不極化電極測試技術方案研究

李美英，屈栓柱

（1.新疆地礦局物化探大隊，新疆 昌吉 831100；2.新疆維吾爾自治區地質調查院，新疆 烏魯木齊 830000）

地電場高精度觀測是實現電法勘探野外數據采集的必要條件。通過在地表或地下空間埋設不極化電極，觀測不同空間的電位差實現地電場觀測。不極化電極的性能直接影響到野外數據質量。目前我國多個行業、多家單位進行了不極化電極的研制或使用，重點集中在極差穩定性的室內及野外測試中，并對影響極差穩定的因素進行了分析，對電極制作工藝提出了改進方向及優化措施[1]。現有測試手段還缺乏對電極一致性的定量評價，評價手段單一。本論文擬從極差的長期穩定性、電極源阻抗、電極本底噪聲水平等參數著手對不極化電極進行一致性評估。為充分評價不極化電極的各項技術指標，提出了多支電極長期穩定性觀測方法、電極源阻抗、電極本底噪聲水平等參數的測試方法。不極化電極的室內測試工作為野外數據采集質量控制提供了技術保障。開展了野外條件下的平行一致性及MT數據采集測試。

1 電極原理

本次待測的不極化電極的工作原理是基于電化學原理，為Pb/PbCl2不極化電極。圖1 給出了不極化電極的結構原理圖，主要包括殼體、泥漿、鉛絲、桐木板、密封罩、引出線。內部泥漿由鹽酸、氯化鉛、高嶺土、純凈水混合獲得。電極內部泥漿中的氯離子與外部泥漿的氯離子實現離子電位平衡，并通過鉛絲將電位傳遞至外部的銅引線中。極差穩定性主要取決于泥漿的pH 值、離子溶度、環境溫度變化等因數。該不極化電極主要面向大地電磁及長周期大地電磁觀測野外使用，在極差穩定性方面采取了有效的措施。為提高不極化電極的極差穩定性，pH 值設置為3～4 之間，借助電極底部的小通道設計，減緩離子擴散速度[2-3]。

2 室內測試

不極化電極室內測試主要開展極差穩定性、電極源阻抗、本底噪聲水平等參數測試。參與測試的設備主要包括多路開關單元、動態信號分析儀、LCR表，表1給出了設備型號及主要技術參數。

表1 測試所需設備列表

2.1 極差穩定性

如圖2 所示，將所有待測電極浸入飽和NaCl 溶液中，以某一支不極化電極作為參考電極，其余待測電極接入至開關單元輸入端，記錄其他待測電極相對參考電極的電位差。采集參數設置為DC電壓、10min采樣間隔、量程100mV。為獲取溫度變化數據，測試過程中將熱電偶浸泡至溶液中，同時記錄環境溫度變化。以上過程連續觀測約10d。

圖3給出了所有電極極差漂移測試結果，顯示8支待測電極相對參考電極的極差分布于0～400μV區間；溫度位于25℃～30℃區間；顯示了8 個日變過程；極差變化趨勢與溫度變化存在較強的相關性；極差漂移約為40μV/d，溫度系數約為50μV/℃。結果表明電極極差變化很大程度上源自環境溫度變化，在實際野外觀測中應該引起重視。由溫度變化引起的極差變化對于MT 測深來說，該信號屬于干擾源。因此有必要將不極化電極深埋，以減小溫度變化引起的極差變化[4]。

2.2 內阻

不極化電極對的源阻抗可等效為串聯電阻與串聯電感及并聯電容。通過源阻抗測試，可獲取不極化電極在不同頻點處的內阻變化，為電極一致性提供評價依據[6]。將待測不極化電極浸泡至飽和NaCl 溶液中，借助LCR 表測量電極對的源阻抗。具體測試方案如下：以某一支參考電極固定不變，測量其他電極與參考電極組成的電極對的源阻抗。測試結果包含了電極的內阻與導電溶液的阻抗之和，考慮到飽和NaCl溶液的高導性，暫時忽略溶液的阻抗。測試過程在4 個頻點（10Hz、100Hz、1kHz、10kHz）下進行。測試結果見圖4，在100Hz～100kHz 頻帶范圍內，阻抗基本不隨頻率發生變化，位于為290～360Ω區間，阻抗幅角變化位于0°～-1°區間，隨頻率升高，幅角增大，但基本為純阻性。

