岩石的自然极化是一种重要的岩石电学现象。1928年，法国地球物理学家Schlumberg-er在野外试验中发现当外电场不存在时，在测量电极上仍会观测到一定数量的电位差。这种现象被称为岩石的自然极化。在此之后，以Doll为代表的一些岩石物理学家对岩石的自然极化现象进行了深入的研究，证实岩石的自然极化现象主要与岩石中发生的动电效应和电化学过程有关。在数值上，自然电场的幅度在几十毫伏到几百毫伏之间变动。
由于自然电场是地壳中一种自然产生的电化学现象，所以在对其进行观测时不需要向地下供电。这使得自然电场法的观测设备轻便简单，因而有很高的工作效率。在地面电法勘探的历史上，基于岩石自然极化现象的自然电场法是最早获得实际应用的勘探方法，在寻找电子导电型的金属和非金属矿床，确定地下水流速、流向，以及在解决某些地质填图问题上得到了广泛的应用并取得了较好的地质效果。在金属矿地球物理测井中，利用井中自然电位观测可以配合其他测井曲线确定矿层和划分观测井段的地质剖面，并帮助了解矿层的性质。在石油天然气测井中，利用自然电位测井曲线可以划分地层、区分岩性、求地层水电阻率以及估计泥质含量。
1.动电电位
动电电位也称为流动电位，是具有一定黏滞性的流体在外力的作用下通过毛细管或孔隙性介质时产生的。当具有一定含盐度的流体通过岩石进行渗透时，岩石颗粒将有选择地吸附溶液中的正、负离子，因而引起正、负离子分布的不均匀，形成了自然电位。在地面电法中，流体即可以从地表向岩石中渗透，也可以在岩石中沿着水平方向进行渗流。在测井当中，流动电位主要是由于井液在压力的作用下通过泥饼向地层中侵入而产生的。
Lynch在1962年提出，在流体流动的路径两端由动电效应产生的动电电位满足下列公式：
岩石物理学基础
式中：Δp为流体通道两端的压力差；ε为流体的介电常数；ζ为吸附电位（zeta电位）；σ为流体的电导率；η为流体的黏度。
动电效应产生的动电电位一般远小于由于电化学效应产生的电化学电位。但动电效应在某些特殊条件下会引起相当可观的自然电位异常。
2.扩散电位
当两种浓度不同的溶液相接触时，溶质要从浓度大的溶液迁移到浓度小的溶液里以达到均匀的浓度分布，这种现象叫做扩散。在溶质移动的过程中，溶液中的正、负离子将随溶质一起移动，但其运动速度（迁移率）不同。因而在两种不同浓度的溶液中分别出现了剩余的（过量的）正离子或负离子，形成电动势。这种由扩散现象所引起的电位被称为扩散电位，由此而产生的电场是扩散电场。
例如，在钻井附近的地层中，经过泥饼过滤后的侵入水和地层中的原生水之间存在有一个接触面。在该面两边水的含盐（NaCl）浓度不同，因而要发生扩散。由于钠离子（Na+）的迁移速率小于氯离子（Cl-）的迁移速率，在浓度小的一方将出现剩余的氯离子，获得负电位；而在浓度大的一方将出现剩余的钠离子，获得正电位。当由扩散作用产生的电动势形成后，由此而产生的电场将阻止氯离子的进一步积累，达到了一种动平衡的状态。
扩散电位满足下列关系式：
岩石物理学基础
式中：R=8.31 J/℃为气体常数；Ff=9.65×104C/mol为法拉第常数；T为绝对温度；n为原子价；I+和I-分别为正离子和负离子的迁移率；C1和C2分别为溶液的浓度。对于氯化钠溶液，I+/I-=1.49，当温度为25℃时，以毫伏为单位的扩散电位是：
Ud=-11.6 lg（C1/C2） （5-8-3）
3.薄膜电位
当两种浓度不同的溶液被叶片状泥质分开时，带电离子要从浓度高的一方通过泥质向浓度低的一方进行扩散。由于以片状泥质存在的粘土矿物主要由铝、硅、氧等形成的晶格组成，负2价的氧（O2-）离子占据了最外层的末端。由此产生的后果是：溶液中带正电的钠离子被这些带负电的氧离子所吸引，通过泥片而达到低浓度一方；而溶液中带负电的氯离子将被排斥而不能通过泥饼。这样一来，钠离子将可以在两种不同浓度的溶液之间进行迁移，在浓度低的一方有净流入量，而在浓度高的一方有净流出量。由于在泥饼两面钠离子浓度的不平衡所产生的电位被称为薄膜电位或泥饼电位：
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4.电化学电位
电化学电位是薄膜电位和扩散电位之和：
Uc=Um+Ud （5-8-5）
对于氯化钠，在摄氏温度Tc下，有
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5.电极电位及氧化-还原电位
除上述几种自然极化电位外，还有电极电位、氧化-还原电位及其他类型的自然极化电位。这里，我们只介绍在金属矿区常见的电极电位和氧化-还原电位。
（1）电极电位：当某种金属（电极）处于本身的盐类电解液中时，它本身的金属离子可以离开电极进入溶液成为离子状态，这时，电极由于失去正离子而带负电。另一方面，溶液中的金属离子在处于金属电极附近时，可以沉淀到电极表面上，这时电极便带正电。当进入和沉淀这两种运动达到动态平衡时，在金属电极和溶液的交界面处将出现电位跳跃。此时电极相对于溶液的电位被称为电极电位。一般来讲，地下流体或钻井液中不会含有金属离子，所以金属矿体中的金属离子会进入到其周围的流体中而使金属矿体带负电。目前，电极电位的绝对值还无法测出，人们只能测量电极电位相对于某种金属电极的电极电位差。
（2）氧化-还原电位：氧化-还原电位是在矿体和围岩的界面上由于氧化还原作用所形成的电位跃变。当金属矿体被氧化时，由于失去电子而带正电。反之，当金属矿体被还原时，则会由于得到电子而带负电。产生氧化-还原电位的典型例子是内部彼此连通的电子导体被潜水面所切割。由于潜水面上方为渗透带，其中富含氧气，所以矿体在潜水面上方的部分是处在氧化环境之中。与此相反，潜水面下部由于含氧较少而相对呈还原的环境，所以，在金属矿体的上方可以观测到明显的负电位异常。另外，从地面上看，自然极化电流是从远处流向矿体，电流的方向在矿体内是由上到下，而在矿体外则是由下到上。自然电位的极小点出现在矿体的最顶端。
在自然状态下，在金属矿体周围要同时产生电极电位和氧化-还原电位。至于哪种机制的电位占有优势，要视具体的地质和地球化学情况而定。在一般的硫化物矿床和磁铁矿上，可以观测到几十到500mV的负电位异常；在石墨矿或石墨化程度较高的岩层上，可以观测到最高达900mV的负电位异常。