1）场源

氧化还原作用是海洋自然电位产生的主要机制之一。在海底存在氧化还原梯度差的情况下，硫化物矿体穿过氧化还原界面，由于硫化物具有良好的导电性而成为电子运移的通道，电子由下向上运移，在矿体上表面积累负电荷，深部积累正电荷，并形成长期稳定的电流，在海底硫化物上方产生负的电位异常，因此通过在海底观测电位异常可用于圈定多金属硫化物的分布。在硫化物矿上可观测到数百毫伏的负电位异常，梯度达每米数毫伏级，如图5.38所示。

图5.38　自然电位异常原理图

氧化还原性质的差异是自然电位产生的条件。在陆地环境中，穿过矿体的地下水位作为了还原氧化的边界。在海洋环境中，矿体周围的流体循环具有有氧海水的引入，这加剧了海底下方氧化还原反应的发生。除上述氧化还原机制外，SP还有其他三种产生机制：

（1）不同流体浓度界面处出现扩散电势。

（2）流体在多孔介质中流动，由于孔隙压力梯度而产生电动势。

（3）温度变化的区域可以产生热电势。

2）观测系统

海底SP测量可作为单一调查设备独立测量，或者加挂在其他海底调查设备（如摄像拖体）上进行协同测量。海底SP测量装置通常包含电场传感器、拖曳导线和采集舱三个主要部分。其中电场传感器通常采用Ag／AgCl电极；拖曳导线实现电极至采集舱之间的信号连接；采集舱用于放大、记录、存储和传输电位信号。其常见的加挂方式有三种（图5.39）：一是悬挂在光缆或同轴缆上进行垂直观测，记录自然电场的垂直分量；二是加挂在拖体后方进行水平观测，测量自然电场的水平分量，通过调节电极距的长短来改变不同的观测方式，在水平拖曳时，为保证传感器的水平，需要合理配置浮力，并在尾部加挂阻尼伞；三是借助AUV搭载观测装置进行小范围灵活自主详查。船载测量时，调查船以1～2节的速度拖曳测量仪在海底上方20～50 m高度匀速前行，记录近海底SP。AUV近海底测量时，可同时测量正交的三分量自然电位，相比船载深拖能更接近异常体，观测精度更高，更适用于小范围异常体的详查。

图5.39　海底自然电位观测装置示意图(www.daowen.com)

拖体及AUV通常还搭载磁力仪、高度计、深度计、USBL定位信标、CTD等辅助设备。高度计及深度计实时监测拖体离地高度；USBL定位信标实时记录拖体水下位置，为后期资料处理提供空间坐标；CTD用于测量海水温度、电导率等；磁力仪用于观测矿体的磁异常信息，通常搭载Overhauser磁力仪或光泵磁力仪。AUV搭载更具有灵活性，可根据目标体自定义勘测路线，实现小范围精细调查。

3）噪声分析

SP观测过程中有三种噪声源：①来自外部磁场变化的感应电场；②来自洋流、潮汐、波浪等的运动海水感应电场；③观测系统自噪声（主要为电极自身极差的漂移）。

在中纬度地区的SP测量中，据海底MT测量发现，来自海洋外部的大地电磁平面波磁场源的感应电场，如在大型磁暴期间，典型的电场幅度小于20μV／m，在其他时间通常小于2μV／m。研究认为通过固定在原参考站（海底和陆地）的磁力计和大地电磁仪器记录随时间变化的电离层场源，可用于SP观测数据中剔除外源场。

在频率小于3×10-4 Hz（周期大于1 h水流）的情况下，水流会产生显著的电场。洛伦兹项Eh=V×Bz，定义Eh为水平电场大小，其中V是流速的水平分量，Bz是地磁场的垂直分量。因此在50 000 n T垂直场中速度为0.5 m／s水流将产生25μV／m的水平电场，这是电流与拖曳牵引方向正交情况下的最大电场。

电极自身极差漂移也是SP观测的误差项之一。如第4章所述，每个电极都具有相对于海水的相对参考电位，其由于海水中的杂质和电极的老化而随时间逐渐变化，该变化属于观测数据的误差项，实际海上作业应该挑选一致性好的电极对。但是电极极差漂移本身变化较慢，一般在数小时到数天之后会产生相对的漂移。因为这个漂移是相对单调和平滑的，可以通过减去低阶多项式拟合的趋势来消除漂移的误差。

4）资料处理

通常直接观测电场的变化就能识别SP异常，因此在观测装置姿态稳定的情况下直接观测电场分量（Ex、Ey、Ez）的变化；如果在测量过程中观测装置不稳定，发生水平旋转，通常计算总的水平电场强度，即在进行海底矿产勘查时，也常将实测的水平电位梯度沿测线方向进行积分，换算成等效电位：

用等效电位解释自然电位的源更加直观。