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(qū)地質調查院，新疆 烏魯木齊 830000）

地電場高精度觀測是實現(xiàn)電法勘探野外數(shù)據(jù)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(xiàn)地電場觀測。不極化電極的性能直接影響到野外數(shù)據(jù)質量。目前我國多個行業(yè)、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(wěn)定性的室內及野外測試中，并對影響極差穩(wěn)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(yōu)化措施[1]?，F(xiàn)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(wěn)定性、電極源阻抗、電極本底噪聲水平等參數(shù)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(wěn)定性觀測方法、電極源阻抗、電極本底噪聲水平等參數(shù)的測試方法。不極化電極的室內測試工作為野外數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(wěn)定性主要取決于泥漿的pH 值、離子溶度、環(huán)境溫度變化等因數(shù)。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(wěn)定性方面采取了有效的措施。為提高不極化電極的極差穩(wěn)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(wěn)定性、電極源阻抗、本底噪聲水平等參數(shù)測試。參與測試的設備主要包括多路開關單元、動態(tài)信號分析儀、LCR表，表1給出了設備型號及主要技術參數(shù)。

表1 測試所需設備列表

2.1 極差穩(wěn)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(shù)設置為DC電壓、10min采樣間隔、量程100mV。為獲取溫度變化數(shù)據(jù)，測試過程中將熱電偶浸泡至溶液中，同時記錄環(huán)境溫度變化。以上過程連續(xù)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(qū)間；溫度位于25℃～30℃區(qū)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(shù)約為50μV/℃。結果表明電極極差變化很大程度上源自環(huán)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(lián)電阻與串聯(lián)電感及并聯(lián)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(jù)[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(fā)生變化，位于為290～360Ω區(qū)間，阻抗幅角變化位于0°～-1°區(qū)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(shù)據(jù)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(tài)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(tài)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(tài)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(tài)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(xiàn)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(shù)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(yōu)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(xiàn)MT方法的野外數(shù)據(jù)采集。采集時間長度為10h。對原始實現(xiàn)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(shù)據(jù)，證明了待測不極化電極滿足野外實際MT數(shù)據(jù)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(wěn)定性、內阻、本底噪聲水平等參數(shù)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(wěn)定性方面約為±500μV，滿足規(guī)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(shù)位于0.99～1 區(qū)間，比率位于0.95～1區(qū)間。在1000s 至32Hz 頻段范圍內，除少數(shù)頻點信噪比較低以外，想干系數(shù)與比率位于0.95～1Hz區(qū)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(qū)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(shù)據(jù)質量高，具有較好的穩(wěn)定性及可靠性。

現(xiàn)有的《大地電磁測深技術規(guī)程》僅對不極化電極的極差進行規(guī)范，對電極的評價手段單一。根據(jù)不極化電極的工作原理，本文從極差穩(wěn)定性、內阻、本底噪聲水平三個方面對不極化電極進行了規(guī)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(shù)據(jù)采集質量提供了理論支持和實踐指導。