一般情况下物质都是电中性的。但是，在特定的自然条件下，在地下某些物体或岩石中在各种物理化学过程作用下，形成面电荷和体电荷。物体或岩石的这一性质称为物体或岩石自然极化，即自然极化是由不同地质体接触处的电荷自然产生的表面极化或由岩石的固相骨架与充满空隙空间的液相接触处的电荷自然产生的（两相介质的体极化）。
自然极化分为电子导体的自然极化和离子导体的自然极化两种类型。自然极化产生的面电荷和体电荷形成自然电场。
5.1.2.1 电子导体的自然极化
在特定的自然条件下，即当潜水面上、下水溶液化学性质的差异通过自然界大气降水的循环总能长期保持时，这样电子导体的上、下部分总是分别处于性质不同的溶液之中，在导体和溶液之间形成了不均匀的双电层，产生自然极化，并形成自然极化电流场，简称自然电场。
在上述特定自然条件下，导体上部处于氧化性质的溶液中，其电极电位较高，导体带正电，周围溶液带负电；导体下部处于还原性质的溶液中，电极电位较低，导体带负电，周围溶液带正电。这种因极化形成的电流场，当沿剖面观测自然电位时，离导体愈近，电位愈低，在导体正上方出现电位负异常。
5.1.2.2 离子导体的自然极化
在离子导电的岩石上方，所观测到的自然电场主要是由于动电效应所产生的流动电位所引起的。当沿剖面观测自然电位时，可以观测到过滤电场、扩散-吸附电场。
（1）过滤电场
当地下水流过多孔岩石时，在地表就可以观测到过滤电场。多孔岩石孔隙的紧密层和分散区构成了岩石孔隙的双电层。位于扩散区溶液的正离子受孔隙负离子层的吸引较弱，因此溶液能平行于孔壁自由流动而把正离子带走，于是在水流的上游负离子过多，而在水流下游正离子过多，形成了过滤电场。
地壳中自然形成的过滤电场主要包括裂隙电场、上升泉电场、山地电场和河流电场等。例如，地下的喀斯特溶洞、断层、破碎带或其他岩石裂隙带，常成为地下水的通道。当地下水向下渗漏时，上部岩石吸附负离子，下部岩石出现多余的正离子，这就形成裂隙渗漏电场，在地表就可以观测到自然电位负异常（见图5.1.5（a））。与以上的情况相反，当地下水通过裂隙带向上涌出或形成上升泉时，由于过滤作用在地下水出露处呈现过剩的正电荷，而在地下水深处留下过多的负电荷，于是形成所谓的上升泉电场，即在地表就可以观测到自然电位正异常（见图5.1.5（b））。
图5.1.5 裂隙渗漏电场和上升泉电场
此外，由于河水和地下水之间的相互补给形成的地下水流产生的过滤电场为河流电场。山地电场常常是雨水渗入多孔的山顶岩层向山脚流动形成的。山地电场总是山顶电位为负，山脚电位为正，电场的分布与地形成镜像关系。
（2）扩散-吸附电场
当两种浓度不同的溶液相接触时，会产生扩散现象。溶质由浓度大的溶液移向浓度小的溶液里，以达到浓度平衡。正、负离子将随着溶质移动，但因岩石颗粒的吸附作用，正、负离子的扩散速度不同，使两种不同离子浓度的岩石分界面上分别含有过量的正离子或负离子，形成电位差，这种电场称为扩散-吸附电场。
扩散-吸附电场强度较小。例如，在地面观测到的河水与地下水接触处由于离子浓度差别形成的扩散-吸附电场，一般约10～20 mV。扩散-吸附电场更多的是用在电测井工作中。
在此指出，以上各种原因产生的自然电场不是孤立存在的。当应用自然电场方法研究电子导体周围的电化学电场时，把河流电场、裂隙电场视为干扰；当应用自然电场方法解决水文地质问题时，将电子导体周围的电场视为干扰。