免维护超低噪声固体不极化电极的研制与性能测试

2022-06-16王辉付书计葛帅寅马方圆宋宝家罗景程

物探与化探 2022年3期

王辉，付书计，葛帅寅，马方圆，宋宝家，罗景程

(1.中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083； 2.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083； 3.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

不极化电极是接收地电场信号的传感器，一般通过在地表、井中或水下布设电极，测量地电场或地电位随时间的变化来研究地下介质导电性[1]、地下水位置及流向[2]、污染物迁移[3]等。实际地电场是通过测量两个电极之间的电位差得到的，测量结果还包含了电极自身之间的极化电位差(简称极差)，以及电极与土壤之间的接触电位差[4]。由于电极底部与土壤之间的接触电位差远小于电极自身的极差，工作时可以忽略不计，而电极极差及其变化则可能超过电场有效信号，因此，电极极差大小及其稳定性将直接影响对地电场信号的观测质量。

金属—金属盐溶液不极化电极，其噪声小，极差较稳定，应用最为广泛。目前最常用的有Cu-CuSO4[5]、Ag-AgCl[6]和Pb-PbCl2电极[7]。Cu-CuSO4电极是将铜棒放入饱和的硫酸铜溶液中，野外可以自行配置电解液组装电极。但由于是液体电极，电极与土壤接触时硫酸铜容易流失，导致极差发生变化，因此Cu-CuSO4电极只能用于对地电场的短期观测，如时间域激发极化法的测量。Ag-AgCl电极稳定性较好，温度系数较低，但由于成本较高，目前主要应用于海洋电场数据的采集[8-9]。20世纪70年代，法国研制出Pb-PbCl2电极[4]，并对不同的不极化电极进行了1 a的对比测试，结果表明Pb-PbCl2电极具有极差小、温度系数低、噪声低等优良特性[10]。2000年,Petiau详细讨论了电极内部电解质组成、pH值、温度和电极结构等因素对电极极差的影响，研制出极差稳定和寿命超过10 a的第二代Pb-PbCl2电极[11]，逐渐成为陆地最常用的一种固体不极化电极。Perrrier[12]对该电极进行长达14 a的测试，发现电极极差在前3年较稳定，随后极差变化将超过几个mV，寿命远不如预期。在国内，陆阳泉等[13]研制出Pb-PbCl2电极，2个电极极差小于 1 mV，24 h极差变化小于0.1 mV。宋艳茹等[14]设计了一种分体式可拆解结构的不极化电极，用于调节电极离子交换速度和内阻，电极极差的变化在 24 h 内小于0.1 mV。王辉等[7]对电极电解质和结构进行了改进，试制出长时间稳定的Pb-PbCl2电极，野外实测表明该电极可以提高低频电场的采集精度。姜健[15]设计了适用于井—地电阻层析成像(ERT)的不极化电极，并对 pH值、电解质填充物状态、电解质配比等因素对电极性能的影响进行了实验研究。尚延杰[16]改进了电极结构和填充剂，设计出多层结构凝胶不极化电极，并测试了电极的极差稳定性和温度系数，极差漂移一个月约为0.3 mV，温度系数约为1 mV/C°。

近年来，虽然国内外固体不极化电极的性能有了很大提升，但在实际应用中，仍存在以下4个明显不足：① 需要定期维护，将电极放置在饱和或过饱和的盐水中，俗称“泡电极”；② 寿命短，由于野外使用过程中电极电解质的损耗，尤其是水分的流失，导致电极内阻急剧增大，电极使用寿命一般不超过1 a，无法用于对地电场的长期观测；③ 电极极差稳定性较差，低频噪声较大，导致观测时间再长也难以获得周期超过10 万s的电场有效信号[17]；④ 电极温度系数较大，通常在0.1～1 mV/C°，对于温差较大的地区，即使深埋电极也难以降低由温度变化引起的噪声。

为了解决不极化电极在实际应用中存在的以上诸多问题，经过十几年的不断改进和测试，针对野外不同观测方法要求，研制出多种型号固体Pb-PbCl2不极化电极，并对其进行室内测试与第三方野外对比实验。

