摘要： 地電場(chǎng)測(cè)量是大地電磁、自然電位等地球物理勘探的重要步驟，長(zhǎng)期高穩(wěn)定性的電場(chǎng)傳感器（電極）是高精度地電場(chǎng)觀測(cè)的基礎(chǔ)。實(shí)際應(yīng)用中，電極性能對(duì)觀測(cè)精度和勘探結(jié)果準(zhǔn)確度的影響顯著，如何保持測(cè)量電極的長(zhǎng)期高穩(wěn)定性是一個(gè)難題。為此，從電極反應(yīng)原理出發(fā)，首先通過加入微量納米氣相二氧化硅制備凝膠提升電解質(zhì)的持水性和均勻性，增強(qiáng)不極化電極的穩(wěn)定性； 然后，在結(jié)構(gòu)上改進(jìn)了電極內(nèi)部腔體小通道的尺寸和位置，進(jìn)一步提升電極的穩(wěn)定性和使用壽命，同時(shí)增加了可拆卸的養(yǎng)護(hù)筒以滿足惡劣環(huán)境的使用需求。通過反復(fù)試驗(yàn)測(cè)試，最終研制出了具有長(zhǎng)期高穩(wěn)定性的NPE（non?polarizing electrode）系列固體不極化電極。對(duì)新研制的NPE 系列電極的內(nèi)阻、極化電位差、穩(wěn)定性、自噪聲水平、溫度及頻率響應(yīng)等性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明其任意電極對(duì)極差小于0. 1 mV，內(nèi)阻小于200 Ω，24 小時(shí)極差漂移小于0. 05 mV，1 個(gè)月的極差漂移小于0. 1 mV，溫度系數(shù)小于25 μV/℃，主要性能指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)際行業(yè)水平。本項(xiàng)研究為地電場(chǎng)的測(cè)量提供了一款新型、高精度國(guó)產(chǎn)傳感器。

關(guān)鍵詞： 固體電極，電解質(zhì)，極差穩(wěn)定性，溫度系數(shù)，頻率響應(yīng)

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 13810/j. cnki. issn. 1000-7210. 20240044

0 引言

電法、電磁法勘探是地球物理學(xué)的重要分支，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)探測(cè)、礦產(chǎn)勘查、地質(zhì)工程、工程物探、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[1-6]。地電場(chǎng)信號(hào)的采集是電法、電磁法勘探的基礎(chǔ)。實(shí)際應(yīng)用中，通常通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)埋入地下的電極間的電位差獲取地電場(chǎng)信號(hào)。測(cè)量系統(tǒng)中的電極與大地形成電回路，實(shí)測(cè)電位差除了包含真實(shí)的地電信號(hào)外，還包括電極自身的極化電位差（極差）及電極與大地的接觸電位差[7]。一般情況下，接觸電位差小于電極極差，因而在地電信號(hào)觀測(cè)中通常被忽略，所以電極的極差大小及其穩(wěn)定性將直接影響地電場(chǎng)信號(hào)的觀測(cè)精度。因此，研制極差小且穩(wěn)定的電極傳感器是采集高質(zhì)量地電信號(hào)的基礎(chǔ)[8]。在長(zhǎng)期地電場(chǎng)觀測(cè)中，金屬電極易氧化、極差不穩(wěn)定，無法采集微弱信號(hào) [9]。在室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)中，要求電極不僅極差小且穩(wěn)定，還應(yīng)具備體積可調(diào)節(jié)及耐水性好的特點(diǎn)[10-11]。在大地電磁測(cè)深（MT）法、音頻大地電磁測(cè)深（AMT）法及自然電位（SP）法等以天然源為場(chǎng)源的方法中，由于采集信號(hào)的微弱性，電極的極差大小及穩(wěn)定性決定了數(shù)據(jù)質(zhì)量[12-14]，因此需采用穩(wěn)定性較高的不極化電極采集信號(hào)。

