免維護(hù)超低噪聲固體不極化電極的研制與性能測試

王輝，付書計，葛帥寅，馬方圓，宋寶家，羅景程

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京 100083； 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083； 3.中國煤炭地質(zhì)總局 勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

不極化電極是接收地電場信號的傳感器，一般通過在地表、井中或水下布設(shè)電極，測量地電場或地電位隨時間的變化來研究地下介質(zhì)導(dǎo)電性[1]、地下水位置及流向[2]、污染物遷移[3]等。實際地電場是通過測量兩個電極之間的電位差得到的，測量結(jié)果還包含了電極自身之間的極化電位差(簡稱極差)，以及電極與土壤之間的接觸電位差[4]。由于電極底部與土壤之間的接觸電位差遠(yuǎn)小于電極自身的極差，工作時可以忽略不計，而電極極差及其變化則可能超過電場有效信號，因此，電極極差大小及其穩(wěn)定性將直接影響對地電場信號的觀測質(zhì)量。

金屬—金屬鹽溶液不極化電極，其噪聲小，極差較穩(wěn)定，應(yīng)用最為廣泛。目前最常用的有Cu-CuSO4[5]、Ag-AgCl[6]和Pb-PbCl2電極[7]。Cu-CuSO4電極是將銅棒放入飽和的硫酸銅溶液中，野外可以自行配置電解液組裝電極。但由于是液體電極，電極與土壤接觸時硫酸銅容易流失，導(dǎo)致極差發(fā)生變化，因此Cu-CuSO4電極只能用于對地電場的短期觀測，如時間域激發(fā)極化法的測量。Ag-AgCl電極穩(wěn)定性較好，溫度系數(shù)較低，但由于成本較高，目前主要應(yīng)用于海洋電場數(shù)據(jù)的采集[8-9]。20世紀(jì)70年代，法國研制出Pb-PbCl2電極[4]，并對不同的不極化電極進(jìn)行了1 a的對比測試，結(jié)果表明Pb-PbCl2電極具有極差小、溫度系數(shù)低、噪聲低等優(yōu)良特性[10]。2000年,Petiau詳細(xì)討論了電極內(nèi)部電解質(zhì)組成、pH值、溫度和電極結(jié)構(gòu)等因素對電極極差的影響，研制出極差穩(wěn)定和壽命超過10 a的第二代Pb-PbCl2電極[11]，逐漸成為陸地最常用的一種固體不極化電極。Perrrier[12]對該電極進(jìn)行長達(dá)14 a的測試，發(fā)現(xiàn)電極極差在前3年較穩(wěn)定，隨后極差變化將超過幾個mV，壽命遠(yuǎn)不如預(yù)期。在國內(nèi)，陸陽泉等[13]研制出Pb-PbCl2電極，2個電極極差小于 1 mV，24 h極差變化小于0.1 mV。宋艷茹等[14]設(shè)計了一種分體式可拆解結(jié)構(gòu)的不極化電極，用于調(diào)節(jié)電極離子交換速度和內(nèi)阻，電極極差的變化在 24 h 內(nèi)小于0.1 mV。王輝等[7]對電極電解質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，試制出長時間穩(wěn)定的Pb-PbCl2電極，野外實測表明該電極可以提高低頻電場的采集精度。姜健[15]設(shè)計了適用于井—地電阻層析成像(ERT)的不極化電極，并對 pH值、電解質(zhì)填充物狀態(tài)、電解質(zhì)配比等因素對電極性能的影響進(jìn)行了實驗研究。尚延杰[16]改進(jìn)了電極結(jié)構(gòu)和填充劑，設(shè)計出多層結(jié)構(gòu)凝膠不極化電極，并測試了電極的極差穩(wěn)定性和溫度系數(shù)，極差漂移一個月約為0.3 mV，溫度系數(shù)約為1 mV/C°。