1 固体Pb-PbCl2不极化电极的研制

影响不极化电极极差稳定性的主要因素有两个：电极内部电解质组成和电极结构。电解质的主要作用是使得金属导体(Pb)与金属盐离子(Pb2+、Cl-)形成双电层时的极化电位保持稳定。但电极掩埋在地下之后，由于电解质中离子与土壤中离子成分不同、浓度不同，离子发生扩散作用，导致电解质中离子(Pb2+、Cl-)浓度降低，引起极差发生变化。另外,电极外部结构对减缓离子的扩散也具有重要作用,通过在电解质中加入含氯离子的盐类和减小电解质与外部环境接触的横截面积，可以大大延缓离子浓度变化的时间，延长电极的使用寿命[7,11]。

从2008年开始，试制了多组不同配比的电解质，最终研制的固体不极化电极电解质的主要成分为氯化铅、氯化钠、蒸馏水、高岭土、盐酸等，以上物质的纯度应在化学纯及以上，尽可能减小杂质对电极的影响。同时，在电极内部增加一个小通道，减小电极内部电解质各离子与外界接触时的扩散速度，延长电极的使用寿命。针对不同用途，最终研制出5种类型固体不极化电极,如图1所示。与以往电极相比，其优点在于：①电极极差小，任意2个电极极差小于0.5 mV，野外无需配对；②无需维护，电极底部用橡胶皮套密封，底部垫上海绵，电极不再需要浸泡在饱和盐水中，电极寿命更长；③更便携，电极外径为2～4 cm，重0.15～0.4 kg；④ 电极采用全防水设计，可以用于湖底等水域电场的测量；⑤电极提绳设计在电极外部，不影响电极内部电解质，野外损坏后可更换。

图1 自主研制免维护固体不极化电极实物图Fig.1 our 5 type maintenance free solid non-polarized electrodes

2 室内电极性能测试

通常用电极的极差漂移、温度系数和噪声频谱衡量电极噪声[4]。极差漂移是指2个电极自身极化电位差随时间的变化，对时间域的电法勘探而言，要求极差随时间变化越小越好。电极的温度系数是指电极极差随单位温度变化而发生的变化，温度系数越小，电极受温度影响越小。电极的噪声频谱是指电极极差的频谱，为了更直观衡量电极噪声对电场信号的影响，采用信噪比的方法评价电极噪声。参与室内电极性能测试的有自主研制的5种电极以及法国进口的PMS9000电极。测试时，将电极放入塑料箱中，底部加入饱和盐水并垫上海绵，选用美国是德科技多通道纳伏表测量电极极差随时间的变化，采样间隔1 min。测试结果见表1。

下面以自主研制的SLEL型电极与法国进口的PMS9000型电极[10-11]为例，分析这2种电极极差的测试结果，PMS9000电极资料见文献[18]。

2.1 极差漂移

图2是2021-11-10～2021-12-16电极极差的变化，同时测量了温度(T)变化。由于冬季供暖，室内温度变化不大，日变化约为1 ℃，与野外电极埋入地下一定深度处的温度变化相似。图中可看出，法国PMS9000电极极差一个月内变化约为1.4 mV(-0.8～0.6 mV)，而自主研制的SLEL电极极差一个月变化不超过0.06 mV(-0.02～0.04 mV)，不到前者的5%。

表1 室内电极性能测试结果

图2 2种型号电极的极差漂移对比Fig.2 Comparison of potential difference between different electrodes

2.2 温度系数

温度系数是指单位温度变化引起电极极差的变化。选取图2中2021-11-14～2021-11-18温度变化较平稳的时段计算电极的温度系数，如图3所示，期间温度的日变化约为1 ℃(图3中绿色粗线)，PMS9000电极极差的日变化超过0.1 mV，温度系数大于100 μV/℃， SLEL电极极差的日变化约为0.02 mV，相应的温度系数约为20 μV/℃，只有进口电极的1/5和国内电极的1/10[16]。

