劉長勝，馬金發(fā)，朱文杰，周海根

(1.吉林大學 地球信息探測儀器教育部重點實驗室,長春 130061； 2.吉林大學 儀器科學與電氣工程學院,長春 130061)

0 引言

隨著地球資源勘探開發(fā)由淺層走向深部及深井鉆探技術的成熟，深井觀測技術已經(jīng)引起各國普遍重視。深井觀測的主要優(yōu)點，一是在深井之中減小了地面人為活動產(chǎn)生的工業(yè)游離及宇宙空間引起的電磁場影響，電磁環(huán)境噪聲相對較低；二是在井中搭建測試平臺，可以進一步增大測量深度；三是可在井中不同位置直接獲取對應深度的大地電位信息。深井測量在發(fā)掘地球深部資源、監(jiān)測深部地質(zhì)活動、預防地震災害等方面有重要意義。目前，國際上將大地電位變化作為地震前兆的相關研究較為廣泛，在日本、希臘等地質(zhì)活動頻繁的地區(qū)均有臺站進行長期觀測，并獲得了大量相關數(shù)據(jù)和經(jīng)驗積累，為地震預測發(fā)揮了重要作用[1-4]。我國在20世紀70年代開始了相關研究，在海城、松潘、龍陵、鹽源等7級地震的短臨預報實踐中，地電場觀測曾起過重要作用[5]。

地球物理測量方法中，自然電場法是直接測量地質(zhì)活動產(chǎn)生的自然電場的測量方法。深井中較低的電磁環(huán)境噪聲有利于自然電場法測量?！蹲匀浑妶龇夹g規(guī)程》要求其測量電極必須為不極化電極，其原因就是該測量方法對測量電極的極差的大小和穩(wěn)定性對測量信號有著重要影響。前蘇聯(lián)科學家謝苗諾夫于1937年發(fā)明的銅-硫酸銅(Cu-CuSO4)電極是最早的不極化電極。此后, 法國、美國、德國、加拿大等國家投入了大量的資金和人力,相繼研制了鉛-氯化鉛(Pb-PbCl2)、鎘-氯化鎘(Cd-CdCl2)、甘汞(Hg-HgCl2)、銀-氯化銀(Ag-AgCl)電極等各種電極。這類電極和硫酸銅電極一樣, 都是用金屬棒(絲)和該金屬的鹽溶液與多孔陶瓷罐構成的“液體”不極化電極，穩(wěn)定性較差，不能長時間使用。1977年法國科學家研制了一款Pb-PbCl2固體不極化電極，其極差電位小、穩(wěn)定性能好、使用時間長，各方面都優(yōu)于液體不極化電極[6]。我國對于不極化電極的研究，以 Pb-PbCl2不極化電極和Ag-AgCl不極化電極居多。中國地質(zhì)大學、西安電子科技大學等高等院校研究的Ag-AgCl不極化電極主要用于海洋大地電磁勘測[7]；中國地震局以中法合作項目為基礎[8]，通過技術引進、自主研發(fā)等途徑研究并不斷改進的Pb-PbCl2固體不極化電極，主要用于地表電場的探測與研究[9]。這兩類不極化電極由于可以實現(xiàn)固態(tài)封裝，被稱為固體不極化電極，在攜帶、安裝和使用等方面更加具有優(yōu)勢。

目前井中測量常見方法有井中激發(fā)極化法、井中瞬變電磁法、井中無線電波透視法、井中三分量磁測法等，但對于井中電場測量用的固體不極化電極鮮有應用。為實驗研究深井環(huán)境對不極化電極的影響進行了本文實驗研究。

1 極差產(chǎn)生原因分析

極化電位的產(chǎn)生屬于電極過程的結果，極化現(xiàn)象普遍存在于多種介質(zhì)中，如固體—固體之間、固體—液體之間以及液體—液體之間[10]。以固體金屬—液體之間為例，即電子導體與離子導體，二者之間接觸后，因氧化還原反應或離子的濃差等原因在界面上形成了電位，兩種介質(zhì)的交換電荷量平衡后便形成一個穩(wěn)定的電位，當在平衡狀態(tài)下的兩相界面間施加電壓(或有流經(jīng)過)則平衡電位被打破發(fā)生極化，這個偏離平衡的電位就是極化電位。多個電極間的極化電位差值就是極差。

不極化電極常為金屬—金屬化合物不極化電極,是以電化學反應原理實現(xiàn)大地離子導電向金屬電子導電轉(zhuǎn)換，以抵消金屬直接與大地介質(zhì)接觸產(chǎn)生的較大的極化電位，進而得到較為穩(wěn)定且較小的極差，在效果上等同于不極化電極以滿足測量要求。由電化學原理可知，單電極系統(tǒng)符合Tafel公式[11]：

