浅谈地电场固体不极化电极埋设注意事项

李学波，贺嘉伟

（宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

0 引言

地电场不仅能够反映空间电磁场的变化，还能反映与之有关的地壳和地表的电性结构及其变化。我国地电场观测是在借鉴国内外最新研究进展及成果的基础上发展的一种观测手段。对地电场各种特性及其包含信息的观测和研究，已经在地震监测领域得到全面开展。

在地电场观测中，电极作为观测装置的关键部件，对整个观测数据的采集起决定性的作用。电极的作用是，利用电极的物理、化学效应将地表土壤电位传递到金属导线上，由导线输送到测量仪器。由于土壤是离子导电体，金属导线是电子导电体，若金属导线和土壤直接接触，则不可避免的出现一个介于两种不同导电介质之间的界面，在此界面上会产生极化电位[1]。为了尽可能避免极化电位的产生，国内地电场台站普遍采用固体不极化电极作为测量电极。与传统铅电极相比，该电极较为稳定，可以在一定程度上避免极化电位的产生，但存在使用寿命短的缺陷，不利于观测资料积累。目前，国内对地电场观测电极的研究主要集中在固体不极化电极与铅电极的对比、接地电阻、极化电位等方面[2-5]，但对于延长电极使用寿命的讨论却很少，可供参考的资料也很少。实践证明固体不极化电极的正确埋设是延长电极使用寿命的有效手段之一，也是开展其它研究的基础。本文以固原地电场为例，对比其两次固体不极化电极的埋设情况，分析更换电极后观测资料质量变化和成因，总结固体不极化电极埋设时需要注意的事项。

1 固原地电场观测场地概况

固原地电场测点位于固原市原州区彭堡乡，属于无人值守，有人看护台站。地形上属于清水河压陷型盆地，盆地内的次级地貌主要为清水河冲积平原，测区在清水河古冲沟塬面上，地势相对平坦。钻孔资料显示，测区地层自上而下分别为：0～24.5m为冲洪积砂质粘土夹砾块耕作黄土；24.5～46.7m为砂砾石层；46.7～75.3m为黄土状粘土与砂质粘土互层；75.3～112.7m为砂砾石与砂质粘土互层；112.7m以下为泥质砂岩。根据钻孔资料推断，第四系厚约100m，其下是第三系。观测区域南偏西约6km是海原断裂带，北偏西约5km是清水河断裂带。测区西南方向约3km是冬至河，常年流水。东北2km有季节性河流。测区地下水深45m。观测区域是河流冲淤形成的平坦农田，农田属水浇地，测区内有灌溉井两口，其中一口在中心点南偏西约70m，另一口井在中心点北偏西约400m，灌溉时间主要在四月和十月份。地表灌溉对观测影响较大。

固原地电场采用“L”型布极方式，共有NS、EW和NE三个方向，每个方向又分长、短二种极距, 其中NS、EW向长极距为300m ,短极距为200m。NE向长极距为424m, 短极距为282m，线路采用绝缘电缆部分地埋、部分架空的方式。图1为固原地电场地物图和观测布极图。

图1 固原地电场地物图和布极图Fig.1 Ground physical map and distribution map of Guyuan Geoelectrical Field

2 两次更换电极的情况以及资料分析

2.1 2011年和2015年电极更换情况

固原地电场因为升级改造在2011年12月进行了电极更换工作，所有电极更换为固体不极化电极，埋设在同一水平面上，使用钻机打深为7～14m左右、直径60cm左右的深孔为极坑，电极埋设深度如图2所示。由于电极坑的深度较大，且电极坑的直径仅有60cm，工作人员无法下去施工，所以只能把固体不极化电极顺着极坑边慢慢放下去，填土回埋，完成埋设工作。

图2 固原地电场2011年电极埋设深度Fig.2 Buried depth of Guyuan Geoelectrical Field in 2011

2015年10月固原地电场再次更换固体不极化电极，电极坑的深度统一为地表以下3m，人工施工。对于处在砾石层上的电极坑，采取的处理措施为：挖一直径1m、深3.5m的坑，在坑内铺1.5m厚的红泥土并且夯实，再在红土上挖深1m、直径40cm的圆孔，将电极放置在圆孔内后填满细黄土，然后将圆孔用水灌满并浸透，圆孔上部再填一层厚约0.5m的红土并夯实，最后用挖出的原土将整个电极坑填平夯实。红土具有较好的保水性，这样处理后，既能保证电极不会处在干燥环境下而很快损坏，又能保证电极与大地之间有充分的接触。对于处于黄土层的电极坑，处理措施类似，但不再换土，原土回填即可。由于极坑采用人工开挖，所以每一个电极埋设时，工作人员均能在极坑内实施操作，从而保证了电极埋设规范合理。所有电极埋设完成后，通过空气开关将电极连接线与外线路连接起来，至此完成整个电极更换工作。