图3 电极极差随温度的变化曲线Fig.3 Potential difference variation with temperature

2.3 信噪比

以往采用电极极差的频谱来描述电极噪声对频率域电法数据的影响，但极差的频谱并不能用于直观判断电极对不同频率信号的影响程度。为了定量评价电极噪声对不同频段电场信号的影响，通过计算理想的感应大地电场信号，用信噪比的方法衡量电极频谱噪声。具体步骤如下：首先，选择一个合理的地电模型，正演得到大地电磁阻抗；再选择实际测量的磁场数据，通过傅里叶变换得到磁场的频谱，根据大地电磁测深理论中电场与磁场的关系式：

得到理想的电场频谱；最后，对电场频谱进行傅里叶反变换，得到电场的时间序列信号[19]。

选择最新全球电阻率模型[20]正演得到大地电磁阻抗(图4a)，以及2014年我国西部噪声较小的嘉峪关地磁台站的实测磁场数据计算电场(图4b)。假设电极距为100 m，以图4b中的电场信号为标准信号，以电极极差为噪声，计算信噪比。信噪比的定义如下：

SNR=10lg (Ps/Pn) ，

式中：Ps表示频域中电场信号的功率，Pn为频域中电极极差的功率。SNR=0 dB,表示信号功率与噪声功率相当;SNR=10 dB,表示信号功率是噪声功率的10倍;SNR=20 dB,表示信号功率是噪声功率的100倍。为了获得较好的原始数据资料，一般要求信噪比要大于10 dB。

PMS9000电极和SLEL电极的信噪比如图5所示。可以看出：在102～106s周期范围内，SLEL电极的信噪比明显高于PMS9000电极。在102～103s周期范围内，PMS9000电极的信噪比平均值约为30 dB,SLEL电极约为40 dB，在周期为104s时，PMS9000电极信噪比接近于0 dB，SLEL电极信噪比仍大于20 dB，这表明PMS9000电极难以采集到周期大于104s的电场信号；在105s的超长周期，PMS9000电极信噪比接近-20 dB，而SLEL电极的信噪比在10 dB左右，仍然可以采集到较好的电场信号。由此可见，在常规100 m电极距情况下，PMS9000电极几乎不能获得低于104s周期的信号，而SLEL电极可以获得周期达到105s的信号。

图4 用于计算理想电场信号的大地电磁阻抗(a)与理想的大地电场信号(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)

图5 利用不同电极在100 m电极距情况下采集理想电场信号的信噪比Fig.5 Signal to noise ratio of ideal electric field signal collected with different electrodes at 100 m electrode distance

3 电极野外测试

由于自主研制的固体不极化电极具有极差稳定、温度系数低、高信噪比的显著优点，将有助于提高对地电场的采集精度。通常磁场变化感应产生的大地电场信号不超过10 mV/km，野外测量的电极距一般不超过100 m，地电场有效信号也就只有几百μV，此时，电极极差对天然场源的大地电磁法具有重要影响。图6给出了国内传统固体不极化电极和自主研制LEL型电极对大地电磁数据影响的对比结果，在安徽某地同一测点利用2台凤凰地球物理公司的MTU-5大地电磁仪，同步采集3 d，原始数据经过SSMT2000软件处理后，利用MTedit软件自动编辑得到大地电磁视电阻率和相位曲线。从图6中不难看出，该测点在0.1 Hz频带附近视电阻率呈45°直线上升，相位趋于0°和180°，具有明显的近场源效应，而自主研制的LEL电极采集数据受干扰明显小很多；在频率低于0.001 Hz部分，LEL电极获得的电阻率和相位曲线都更为光滑、误差棒更小。

图6 安徽某地不同电极采集的大地电磁数据对比Fig.6 MT comparison of different electrodes in Anhui Province

图7是不同电极对长周期大地电磁影响的对比。在新疆某地同一测点，采用1台Lemi417长周期大地电磁仪采集约7 d，Lemi417有4个电道，其中2道接法国进口的PMS9000电极，另外2道接SLEL电极，原始数据采用EMTF[21]处理得到视电阻率和相位曲线。在周期小于103s时，2种电极得到的视电阻率和相位曲线一致；在周期大于103s时，PMS9000电极对应的视电阻率和相位曲线不再光滑，而SLEL电极的低频数据明显好于PMS9000电极，对应电阻率和相位有效数据周期超过104s。