Self‐potential (SP) Method.pdf

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1. Self‐potential (SP)Method
•or spontaneous polarization method is based on the surface measurement 
of natural potentials resulting from electrochemical reactions in the 
subsurface
.
subsurface
.
•does not require electric currents to be injected into the ground as in the  RESISTIVITY&IPmethods RESISTIVITY
 &
 IP
 methods
.
•hasbeen used in base metal exploration, to detect the presence of massive
bdiitttth
IPth d
hi hidtditlt
ore 
b
o
di
es, 
in con
t
ras
t
 t
o 
th
e 
IP
 me
th
o
d
 w
hi
c
h
 is use
d
 t
o pre
d
om
inan
tl
y 
t
o 
investigate disseminatedore bodies.
•has been increasingly used in groundwater & geothermal investigations, 
environmental and engineering applications‐‐‐> mapping seepage flow 
associatedwithdams,geologicalmapping,delineateshearzonesandnear
‐
associated
 with
 dams,
 geological
 mapping,
 delineate
 shear
 zones
 and
 near
surface faults. •
r
anksasthecheapestofsurfacegeophysicalmethodsintermsof
•
r
anks
 as
 the
 cheapest
 of
 surface
 geophysical
 methods
 in
 terms
 of
 
equipment necessary and amongst the simplest to operate in the field.

2. Occurrence of Self‐potentials
•SP method is passive, i.e. differences in natural ground potentials are 
measured between any two points on the ground surface.
•The potentials measured can range from < a millivolt(mV) to > 1 
Volt. 
•+ or –sigh of the potential is an important diagnostic factor in the  interpretationofSPanomalies interpretation
 of
 SP
 anomalies
.
•
Self
‐
potentialsaregeneratedbyanumberofnaturalsources(exact
Self
potentials
 are
 generated
 by
 a
 number
 of
 natural
 sources
 (exact
 
physical processes still unclear).

3. Occurrence of Self‐potentials
•Natural ground potentials consist of 2 components 1
.
BackgroundPotentials
‐‐‐
fluctuatewithtimecausedbydifferent
1
.
 Background
 Potentials
fluctuate
 with
 time
 caused
 by
 different
 
processes ranging from AC currents induced by thunderstorms, 
variations in Earth’s magnetic fields, effects of heavy rainfalls
2. Mineral Potentials‐‐‐constant due to electrochemical processes

5. hldflll
Mechanism of Self‐potentials
•Some p
h
ysica
l processes cause
d
 sources o
f
 SP are sti
ll
 unc
lear. 
•Groundwateris thought to be common factor responsible for SP.
P t ti ltdbthflftbtti
•
P
o
t
en
ti
a
ls are genera
t
e
d
 b
y 
th
e 
fl
ow o
f
 wa
t
er, 
b
y wa
t
er reac
ti
ng as 
an electrolyte and as a solvent of different minerals.
•Electrical conductivity to produce potentials of porous rocks depends 
on porosity and on mobility of water to pass through the pore spaces 
‐‐‐
dependonionicmobilities,solutionconcentrations,viscosity, depend
 on
 ionic
 mobilities,
 solution
 concentrations,
 viscosity,
 
temperature & pressure.
•
ThereareafewtypesofSP:
•
There
 are
 a
 few
 types
 of
 SP
 :
1.Electrokinetic potential 2
Thermoelectricpotential
2
. 
Thermoelectric
 potential
3. Electrochemical potential
4. Mineral
/
mineralization 
p
otentia
l
/p

6. Fl iffl id
(l t lt)th hill
Electrokinetic potential
•
Fl
ow
ing o
f
 fl
u
id
(
e
lec
t
ro
ly
t
e
)
 th
roug
h
 a cap
ill
ary or porous 
medium generates potentials along the flow path.
•
Thepotentialsarealternativelycalledas
electrofiltration
•
The
 potentials
 are
 alternatively
 called
 as
 electrofiltration
,
electromechanical or streaming potentials.
•
Theeffectisbelievedtobedueto
electrokinetic
coupling
The
 effect
 is
 believed
 to
 be
 due
 to
 electrokinetic
coupling
between the fluid ions and the walls of the capillary.
•
The
electrokinetic
potential(E
k
)
generatedbetweentheendsof
The
 electrokinetic
potential
 (E
k
)
 generated
 between
 the
 ends
 of
 
the capillary passage is given by
= Dielectric permittivity of pore fluid
= Electrical resistivity of pore fluid
= Electrofiltration coupling  coefficient
= Pressure difference
= Dynamic viscosity of pore fluid

