淺談地電場固體不極化電極埋設注意事項

李學波，賀嘉偉

（寧夏回族自治區地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

地電場不僅能夠反映空間電磁場的變化，還能反映與之有關的地殼和地表的電性結構及其變化。我國地電場觀測是在借鑒國內外最新研究進展及成果的基礎上發展的一種觀測手段。對地電場各種特性及其包含信息的觀測和研究，已經在地震監測領域得到全面開展。

在地電場觀測中，電極作為觀測裝置的關鍵部件，對整個觀測數據的采集起決定性的作用。電極的作用是，利用電極的物理、化學效應將地表土壤電位傳遞到金屬導線上，由導線輸送到測量儀器。由于土壤是離子導電體，金屬導線是電子導電體，若金屬導線和土壤直接接觸，則不可避免的出現一個介于兩種不同導電介質之間的界面，在此界面上會產生極化電位[1]。為了盡可能避免極化電位的產生，國內地電場臺站普遍采用固體不極化電極作為測量電極。與傳統鉛電極相比，該電極較為穩定，可以在一定程度上避免極化電位的產生，但存在使用壽命短的缺陷，不利于觀測資料積累。目前，國內對地電場觀測電極的研究主要集中在固體不極化電極與鉛電極的對比、接地電阻、極化電位等方面[2-5]，但對于延長電極使用壽命的討論卻很少，可供參考的資料也很少。實踐證明固體不極化電極的正確埋設是延長電極使用壽命的有效手段之一，也是開展其它研究的基礎。本文以固原地電場為例，對比其兩次固體不極化電極的埋設情況，分析更換電極后觀測資料質量變化和成因，總結固體不極化電極埋設時需要注意的事項。

1 固原地電場觀測場地概況

固原地電場測點位于固原市原州區彭堡鄉，屬于無人值守，有人看護臺站。地形上屬于清水河壓陷型盆地，盆地內的次級地貌主要為清水河沖積平原，測區在清水河古沖溝塬面上，地勢相對平坦。鉆孔資料顯示，測區地層自上而下分別為：0～24.5m為沖洪積砂質粘土夾礫塊耕作黃土；24.5～46.7m為砂礫石層；46.7～75.3m為黃土狀粘土與砂質粘土互層；75.3～112.7m為砂礫石與砂質粘土互層；112.7m以下為泥質砂巖。根據鉆孔資料推斷，第四系厚約100m，其下是第三系。觀測區域南偏西約6km是海原斷裂帶，北偏西約5km是清水河斷裂帶。測區西南方向約3km是冬至河，常年流水。東北2km有季節性河流。測區地下水深45m。觀測區域是河流沖淤形成的平坦農田，農田屬水澆地，測區內有灌溉井兩口，其中一口在中心點南偏西約70m，另一口井在中心點北偏西約400m，灌溉時間主要在四月和十月份。地表灌溉對觀測影響較大。

固原地電場采用“L”型布極方式，共有NS、EW和NE三個方向，每個方向又分長、短二種極距, 其中NS、EW向長極距為300m ,短極距為200m。NE向長極距為424m, 短極距為282m，線路采用絕緣電纜部分地埋、部分架空的方式。圖1為固原地電場地物圖和觀測布極圖。

圖1 固原地電場地物圖和布極圖Fig.1 Ground physical map and distribution map of Guyuan Geoelectrical Field

2 兩次更換電極的情況以及資料分析

2.1 2011年和2015年電極更換情況

固原地電場因為升級改造在2011年12月進行了電極更換工作，所有電極更換為固體不極化電極，埋設在同一水平面上，使用鉆機打深為7～14m左右、直徑60cm左右的深孔為極坑，電極埋設深度如圖2所示。由于電極坑的深度較大，且電極坑的直徑僅有60cm，工作人員無法下去施工，所以只能把固體不極化電極順著極坑邊慢慢放下去，填土回埋，完成埋設工作。

圖2 固原地電場2011年電極埋設深度Fig.2 Buried depth of Guyuan Geoelectrical Field in 2011

2015年10月固原地電場再次更換固體不極化電極，電極坑的深度統一為地表以下3m，人工施工。對于處在礫石層上的電極坑，采取的處理措施為：挖一直徑1m、深3.5m的坑，在坑內鋪1.5m厚的紅泥土并且夯實，再在紅土上挖深1m、直徑40cm的圓孔，將電極放置在圓孔內后填滿細黃土，然后將圓孔用水灌滿并浸透，圓孔上部再填一層厚約0.5m的紅土并夯實，最后用挖出的原土將整個電極坑填平夯實。紅土具有較好的保水性，這樣處理后，既能保證電極不會處在干燥環境下而很快損壞，又能保證電極與大地之間有充分的接觸。對于處于黃土層的電極坑，處理措施類似，但不再換土，原土回填即可。由于極坑采用人工開挖，所以每一個電極埋設時，工作人員均能在極坑內實施操作，從而保證了電極埋設規范合理。所有電極埋設完成后，通過空氣開關將電極連接線與外線路連接起來，至此完成整個電極更換工作。

