不极化电极测试技术方案研究

时间：2024-07-28

李美英，屈栓柱

（1.新疆地矿局物化探大队，新疆昌吉 831100；2.新疆维吾尔自治区地质调查院，新疆乌鲁木齐 830000）

地电场高精度观测是实现电法勘探野外数据采集的必要条件。通过在地表或地下空间埋设不极化电极，观测不同空间的电位差实现地电场观测。不极化电极的性能直接影响到野外数据质量。目前我国多个行业、多家单位进行了不极化电极的研制或使用，重点集中在极差稳定性的室内及野外测试中，并对影响极差稳定的因素进行了分析，对电极制作工艺提出了改进方向及优化措施[1]。现有测试手段还缺乏对电极一致性的定量评价，评价手段单一。本论文拟从极差的长期稳定性、电极源阻抗、电极本底噪声水平等参数着手对不极化电极进行一致性评估。为充分评价不极化电极的各项技术指标，提出了多支电极长期稳定性观测方法、电极源阻抗、电极本底噪声水平等参数的测试方法。不极化电极的室内测试工作为野外数据采集质量控制提供了技术保障。开展了野外条件下的平行一致性及MT数据采集测试。

1 电极原理

本次待测的不极化电极的工作原理是基于电化学原理，为Pb/PbCl2不极化电极。图1 给出了不极化电极的结构原理图，主要包括壳体、泥浆、铅丝、桐木板、密封罩、引出线。内部泥浆由盐酸、氯化铅、高岭土、纯净水混合获得。电极内部泥浆中的氯离子与外部泥浆的氯离子实现离子电位平衡，并通过铅丝将电位传递至外部的铜引线中。极差稳定性主要取决于泥浆的pH 值、离子溶度、环境温度变化等因数。该不极化电极主要面向大地电磁及长周期大地电磁观测野外使用，在极差稳定性方面采取了有效的措施。为提高不极化电极的极差稳定性，pH 值设置为3～4 之间，借助电极底部的小通道设计，减缓离子扩散速度[2-3]。

2 室内测试

不极化电极室内测试主要开展极差稳定性、电极源阻抗、本底噪声水平等参数测试。参与测试的设备主要包括多路开关单元、动态信号分析仪、LCR表，表1给出了设备型号及主要技术参数。

表1 测试所需设备列表

2.1 极差稳定性

如图2 所示，将所有待测电极浸入饱和NaCl 溶液中，以某一支不极化电极作为参考电极，其余待测电极接入至开关单元输入端，记录其他待测电极相对参考电极的电位差。采集参数设置为DC电压、10min采样间隔、量程100mV。为获取温度变化数据，测试过程中将热电偶浸泡至溶液中，同时记录环境温度变化。以上过程连续观测约10d。

图3给出了所有电极极差漂移测试结果，显示8支待测电极相对参考电极的极差分布于0～400μV区间；温度位于25℃～30℃区间；显示了8 个日变过程；极差变化趋势与温度变化存在较强的相关性；极差漂移约为40μV/d，温度系数约为50μV/℃。结果表明电极极差变化很大程度上源自环境温度变化，在实际野外观测中应该引起重视。由温度变化引起的极差变化对于MT 测深来说，该信号属于干扰源。因此有必要将不极化电极深埋，以减小温度变化引起的极差变化[4]。

2.2 内阻

不极化电极对的源阻抗可等效为串联电阻与串联电感及并联电容。通过源阻抗测试，可获取不极化电极在不同频点处的内阻变化，为电极一致性提供评价依据[6]。将待测不极化电极浸泡至饱和NaCl 溶液中，借助LCR 表测量电极对的源阻抗。具体测试方案如下：以某一支参考电极固定不变，测量其他电极与参考电极组成的电极对的源阻抗。测试结果包含了电极的内阻与导电溶液的阻抗之和，考虑到饱和NaCl溶液的高导性，暂时忽略溶液的阻抗。测试过程在4 个频点（10Hz、100Hz、1kHz、10kHz）下进行。测试结果见图4，在100Hz～100kHz 频带范围内，阻抗基本不随频率发生变化，位于为290～360Ω区间，阻抗幅角变化位于0°～-1°区间，随频率升高，幅角增大，但基本为纯阻性。

2.3 噪声水平

本底噪声水平是指在相对无干扰的条件下电极本身噪声输出。电极自身噪声过大将影响野外实际数据采集时的信噪比。电极噪声源主要来自热噪声及极差漂移两方面，是对电极性能表征的一种有效手段。测试方案如下：将电极对浸泡在饱和NaCl 溶液，等效为电极对输入短接。由于动态信号分析仪的本底噪声约为10nV/rt(Hz)@1Hz，而电极噪声小于测量仪器的本底噪声，因此在动态信号分析仪的输入增加了一级低噪声放大器，该放大器的噪声水平为1nV/rt(Hz)。电极对输出至低噪声放大器，低噪声放大器的输出至动态信号分析仪输入端，观测电极对的噪声功率谱密度。测试结果见图5。图中黑色曲线为动态信号分析仪与放大器折合输入端的本底噪声，灰色曲线为不极化电极噪声测量，显示电极自噪声约为7nV/rt(Hz)@1Hz。在低频段噪声有所增加。

3 野外对比测试

3.1 平行测试

平行测试的原理是通过平行布置的两对电极，接入同一台仪器的两电道，对获取的时间序列进行功率谱密度（PSD）计算，对比不同通道的差异。该差异包括了仪器通道自身的本底噪声及电极的噪声，通常仪器认为仪器的噪声水平足够低，差异主要体现在不极化电极。野外平行测试布站图见图6，借助Phoenix 生产的MTU5A大地电磁仪，两电道分别接两对电极，两对电极平行布置，极距100m。设置MTU-5A 工作在MT模式，采集时间10h。对采集的两电道时间序列进行NPI处理，结果见图7。

1000s 至1kHz 频段范围测试结果表明在1～0.1Hz，600～1000s 频段范围内，两通道PSD 的一致性相比其他频段略差，相干系数也低至0.95，这与采集地的人为干扰和采集时间较短有关。1kHz至1000s其余频段一致性较好，PSD差异基本优于1%。

3.2 MT测试

挑选若干待测电极投入到野外实际MT 方法测试，检验不极化电极在野外条件下的工作情况。分别借助Phoenix 的MTU5A 大地电磁仪及乌克兰LVIV的LEMI417长周期大地电磁仪实现MT方法的野外数据采集。采集时间长度为10h。对原始实现序列处理得到卡尼亚视电阻率曲线。图8给出了处理结果，获取了10kHz 至10000s 频段范围内高质量数据，证明了待测不极化电极满足野外实际MT数据采集。