7. E
di tiithdi tithdi ti
Electrokinetic potential
•
E
k  
gra
di
en
t
 is 
in 
th
e same 
di
rec
ti
on as 
th
e pressure gra
di
en
t
, 
i.e. 
opposite to the direction of the electrolyte flow.
•
E
normally
providse
amplitudesofsomemVtoseveralhundreds
•
E
k  
normally
 providse
amplitudes
 of
 some
 mV
 to
 several
 hundreds
 
of mV.
•
E
k
canbefoundassociatedwithflowofsubsurfacewaterand
E
k
 can
 be
 found
 associated
 with
 flow
 of
 subsurface
 water
 and
 
thermal fluids
•
E
k
effects
havebeenobservedoverzonesofwaterleakage
E
k
  
effects
 have
 been
 observed
 over
 zones
 of
 water
 leakage
 
through fissures in the rock floor of reservoirs, over terrains with 
large elevation changes, and in geothermal areas.

8. P t ti ldi tillklif Thermoelectric potential
•
P
o
t
en
ti
a
l gra
di
en
t
 w
ill
 appear across a roc
k
 samp
le 
if
 a 
temperature gradient is maintained across the rock sample.
•
Thermoelectriccouplingcoefficient(
TEC)
isdefinedas
theratioof
•
Thermoelectric
 coupling
 coefficient
 (
TEC)
 is
 defined
 as
the
 ratio
 of
 
the voltage to the temperature difference‐‐‐> TEC=∆V/∆T
•
TEC
values
ofrocksvaryfrom
‐
0
09
to+
1
36
mV/
°
C
TEC
 values
of
 rocks
 vary
 from
 
0
.
09
 to
 +
 1
.
36
 mV/
C
 
average ~ 0.27 mV/°C 
•
SPgeneratedfromTEpotentialsareofsmalleramplitudesthan
•
SP
 generated
 from
 TE
 potentials
 are
 of
 smaller
 amplitudes
 than
 
usually seen in geothermal areas.
•
Moreconcentratedareasofhightemperatureatshallowdepth, More
 concentrated
 areas
 of
 high
 temperature
 at
 shallow
 depth,
 
such as thermal fluids in a fault zone, could give rise to anomalies 
of greater amplitude.
•Boundaries of SP anomalies measured in several geothermal 
areas appear to correlate with zones of known anomalous high 
heat flow‐‐‐‐>portion of anomalies is generated by TE mechanism.

9. Ifthttifthltltithdilll
Electrochemical potential
•
If
 th
e concen
t
ra
ti
on o
f
 th
e e
lec
t
ro
ly
t
es 
in 
th
e groun
d
 var
ies 
loca
ll
y, 
potential differences are set up due to the difference in mobilitiesof 
anionsand
cations
insolutionsofdifferentconcentrations
‐‐‐
called
anions
 and
 cations
in
 solutions
 of
 different
 concentrations
called
 
liquid‐junctionor diffusion potentials.
•For this mechanism to ex
p
lain the continued occurrence of such 
p
potentials, a source capable of maintaining imbalances in the 
electrolytic concentration is needed, otherwise the concentrations 
differences will disappear with time by diffusion.
•Electrical potential is also generated when 2 identical metal 
ltdidiltifdiff ttti
e
lec
t
ro
d
es are 
immerse
d
 in so
lu
ti
ons o
f
 diff
eren
t
 concen
t
ra
ti
ons‐‐‐
called Nernst potential.
•
Diffusion+Nernstpotentials=Electrochemicalorstaticself
•
Diffusion
 +
 Nernst
 potentials
 =
 Electrochemical
, 
or
 static
, 
self
‐
potential.