常用的不極化電極由金屬（Pb、Cu、Ag 等）浸入金屬鹽溶液（Cu?CuSO4）或金屬鹽及導(dǎo)電溶液（含Pb ? PbCl2 或Ag ? AgCl 的NaCl 或KCl 溶液）組成[15?16]。把銅棒浸入飽和硫酸銅溶液制成Cu ?CuSO4 電極，因其工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，廣泛用做電化學(xué)分析及腐蝕監(jiān)測(cè)的參比電極[17]。Cu?CuSO4 電極是一種液體電極，極差會(huì)隨飽和硫酸銅溶液的消耗而發(fā)生較大改變，因此無法滿足干旱環(huán)境及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的要求[18]。針對(duì)液體電極的缺點(diǎn)，在酸性電解質(zhì)中加入高嶺石和伊利石等粘土礦物并制作成凝膠，便制得固體不極化電極。由于粘土礦物顆粒表面對(duì)電解質(zhì)的吸附力大于電解質(zhì)的重力，且介質(zhì)更加均勻，使固體不極化電極的穩(wěn)定性及使用壽命大幅提升[7]。Ag?AgCl 電極具有穩(wěn)定性強(qiáng)、靈敏度高、溫度系數(shù)較低等特點(diǎn)，是性能優(yōu)異的不極化電極。但是，因其光照環(huán)境下易分解，成本較高，目前主要用于海洋電場(chǎng)及自然電位等高精度微弱電信號(hào)的采集[14，19]。1977年，Petiau 等[7]在系統(tǒng)測(cè)試并比較各種不極化電極的噪聲水平、溫度系數(shù)、電解質(zhì)成分的基礎(chǔ)上，研制出了具有小極差、低噪聲、低溫度漂移等優(yōu)點(diǎn)的法國(guó)第一代Pb?PbCl2 不極化電極。2000 年，Petiau[20]對(duì)該電極的電解質(zhì)鹽成分、溶液的PH 等因素進(jìn)行了改進(jìn)，并在電極的內(nèi)部增加一個(gè)狹小的內(nèi)部通道以減少電解質(zhì)鹽與外部介質(zhì)的交換，制作了使用壽命超過10 年的第二代Pb?PbCl2 不極化電極。該電極極差小、壽命長(zhǎng)，逐漸成為國(guó)際上地電場(chǎng)觀測(cè)最常用的不極化電極之一。在中國(guó)，自20 世紀(jì)90 年代起，趙和云等[21]用Pb?PbCl2不極化電極替換傳統(tǒng)鉛電極進(jìn)行地電場(chǎng)觀測(cè)，提升了數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量。陸陽泉等[22]研制出了電極對(duì)極差小于1 mV，24 h 極差漂移小于0. 1 mV 的Pb?PbCl2 不極化電極。王輝等[23]通過改進(jìn)電解質(zhì)配方和電極結(jié)構(gòu)，提升了電極的穩(wěn)定性和使用壽命，研制出了適用于長(zhǎng)周期電場(chǎng)觀測(cè)的Pb?PbCl2 不極化電極。宋艷茹等[24]設(shè)計(jì)了一種可螺旋拆解的分體式結(jié)構(gòu)電極，電極底部的控制調(diào)節(jié)裝置可控制電解質(zhì)離子同外界的交換速率和內(nèi)阻，該電極對(duì)極差小于0. 2 mV，24 h 極差漂移小于0. 1 mV。李帥[25]以石膏為電解質(zhì)填充物對(duì)電極進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種方便回收的不極化電極。姜健[26]對(duì)電解質(zhì)填充物、PH 值、電解質(zhì)配比進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了適用于井—地電阻層析成像（ERT）的不極化電極。尚延杰[27]用多層瓊脂糖凝膠為電解質(zhì)填充物，研制了一款30 天電位差漂移小于0. 3 mV、溫度漂移系數(shù)約為1 mV/℃的不極化電極。

目前為止，科研人員對(duì)固體不極化電極做了大量研究與測(cè)試，電極的性能得到了大幅提升。但在實(shí)際應(yīng)用中，固體不極化電極仍存在如下問題： ①隨著電解質(zhì)緩慢消耗及水分不斷外滲，電極底部桐木片容易出現(xiàn)鹽份析出，造成電極的內(nèi)阻增大、極差和自噪聲水平升高，無法滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求； ②大多數(shù)電極的溫度系數(shù)為0. 05～1. 00 mV/℃，溫度漂移大，無法適用于溫差變化大的測(cè)量場(chǎng)景（如不同深度自然電位的測(cè)量）； ③在野外使用中，需要在電極坑內(nèi)加入濕粘土或鹽水降低接地電阻、減緩電解質(zhì)水分析出，但會(huì)造成電極坑附近土壤鹽度顯著升高，引發(fā)環(huán)保問題。

針對(duì)上述問題，本文從電極反應(yīng)原理入手，用失水率更低的納米級(jí)氣相二氧化硅顆粒制備新型電解質(zhì)膠體，從電解質(zhì)方面提升了不極化電極的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)上改進(jìn)了電極內(nèi)部腔體小通道的尺寸與位置，提升了電極的使用壽命； 增加了可拆卸的養(yǎng)護(hù)筒以增強(qiáng)電極的適應(yīng)能力，滿足環(huán)保要求。通過反復(fù)試驗(yàn)測(cè)試，研制出了新型長(zhǎng)期高穩(wěn)定性固體不極化電極。