η=a+blog|J| ；

其中:J=RT/nFRct，為換流密度(A·cm-2)；R為摩爾氣體常數(shù)；T為開氏溫度(K)；α為反應傳遞系數(shù)；F為Faraday常數(shù)；n為反應電子數(shù)。

由上述公式可知，溫度、反應離子數(shù)等因素對電化學反應產(chǎn)生直接影響，而深井多達數(shù)千米的深度，井中存在高溫酸性腐蝕及水汽等情況，極易造成電極的損壞失效。為了驗證高溫、酸堿、離子濃度等不同環(huán)境對極差的影響程度和差異及不極化電極是否適用深井環(huán)境，對Cu-CuSO4固體不極化電極、鉛電極、石墨電極，在模擬環(huán)境下進行了對比實驗。

2 實驗

2.1 儀器材料準備

2.2 酸堿度對極差的影響

配制3組NaCl飽和溶液，pH分別為2.0、7.0、12，溶液溫度均為20 ℃，分別在各組溶液中同時對不極化電極、鉛電極、石墨電極的極差進行測量，信號采集時間1 min。通過實驗得到了同一環(huán)境下3種電極的極差以及不同pH下各個電極極差情況(圖1～圖3)。

圖3 石墨電極在不同pH下的極差(20℃)Fig.3 Range of graphite electrode at different pH(20℃)

圖2 鉛電極在不同pH下的極差(20℃)Fig.2 Range of lead electrode at different pH(20℃)

相同環(huán)境下三種電極進行對比，20℃下只有酸性條件下的Cu-CuSO4固體不極化電極極差波動最大，且無法工作，其余環(huán)境下三種電極極差波動情況差別不大。

2.3 高溫對極差的影響

配制三組NaCl飽和溶液，pH分別為2.0、7.0、12，溫度均保持90 ℃。分別在各組溶液中同時對Cu-CuSO4固體不極化電極、鉛電極、石墨電極三種電極的極差進行測量(圖4～圖6)。

圖4 Cu-CuSO4電極在不同pH下的極差(90℃)Fig.4 Range of non-polarized electrode at different pH(90℃)

圖5 鉛電極在不同pH值下的極差(90℃)Fig.5 Range of lead electrode at different pH(90℃)

圖6 石墨電極在不同pH下的極差(90℃)Fig.6 Range of graphite electrode at different pH(90℃)

結果分析：① 高溫對Cu-CuSO4固體不極化電極極差影響很大，幅值接近1 V，同時酸性溶液中極差也明顯增大，其原因是高溫提升了離子活躍度，進一步增大了極化電位導致極差增大；此外，加速了H2SO4與Cu-CuSO4電極中的高嶺土成分之間的反應，導致極差更加不穩(wěn)定。② 高溫下的酸性溶液對鉛電極極差的影響相對中性和堿性溶液較為明顯，同常溫酸性溶液一樣，僅在實驗開始階段影響最為明顯，但隨著時間增加，之后極差較為平穩(wěn)。但高溫增加了H2SO4與鉛的反應，相對常溫環(huán)境，高溫下極差更大。③ 石墨材料具有很好的耐高溫性能，高溫對石墨電極極差影響不大。

3 結論

1)采用電化學原理制作的不極化電極受環(huán)境溫度、酸堿度及離子濃度影響較大，并不適用于在深井中酸性腐蝕等惡劣環(huán)境下進行長周期測量。

2)鉛電極在耐酸堿性上表現(xiàn)較好，但其熔點僅為327.502 ℃，受使用環(huán)境溫度限制，且在使用前要進行表面鈍化處理，以確保在復雜環(huán)境下的穩(wěn)定性。

3)石墨材料具有優(yōu)良的導電性、耐高溫性及不受酸堿腐蝕的特性，十分適合作為深井測量用的電極制作材料。

4)深井測量用的電極要進行單獨設計制作，不僅要考慮使用環(huán)境的特殊性，還應考慮井中空間狹小、井壁套管加固等因素導致的安裝問題。

此外，井中壓力會隨著深度的增加不斷增大，因此深井環(huán)境除高溫、腐蝕以外還存在高壓的情況。當電極組處在井中不同深度且距離較大工作時，壓力的不同可能會導致電化學反應中的離子活躍度產(chǎn)生差異，進而引起極差不穩(wěn)定。但由于目前井中高壓模擬環(huán)境實現(xiàn)相對困難，高壓對電極特性影響將在后續(xù)過程中開展深入研究。