近年來，雖然國內(nèi)外固體不極化電極的性能有了很大提升，但在實際應(yīng)用中，仍存在以下4個明顯不足：① 需要定期維護(hù)，將電極放置在飽和或過飽和的鹽水中，俗稱“泡電極”；② 壽命短，由于野外使用過程中電極電解質(zhì)的損耗，尤其是水分的流失，導(dǎo)致電極內(nèi)阻急劇增大，電極使用壽命一般不超過1 a，無法用于對地電場的長期觀測；③ 電極極差穩(wěn)定性較差，低頻噪聲較大，導(dǎo)致觀測時間再長也難以獲得周期超過10 萬s的電場有效信號[17]；④ 電極溫度系數(shù)較大，通常在0.1～1 mV/C°，對于溫差較大的地區(qū)，即使深埋電極也難以降低由溫度變化引起的噪聲。

為了解決不極化電極在實際應(yīng)用中存在的以上諸多問題，經(jīng)過十幾年的不斷改進(jìn)和測試，針對野外不同觀測方法要求，研制出多種型號固體Pb-PbCl2不極化電極，并對其進(jìn)行室內(nèi)測試與第三方野外對比實驗。

1 固體Pb-PbCl2不極化電極的研制

影響不極化電極極差穩(wěn)定性的主要因素有兩個：電極內(nèi)部電解質(zhì)組成和電極結(jié)構(gòu)。電解質(zhì)的主要作用是使得金屬導(dǎo)體(Pb)與金屬鹽離子(Pb2+、Cl-)形成雙電層時的極化電位保持穩(wěn)定。但電極掩埋在地下之后，由于電解質(zhì)中離子與土壤中離子成分不同、濃度不同，離子發(fā)生擴(kuò)散作用，導(dǎo)致電解質(zhì)中離子(Pb2+、Cl-)濃度降低，引起極差發(fā)生變化。另外,電極外部結(jié)構(gòu)對減緩離子的擴(kuò)散也具有重要作用,通過在電解質(zhì)中加入含氯離子的鹽類和減小電解質(zhì)與外部環(huán)境接觸的橫截面積，可以大大延緩離子濃度變化的時間，延長電極的使用壽命[7,11]。

從2008年開始，試制了多組不同配比的電解質(zhì)，最終研制的固體不極化電極電解質(zhì)的主要成分為氯化鉛、氯化鈉、蒸餾水、高嶺土、鹽酸等，以上物質(zhì)的純度應(yīng)在化學(xué)純及以上，盡可能減小雜質(zhì)對電極的影響。同時，在電極內(nèi)部增加一個小通道，減小電極內(nèi)部電解質(zhì)各離子與外界接觸時的擴(kuò)散速度，延長電極的使用壽命。針對不同用途，最終研制出5種類型固體不極化電極,如圖1所示。與以往電極相比，其優(yōu)點在于：①電極極差小，任意2個電極極差小于0.5 mV，野外無需配對；②無需維護(hù)，電極底部用橡膠皮套密封，底部墊上海綿，電極不再需要浸泡在飽和鹽水中，電極壽命更長；③更便攜，電極外徑為2～4 cm，重0.15～0.4 kg；④ 電極采用全防水設(shè)計，可以用于湖底等水域電場的測量；⑤電極提繩設(shè)計在電極外部，不影響電極內(nèi)部電解質(zhì)，野外損壞后可更換。

圖1 自主研制免維護(hù)固體不極化電極實物圖Fig.1 our 5 type maintenance free solid non-polarized electrodes

2 室內(nèi)電極性能測試

通常用電極的極差漂移、溫度系數(shù)和噪聲頻譜衡量電極噪聲[4]。極差漂移是指2個電極自身極化電位差隨時間的變化，對時間域的電法勘探而言，要求極差隨時間變化越小越好。電極的溫度系數(shù)是指電極極差隨單位溫度變化而發(fā)生的變化，溫度系數(shù)越小，電極受溫度影響越小。電極的噪聲頻譜是指電極極差的頻譜，為了更直觀衡量電極噪聲對電場信號的影響，采用信噪比的方法評價電極噪聲。參與室內(nèi)電極性能測試的有自主研制的5種電極以及法國進(jìn)口的PMS9000電極。測試時，將電極放入塑料箱中，底部加入飽和鹽水并墊上海綿，選用美國是德科技多通道納伏表測量電極極差隨時間的變化，采樣間隔1 min。測試結(jié)果見表1。