2.2 更换电极后的观测资料质量变化对比及成因分析

同方向长、短极距地电场的相关系数以及地电场的差值是评判地电场观测资料内在质量的重要指标，相关系数可以作为观测装置稳定性和观测环境电磁干扰的评判依据，相关系数越高，代表着长、短极距数据变化幅度、趋势相同，数据的可靠性越高。月差值是全月日差值的均值，日差值作为评价地电场观测系统工作稳定性的主要依据，差值越小越好。对比分析两次更换固体不极化电极后原始数据及其日相关系数和月差值，可发现资料质量存在显著差距。图3、4分别为2012年和2016年9月中旬的观测数据，2012年9月长极距三个方向的月差值分别为2.187、4.115、3.569，2016年9月长极距三个方向的月差值分别为0.255、0.683、0.556，明显看出2015年更换电极后观测数据差值小。图5所示为2012年和2016年9月的全月日相关系数，从该图可见，2016年9月的长短极距相关性好，三个方向的相关系数相比2012年9月有明显的提升。2016年9月与2012年9月的观测数据相比，差值明显减小，数据的稳定性得到提高，长、短极距相关系数明显提升，提高了观测数据的可靠性。

图3 固原地电场2012年9月10日至20日观测数据Fig.3 Observation data of Guyuan Geoelectrical Field from September 10 to September 20，2012

图4 固原地电场2016年9月10日至20日观测数据Fig.4 Observation data of Guyuan Geoelectrical Field from September 10 to September 20, 2016

通过以上对比分析，发现两个时段数据质量存在明显差距，究其原因，可能与电极埋设时电极坑的处理好坏有关。根据固体不极化电极的制作工艺和自身的特性，其在埋设到地下后，随着时间的增长，在缺水的情况下，会出现电极固体电解液与土壤接触不良，甚至分离的情况。这种情况下接地电阻变得非常大，同时电极本身固化造成内阻增大，接地电阻的增大和内阻的增大这两种情况都将导致电极不能正常拾取电位。固体不极化电极与土质之间是离子—离子导电，所以必须保证电极埋设在潮湿的环境中。否则，不仅起不到拾取电位的作用，而且随着时间的增长电极也会损坏报废。为了减少湿度对电极的影响，电极最好要埋设于常年潜水位活动面下。2011年更换电极的时间在12月份，北方天气已经变冷，埋设电极的时候难免会有表层的冻土填到电极的位置，不能保证电极与大地可靠接触；其次，电极坑是钻机打的深孔，最深的电极坑有十几米，电极埋设时对电极位置矫正的手段很少，不能保证电极处于相对潮湿的环境里。而2015年更换电极时对电极坑进行了精细的处理，固体不极化电极的埋设环境能保证相对的潮湿，也能保证可靠的接地电阻。

图5 固原地电场2012年9月和2016年9月相关系数Fig.5 Correlation coefficient of Guyuan Geoelectrical Field in September， 2012 and September， 2016

图6 固原地电场2015年3月11日至21日观测数据Fig.6 Observation data of Guyuan Geoelectrical Field from March 11 to March 21, 2015

2015年更换电极之前用接地电阻测试仪测试了几个电极的接地电阻（正常工作的固体不极化电极严禁测试接地电阻），结果如表1所示，电极a2和b2的接地电阻都超过了2000Ω，固体不极化电极可能已经不能正常拾取电位了。图6为固原地电场2015年3月11日至21日长极距和短极距的观测数据，从图上可以看出长极距的观测数据有日变形态，清晰的记录到3月18日的地磁暴，短极距已经观测不到地电场日变形态的变化，几乎记录不到3月18日的地磁暴。从短极距观测数据可以看出电极a2和b2已经不能正常拾取电位了，记录不到本应该观测到的数据，也验证了固体不极化电极因为接地电阻增大不能正常拾取电位的现象。

表1 电极接地电阻

3 结论与讨论

对比分析两次更换电极后的观测数据，发现第二次更换电极后数据的内在质量明显好于第一次。根据两次更换电极的情况总结到下面几条经验，也是埋设固体不极化电极需要特别注意的地方。

（1）固体不极化电极用PVC管子将稳定剂与电极封装在一起，封装后的电极与大地的接触面只有PVC管上面直径为15cm的圆孔，在埋设过程中一定要保证孔里面的稳定剂与大地接触可靠。

（2）为了维持电极固体电解液与土壤充分接触，须保证固体不极化电极埋设环境足够潮湿。若电极坑处在干燥、多砾石的地方，必须处理极坑，保证电极埋设的环境潮湿，且接地可靠，延长电极的使用寿命。

（3）2011年固原地电场更换电极后资料质量不理想，反思其原因，认为存在以下两点：首先，施工时间在12月份，北方天气已经变冷，埋设电极的时候难免会有表层的冻土填到电极的位置，不能保证电极与大地可靠接触；其次，电极坑是钻机打的深孔，电极埋设时对电极位置矫正的手段很少，不能保证电极处于相对潮湿的环境里。所以固体不极化电极埋设时电极坑的处理至关重要，只有经过精细的处理，才能保证电极的使用寿命和可靠的观测资料。本文所总结的固体不极化电极埋设注意事项，对地电场观测台站开展相关工作具有一定的参考价值。