10. Ofthttlltlti
NCl
Electrochemical potential
•
O
ne o
f
 th
e mos
t
 common na
t
ura
l e
lec
t
ro
ly
t
es 
is 
N
a
Cl
. 
•For NaClsolutions of different concentration (C
1
,C
2
) but at the same 
temperatureT(
°
C)theamplitudeoftheelectrochemicalpotential
temperature
, 
T
 (
C)
, 
the
 amplitude
 of
 the
 electrochemical
 potential
 
(E
c
) is given by 
•For example, if C
1
:C
2
= 5:1 ‐‐‐‐‐> E
c
≈ 50 mV

11. ithtittiilltifSPitdith
Mineral potential
•
is 
th
e mos
t
 impor
t
an
t
 in m
inera
l exp
lora
ti
on o
f
 SP
 assoc
ia
t
e
d
 w
ith
 
massive sulphide ore bodies.
•
Largenegative(
)SPanomalies(
100
1000
mV)canbeobserved
•
Large
 negative
 (
‐
)
 SP
 anomalies
 (
100
‐
1000
mV)can
 be
 observed
 
particularly over deposits of pyrite, chalcopyrite, pyrrhotite, 
ma
g
netite
,
 and 
g
ra
p
hite.
g,gp
•The potentials are almost invariably negative over the top of the 
deposit and are quite stable in time.
•Sato and Mooney (1960) have provided the most complete 
explanation of the electrochemical processes caused the observed 
SP anomalies.
•However this hypothesis does not explain all the occurrences of the 
SPidihhlhilli d SP
 in
di
cates t
h
at t
h
e actua
l p
h
ys
ica
l processes are more comp
li
cate
d
 
and no yet truly understood.

13. Measurement of Self‐potentials
•simple and inexpensive.
•2 non‐
p
olarizable
p
orous‐
p
ot electrodes connected to a 
p
recision  
p
p
pp
voltmeters capable of measuring to at least 1 mV
•Each electrode is made up of a copper electrode dipped in a 
saturated solution of copper sulphate which can percolate through 
the porous base to the pot.
•Analternate zinc electrode in saturated zinc sulphate solution or  
silver in silver chloride can be used.
Maximum depth of sensitivity of SP method = ~60‐100m depending 
bddtfbd
on ore 
b
o
d
y an
d
 na
t
ure o
f
 over
b
ur
d
en. 

14. Porous pot electrodes

15. 2
fi ldthi
2
ltdfi ti
Measurement of Self‐potentials
2
 fi
e
ld
 t
ec
h
n
iques or 
2
 e
lec
t
ro
d
e con
fi
gura
ti
ons
1.Potential gradient method (dipole/leap frog/gradient  configuration)
fiif
2
ld(
5
10
)
‐
fi
x separat
ion o
f
 2
 e
lectro
d
es 
(
5
 or 
10
 m
)
‐measure potential difference between 2 electrodes = potential    gradient[mV/V] gradient
 [mV/V]
 
‐2 porous are leap‐froggedalong traverse with care of correct polarity 
ofpotentialrecorded of
 potential
 recorded
‐observation points = midpoint between 2 electrodes

16. Measurement of Self‐potentials
2.Potential amplitude, or total field method (fixed‐base) 
configuration 
‐keep one electrode fixed at a base station
‐measure potential difference [mV] between base & 2
nd
electrodes moving along traverse
‐lower level of cumulative errors & confusing polarity
‐disadvantages of transporting long wire

17. Interpretation of Self‐Potential Data
•SP anomalies are often interpreted qualitatively by
–Profile shape –Amplitude
–Polarity (+ or ‐)
C
–
C
ontour pattern
•Top of ore body is assumed to lie directly beneath position of 
minimumpotential minimum
 potential
.
•For quantitative interpretation, it is possible to calculate the 
potentialdistributionsaroundpolarizedbodiesofsimpleshape, potential
 distributions
 around
 polarized
 bodies
 of
 simple
 shape,
 
such as sphere, ellipsoid, and dipole, by making some 
simplifications and assumptions concerning the potential on the 
surface of the sources.

18. SP profiles over buried polarized rod

19. SPfilbidlidh SP
 pro
fil
es over 
b
ur
ie
d
 po
lar
ize
d
 sp
h
ere

25. mV] SP [m
SPanomaliesgeneratedbyburiedmetalpipelinesandwellcasingsat
Meso
CaliforniaUSA
SP
 anomalies
 generated
 by
 buried
 metal
 pipelines
 and
 well
 casings
 at
 Meso
, 
California
, 
USA

27. An SP profile across pegmatite dikes in gneiss