下面以自主研制的SLEL型電極與法國進(jìn)口的PMS9000型電極[10-11]為例，分析這2種電極極差的測試結(jié)果，PMS9000電極資料見文獻(xiàn)[18]。

2.1 極差漂移

圖2是2021-11-10～2021-12-16電極極差的變化， 同時測量了溫度(T)變化。由于冬季供暖，室內(nèi)溫度變化不大，日變化約為1 ℃，與野外電極埋入地下一定深度處的溫度變化相似。圖中可看出， 法國PMS9000電極極差一個月內(nèi)變化約為1.4 mV(-0.8～0.6 mV)，而自主研制的SLEL電極極差一個月變化不超過0.06 mV(-0.02～0.04 mV)，不到前者的5%。

表1 室內(nèi)電極性能測試結(jié)果

圖2 2種型號電極的極差漂移對比Fig.2 Comparison of potential difference between different electrodes

2.2 溫度系數(shù)

溫度系數(shù)是指單位溫度變化引起電極極差的變化。選取圖2中2021-11-14～2021-11-18溫度變化較平穩(wěn)的時段計算電極的溫度系數(shù)，如圖3所示，期間溫度的日變化約為1 ℃(圖3中綠色粗線)，PMS9000電極極差的日變化超過0.1 mV，溫度系數(shù)大于100 μV/℃， SLEL電極極差的日變化約為0.02 mV，相應(yīng)的溫度系數(shù)約為20 μV/℃，只有進(jìn)口電極的1/5和國內(nèi)電極的1/10[16]。

圖3 電極極差隨溫度的變化曲線Fig.3 Potential difference variation with temperature

2.3 信噪比

以往采用電極極差的頻譜來描述電極噪聲對頻率域電法數(shù)據(jù)的影響，但極差的頻譜并不能用于直觀判斷電極對不同頻率信號的影響程度。為了定量評價電極噪聲對不同頻段電場信號的影響，通過計算理想的感應(yīng)大地電場信號，用信噪比的方法衡量電極頻譜噪聲。具體步驟如下：首先，選擇一個合理的地電模型，正演得到大地電磁阻抗；再選擇實際測量的磁場數(shù)據(jù)，通過傅里葉變換得到磁場的頻譜，根據(jù)大地電磁測深理論中電場與磁場的關(guān)系式：

得到理想的電場頻譜；最后，對電場頻譜進(jìn)行傅里葉反變換，得到電場的時間序列信號[19]。

選擇最新全球電阻率模型[20]正演得到大地電磁阻抗(圖4a)，以及2014年我國西部噪聲較小的嘉峪關(guān)地磁臺站的實測磁場數(shù)據(jù)計算電場(圖4b)。假設(shè)電極距為100 m，以圖4b中的電場信號為標(biāo)準(zhǔn)信號，以電極極差為噪聲，計算信噪比。信噪比的定義如下：

SNR=10lg (Ps/Pn) ，

式中：Ps表示頻域中電場信號的功率，Pn為頻域中電極極差的功率。SNR=0 dB,表示信號功率與噪聲功率相當(dāng);SNR=10 dB,表示信號功率是噪聲功率的10倍;SNR=20 dB,表示信號功率是噪聲功率的100倍。為了獲得較好的原始數(shù)據(jù)資料，一般要求信噪比要大于10 dB。