2.2 更換電極后的觀測資料質量變化對比及成因分析

同方向長、短極距地電場的相關系數以及地電場的差值是評判地電場觀測資料內在質量的重要指標，相關系數可以作為觀測裝置穩定性和觀測環境電磁干擾的評判依據，相關系數越高，代表著長、短極距數據變化幅度、趨勢相同，數據的可靠性越高。月差值是全月日差值的均值，日差值作為評價地電場觀測系統工作穩定性的主要依據，差值越小越好。對比分析兩次更換固體不極化電極后原始數據及其日相關系數和月差值，可發現資料質量存在顯著差距。圖3、4分別為2012年和2016年9月中旬的觀測數據，2012年9月長極距三個方向的月差值分別為2.187、4.115、3.569，2016年9月長極距三個方向的月差值分別為0.255、0.683、0.556，明顯看出2015年更換電極后觀測數據差值小。圖5所示為2012年和2016年9月的全月日相關系數，從該圖可見，2016年9月的長短極距相關性好，三個方向的相關系數相比2012年9月有明顯的提升。2016年9月與2012年9月的觀測數據相比，差值明顯減小，數據的穩定性得到提高，長、短極距相關系數明顯提升，提高了觀測數據的可靠性。

圖3 固原地電場2012年9月10日至20日觀測數據Fig.3 Observation data of Guyuan Geoelectrical Field from September 10 to September 20，2012

圖4 固原地電場2016年9月10日至20日觀測數據Fig.4 Observation data of Guyuan Geoelectrical Field from September 10 to September 20, 2016

通過以上對比分析，發現兩個時段數據質量存在明顯差距，究其原因，可能與電極埋設時電極坑的處理好壞有關。根據固體不極化電極的制作工藝和自身的特性，其在埋設到地下后，隨著時間的增長，在缺水的情況下，會出現電極固體電解液與土壤接觸不良，甚至分離的情況。這種情況下接地電阻變得非常大，同時電極本身固化造成內阻增大，接地電阻的增大和內阻的增大這兩種情況都將導致電極不能正常拾取電位。固體不極化電極與土質之間是離子—離子導電，所以必須保證電極埋設在潮濕的環境中。否則，不僅起不到拾取電位的作用，而且隨著時間的增長電極也會損壞報廢。為了減少濕度對電極的影響，電極最好要埋設于常年潛水位活動面下。2011年更換電極的時間在12月份，北方天氣已經變冷，埋設電極的時候難免會有表層的凍土填到電極的位置，不能保證電極與大地可靠接觸；其次，電極坑是鉆機打的深孔，最深的電極坑有十幾米，電極埋設時對電極位置矯正的手段很少，不能保證電極處于相對潮濕的環境里。而2015年更換電極時對電極坑進行了精細的處理，固體不極化電極的埋設環境能保證相對的潮濕，也能保證可靠的接地電阻。

圖5 固原地電場2012年9月和2016年9月相關系數Fig.5 Correlation coefficient of Guyuan Geoelectrical Field in September， 2012 and September， 2016

圖6 固原地電場2015年3月11日至21日觀測數據Fig.6 Observation data of Guyuan Geoelectrical Field from March 11 to March 21, 2015

2015年更換電極之前用接地電阻測試儀測試了幾個電極的接地電阻（正常工作的固體不極化電極嚴禁測試接地電阻），結果如表1所示，電極a2和b2的接地電阻都超過了2000Ω，固體不極化電極可能已經不能正常拾取電位了。圖6為固原地電場2015年3月11日至21日長極距和短極距的觀測數據，從圖上可以看出長極距的觀測數據有日變形態，清晰的記錄到3月18日的地磁暴，短極距已經觀測不到地電場日變形態的變化，幾乎記錄不到3月18日的地磁暴。從短極距觀測數據可以看出電極a2和b2已經不能正常拾取電位了，記錄不到本應該觀測到的數據，也驗證了固體不極化電極因為接地電阻增大不能正常拾取電位的現象。

表1 電極接地電阻

3 結論與討論

對比分析兩次更換電極后的觀測數據，發現第二次更換電極后數據的內在質量明顯好于第一次。根據兩次更換電極的情況總結到下面幾條經驗，也是埋設固體不極化電極需要特別注意的地方。

（1）固體不極化電極用PVC管子將穩定劑與電極封裝在一起，封裝后的電極與大地的接觸面只有PVC管上面直徑為15cm的圓孔，在埋設過程中一定要保證孔里面的穩定劑與大地接觸可靠。

（2）為了維持電極固體電解液與土壤充分接觸，須保證固體不極化電極埋設環境足夠潮濕。若電極坑處在干燥、多礫石的地方，必須處理極坑，保證電極埋設的環境潮濕，且接地可靠，延長電極的使用壽命。

（3）2011年固原地電場更換電極后資料質量不理想，反思其原因，認為存在以下兩點：首先，施工時間在12月份，北方天氣已經變冷，埋設電極的時候難免會有表層的凍土填到電極的位置，不能保證電極與大地可靠接觸；其次，電極坑是鉆機打的深孔，電極埋設時對電極位置矯正的手段很少，不能保證電極處于相對潮濕的環境里。所以固體不極化電極埋設時電極坑的處理至關重要，只有經過精細的處理，才能保證電極的使用壽命和可靠的觀測資料。本文所總結的固體不極化電極埋設注意事項，對地電場觀測臺站開展相關工作具有一定的參考價值。