2.3 噪聲水平

本底噪聲水平是指在相對無干擾的條件下電極本身噪聲輸出。電極自身噪聲過大將影響野外實際數據采集時的信噪比。電極噪聲源主要來自熱噪聲及極差漂移兩方面，是對電極性能表征的一種有效手段。測試方案如下：將電極對浸泡在飽和NaCl 溶液，等效為電極對輸入短接。由于動態信號分析儀的本底噪聲約為10nV/rt(Hz)@1Hz，而電極噪聲小于測量儀器的本底噪聲，因此在動態信號分析儀的輸入增加了一級低噪聲放大器，該放大器的噪聲水平為1nV/rt(Hz)。電極對輸出至低噪聲放大器，低噪聲放大器的輸出至動態信號分析儀輸入端，觀測電極對的噪聲功率譜密度。測試結果見圖5。圖中黑色曲線為動態信號分析儀與放大器折合輸入端的本底噪聲，灰色曲線為不極化電極噪聲測量，顯示電極自噪聲約為7nV/rt(Hz)@1Hz。在低頻段噪聲有所增加。

3 野外對比測試

3.1 平行測試

平行測試的原理是通過平行布置的兩對電極，接入同一臺儀器的兩電道，對獲取的時間序列進行功率譜密度（PSD）計算，對比不同通道的差異。該差異包括了儀器通道自身的本底噪聲及電極的噪聲，通常儀器認為儀器的噪聲水平足夠低，差異主要體現在不極化電極。野外平行測試布站圖見圖6，借助Phoenix 生產的MTU5A大地電磁儀，兩電道分別接兩對電極，兩對電極平行布置，極距100m。設置MTU-5A 工作在MT模式，采集時間10h。對采集的兩電道時間序列進行NPI處理，結果見圖7。

1000s 至1kHz 頻段范圍測試結果表明在1～0.1Hz，600～1000s 頻段范圍內，兩通道PSD 的一致性相比其他頻段略差，相干系數也低至0.95，這與采集地的人為干擾和采集時間較短有關。1kHz至1000s其余頻段一致性較好，PSD差異基本優于1%。

3.2 MT測試

挑選若干待測電極投入到野外實際MT 方法測試，檢驗不極化電極在野外條件下的工作情況。分別借助Phoenix 的MTU5A 大地電磁儀及烏克蘭LVIV的LEMI417長周期大地電磁儀實現MT方法的野外數據采集。采集時間長度為10h。對原始實現序列處理得到卡尼亞視電阻率曲線。圖8給出了處理結果，獲取了10kHz 至10000s 頻段范圍內高質量數據，證明了待測不極化電極滿足野外實際MT數據采集。

4 結論

綜上所述，為評估不極化電極的性能，在室內條件下進行了極差穩定性、內阻、本底噪聲水平等參數的測試，在野外條件下進行了平行一致性測試以及MT/AMT測試。形成結論如下：

（1）不極化電極對極差穩定性方面約為±500μV，滿足規范要求；

（2）內阻約300Ω范圍，基本呈阻性；

（3）噪聲水平約為7nV/rt(Hz)@1Hz；

（4）野外平行測試結果表明，在1Hz 至10kHz 頻段范圍內，相干系數位于0.99～1 區間，比率位于0.95～1區間。在1000s 至32Hz 頻段范圍內，除少數頻點信噪比較低以外，想干系數與比率位于0.95～1Hz區間；

（5）野外AMT/MT 一致性測試表明，與PbCl2電極的測試曲線一致性較高，6對電極全頻段的均方差位于1%～5%區間；

（6）室內及野外測試結果表明不極化電極能夠用于野外電磁探勘任務中，數據質量高，具有較好的穩定性及可靠性。

現有的《大地電磁測深技術規程》僅對不極化電極的極差進行規范，對電極的評價手段單一。根據不極化電極的工作原理，本文從極差穩定性、內阻、本底噪聲水平三個方面對不極化電極進行了規范，給出了具體的測試方法，具有較強的可操作性，為提高野外數據采集質量提供了理論支持和實踐指導。