PMS9000電極和SLEL電極的信噪比如圖5所示。可以看出：在102～106s周期范圍內(nèi)，SLEL電極的信噪比明顯高于PMS9000電極。在102～103s周期范圍內(nèi)，PMS9000電極的信噪比平均值約為30 dB,SLEL電極約為40 dB，在周期為104s時，PMS9000電極信噪比接近于0 dB，SLEL電極信噪比仍大于20 dB，這表明PMS9000電極難以采集到周期大于104s的電場信號；在105s的超長周期，PMS9000電極信噪比接近-20 dB，而SLEL電極的信噪比在10 dB左右，仍然可以采集到較好的電場信號。由此可見，在常規(guī)100 m電極距情況下，PMS9000電極幾乎不能獲得低于104s周期的信號，而SLEL電極可以獲得周期達(dá)到105s的信號。

圖4 用于計算理想電場信號的大地電磁阻抗(a)與理想的大地電場信號(b)Fig.4 MT impedance that is used to calculate the ideal induced geoelectric field signal(a) and the ideal induced geoelectric field signal(b)

圖5 利用不同電極在100 m電極距情況下采集理想電場信號的信噪比Fig.5 Signal to noise ratio of ideal electric field signal collected with different electrodes at 100 m electrode distance

3 電極野外測試

由于自主研制的固體不極化電極具有極差穩(wěn)定、溫度系數(shù)低、高信噪比的顯著優(yōu)點，將有助于提高對地電場的采集精度。通常磁場變化感應(yīng)產(chǎn)生的大地電場信號不超過10 mV/km，野外測量的電極距一般不超過100 m，地電場有效信號也就只有幾百μV，此時，電極極差對天然場源的大地電磁法具有重要影響。圖6給出了國內(nèi)傳統(tǒng)固體不極化電極和自主研制LEL型電極對大地電磁數(shù)據(jù)影響的對比結(jié)果，在安徽某地同一測點利用2臺鳳凰地球物理公司的MTU-5大地電磁儀，同步采集3 d，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過SSMT2000軟件處理后，利用MTedit軟件自動編輯得到大地電磁視電阻率和相位曲線。從圖6中不難看出，該測點在0.1 Hz頻帶附近視電阻率呈45°直線上升，相位趨于0°和180°，具有明顯的近場源效應(yīng)，而自主研制的LEL電極采集數(shù)據(jù)受干擾明顯小很多；在頻率低于0.001 Hz部分，LEL電極獲得的電阻率和相位曲線都更為光滑、誤差棒更小。

圖6 安徽某地不同電極采集的大地電磁數(shù)據(jù)對比Fig.6 MT comparison of different electrodes in Anhui Province

圖7是不同電極對長周期大地電磁影響的對比。在新疆某地同一測點，采用1臺Lemi417長周期大地電磁儀采集約7 d，Lemi417有4個電道，其中2道接法國進(jìn)口的PMS9000電極，另外2道接SLEL電極，原始數(shù)據(jù)采用EMTF[21]處理得到視電阻率和相位曲線。在周期小于103s時，2種電極得到的視電阻率和相位曲線一致；在周期大于103s時，PMS9000電極對應(yīng)的視電阻率和相位曲線不再光滑，而SLEL電極的低頻數(shù)據(jù)明顯好于PMS9000電極，對應(yīng)電阻率和相位有效數(shù)據(jù)周期超過104s。

圖7 不同電極在新疆某地實測大地電磁數(shù)據(jù)對比Fig.7 Long period MT comparison of different electrodes in Xinjiang

4 結(jié)論

通過十多年的不懈努力，研制出免維護(hù)固體Pb-PbCl2不極化電極，室內(nèi)和野外電極綜合測試表明：

1)新研制的固體不極化電極一個月的極差漂移不到法國PMS9000電極的5%，溫度系數(shù)只有其1/5，頻率域信噪比為40 dB@103s, 20 dB@104s和10 dB@104s，遠(yuǎn)高于PMS9000電極的20 dB@103s, 0 dB@104s和-10 dB@105s。

2) 新型固體不極化電極可以提高對地電場的采集精度，明顯改善大地電磁死頻帶和低頻的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

致謝：衷心感謝長江大學(xué)、浙江大學(xué)、四川省核工業(yè)地質(zhì)局二八二大隊、中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所等單位進(jìn)行的電極野外對比實驗。