发生流动时，同样也有吸附作用发生，同样也会形成吸附电场，一般称这时形成的电场为过滤电场。自然界中上述几种作用有时会同时发生，形成的自然电场叠加在一起，构成井中总的自然电场。但一般过滤电场较弱，井内测得的自然电场主要是由扩散和吸附成因所形成的自然电场。
（二）自然电位测井曲线
自然电位曲线及其成因如图10-25所示。通常黏土岩具有稳定的自然电位，常以此作为自然电位曲线的基线。在泥、砂岩钻孔中，当地下水与井液的接触面（井壁）上发生扩散过程时，若C2＞Cc，则离子扩散方向是由含水砂层指向井液，使井液带负电，在砂岩和井液的接触面上产生扩散电动势Ed。而由砂岩通过黏土岩向井液的扩散过程中，由于泥质颗粒吸附负离子而形成扩散一吸附电动势Edn，使井液带正电，二者恰如两个串联的电池，通过井液、地层构成自然电流闭合回路，总电动势应是Ed和Edn之和。由于扩散-吸附作用的结果，砂岩层的自然电位显示负异常。相反，若C2＜Cc，则砂岩层的自然电位为正异常。
图10-25 泥砂岩剖面自然电场及自然电位曲线
C1—泥岩中水矿化度；C2—砂岩中水矿化度；C0—泥浆矿化度；Ed—扩散电动势；Edn—扩散-吸附电动势
图10-26 不同厚度岩层自然电位理论曲线
（曲线上数字为：H/d0）
图10-26给出了对应不同厚度的岩层所计算的自然电位理论曲线。这里假定井孔直径为d0，岩层厚度为H，岩层水平，岩层、围岩、井液均为均匀各向同性介质，且其电阻率相等，井孔垂直穿过地层。岩层厚度H＞4d0时，自然电位曲线的半极值点对应于岩层界面处。岩层厚度减小（即H＜4d0）时曲线幅度减小，且岩层界面位置靠近自然电位曲线极值处。
在自然界中，不仅岩层厚度变化会影响自然电位侧井曲线，而且岩层、井液电阻率、岩层产状及相邻层的参数等都会影响自然电位。一般岩层及围岩的电阻率大于井液电阻率时，自然电位曲线幅值减小，尤其对于薄的高阻岩层，岩层电阻率对自然电位曲线的影响更为明显。若砂层不是纯砂层，而是其中含有泥质颗粒时，泥质颗粒将影响负离子扩散速度，形成扩散-吸附电动势，从而影响井孔自然电位曲线。当岩层上、下不对称或产状发生变化时，都将使井中自然电位曲线发生变化。
图10-27 利用测井曲线划分咸淡水界面实例
（三）自然电位测井法的应用
在水文、工程地质工作中，自然电位测井主要用来划分钻孔地质剖面，确定咸淡水界面，确定地下水矿化度等。
在砂-泥质岩层井孔中，自然电位大小主要和地下水与井液之间的扩散吸附作用有关，而扩散吸附作用又与岩性密切相关。因此，可以利用自然电位测井曲线变化划分钻孔地质剖面。
通常在自然电位测井曲线解释中，取厚层泥岩（黏土）层处自然电位曲线为基线。在地下水矿化度大于井液矿化度的情况下，渗透性好的岩层（颗粒粗，分选好，含泥少）自然电位显示为较大负异常。而反之，为正异常。因此可利用自然电位测井曲线划分出渗透性好的地层，划分钻孔剖面。在岩层比较厚时，一般可按曲线的半幅值点来确定岩层的界面，见图10-26。
当地下有不同的咸淡水时，还可利用自然电位测井曲线划分咸淡水的分界面。当井孔中咸水层地下水矿化度高于井液矿化度时，自然电位测井曲线为负异常；对应于井孔中淡水层地下水矿化度低于井液矿化度时，则自然电位测井曲线为正异常。
图10-27为利用自然电位测井曲线划分咸、淡水界面的实例。井孔剖面由砂层、黏土层、黏质砂土和矿质黏土层组成。井孔上部地下水矿化度较高，使得含水层电阻率较小。梯度电极系视电阻率测井曲线上对含水层与黏土层的反映相近。电位电极系视电阻率测井曲线对砂层、黏土层两者的反映亦无明显区别。而自然电位测井曲线对含水砂层有负异常，有别于黏土层。在62m以下，砂层水的矿化度比较低，为淡水，对应地段测得自然电位正异常。由此用自然电位测井曲线划分出了砂层位置，并划分了咸淡水界面。