НЕПОЛЯРИЗУЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ НАЗЕМНОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ

Описание
Устройство относится к оборудованию для геофизической наземной электроразведки и предназначено для использования в датчиках электрического поля (заземленный диполь) в качестве неполяризующихся электродов при проведении электромагнитных зондирований земной коры различными электроразведочными методами (МТЗ, ЗС, МПП и т.п.). Основными требованиями к электродам датчиков для измерения естественного электрического поля Земли являются: минимальная величина межэлектродной разности потенциала, т.е. отсутствие поляризации, в том числе и при работе в различных средах, стабильность этого параметра во времени и при внешних воздействиях, минимальные уровни собственного шума и переходного контактного сопротивления с внешней средой.
Для геофизической электроразведки применяются различные типы неполяризующихся электродов:
- электроды, основанные на конструкции гальванического элемента Лекланше, состоящего из графитового стержня, находящегося в деполяризаторе, представляющим собой смесь графитового порошка с различными химическими ингредиентами, пропитанную электролитом (RU 2277324 2004; RU 90224 2009; Вольвовский Б.С. и др., 1977);
- электроды, выполненные в виде пластин (стержней) из различных металлов (серебра, свинца, меди), помещенных внутрь диэлектрических стаканов, заполненных электролитом из растворов солей этих же металлов, с нижней торцевой контактной поверхностью из пористой керамики или капиллярных материалов (Корепанов, Свенсон, 2007; Petiau, Dupis, 1980; Petiau, 2000).
Заявляемое техническое решение направлено на улучшение основных электрических параметров графитовых электродов.
Наиболее близкими к предлагаемому техническому решению являются электроды на основе элемента Лекланше (RU 2277324 2004; RU 90224 2009; Вольвовский Б.С. и др., 1977). Электрод, описанный в (RU 2277324, 2004), представляет собой графитовый стержень, помещенный в деполяризатор - смесь угольного порошка, пиролюзита и оксида марганца, пропитанную электролитом - загущенным раствором хлорида аммония. Этим электродам свойственны неконтролируемые скачки потенциала, возникающие при поляризации угольного стержня из-за образования газовой прослойки водорода вокруг него при протолизе ионов электролита. Другой электрод, представленный (Вольвовский Б.С. и др., 1977), состоит из графитового стержня, покрытого для предотвращения электрохимических процессов слоем деполяризатора, пропитанного электролитом. Из-за наличия большого количества химических ингредиентов в деполяризаторе и нестабильности его состава этим электродам свойственен «уход» потенциалов.
Ближайшим аналогом по конструкции является электрод, представленный в (RU 90224, 2009), но он предназначен для морской электроразведки. Конструктивно он состоит из графитового стержня, помещенного в стакан из полимерного материала. Полость стакана со стержнем заполняет пропитанный водным раствором электролита графитовый порошок, удерживаемый снизу проницаемой мембраной, которая обеспечивает контакт с внешней средой. При нижнем расположении контактной поверхности отвод газов, образующихся при электрохимических процессах, невозможен. Для удаления газов, например, кислорода в электроде, представленном в (Корепанов и Свенсон, 2007), образующегося в результате диссоциации воды, его устанавливают контактной поверхностью вверх. Для подсоединения к электроду на графитовый стержень напрессован латунный колпачок. В результате коррозии под латунным колпачком, на окислах, заполняющих поры на месте напрессовки, а также из-за электрических утечек с колпачка и места пайки возникают переходные электрические процессы в виде скачков и флуктуации потенциала. Возможные смещения графитового стержня при механических воздействиях также приводят к возникновению многократных затухающих по амплитуде скачков потенциала.
Задача улучшения параметров электродов для наземной электроразведки в заявляемом электроде решается следующим образом. Предлагаемый электрод, как и выше перечисленные графитовые электроды, содержит графитовый стержень и деполяризующий материал, но по химическому составу отличающийся от них. Стержень и деполяризатор находятся в диэлектрическом стакане. В качестве деполяризатора использована смесь графитового порошка с одним химическим ингредиентом - двуокисью марганца. Смесь пропитана не электролитом, а инертным влагоудерживающим веществом - загущенным водным раствором крахмала. Влагоудерживающее инертное вещество обеспечивает сохранение проводящих свойств смеси при эксплуатации в почвах с пониженной влажностью. Электропроводная в растворе двуокись марганца в деполяризаторе стабилизирует проводящие свойства графитового порошка и минимизирует собственное контактное сопротивление электрода, а также предотвращает образование водорода при электрохимических процессах. Для отвода газов, образующихся при неконтролируемых химических и окислительно-восстановительных процессах, применены продольные сквозные прорези в корпусе электрода. Такое решение также увеличивает площадь электрического контакта электрода с грунтом по сравнению с конструкциями с нижней торцевой контактной поверхностью. Для снижения переходных электрических процессов, возникающих в результате коррозии металла под воздействием влаги, вместо напрессованного контактного колпачка на графитовом стержне применен электрический контакт, выполненный путем осаждения слоя меди на стержень электрохимическим способом (колпачок). Для снижения паразитных электрических утечек с колпачка и места пайки они герметизированы изолятором, что также уменьшает причины возникновения электрохимических процессов. Фиксирование графитового стержня в корпусе электрода устраняет возможность возникновения скачков потенциала от механических воздействий в процессе эксплуатации.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, состоит в улучшении параметров графитовых электродов: в повышении стабильности поляризационного потенциала, снижении его дрейфа за счет оптимизации состава деполяризатора и в устранении скачков и флуктуации потенциала за счет уменьшения влияния электрохимических процессов путем совершенствования конструкции электрода и технологии его изготовления.
Устройство заявляемого электрода поясняется фиг.1. Электрод состоит из твердого графитового стержня (1) с нанесенным путем электрохимического осаждения медного контактного колпачка (2), соединяемого пайкой с выходным проводом (3). Графитовый стержень помещен в корпус-стакан из диэлектрического материала (4), имеющего продольные сквозные прорези, с помощью центрирующей шайбы (5). С торцов стакан закрывается резьбовыми полимерными крышками (6) с фиксирующей угольный стержень от смещений эластичной прокладкой (7). Во избежание электрических утечек с места пайки провода и с медного колпачка и их коррозии полость между верхней крышкой и центрирующей шайбой заполняется диэлектрическим герметизирующим веществом (8). В пространство между графитовым стержнем и стаканом помещается сепаратор - водопроницаемый полимерный эластичный чулок (9), который заполняется с незначительной запрессовкой смесью (10) графитового порошка и двуокиси марганца, пропитанной загущенным водным раствором крахмала.
Литература
1. RU 90224 2009 г., МПК G01V 3/00 (2006.01)
2. RU 2277324 2004 г., МПК A01G 7/00 (2006.01), G01V 3/04 (2006.01)
3. Вольвовский Б.С., Кунин Н.Я., Терехин Е.И. Краткий справочник по полевой геофизике. М.: Недра. 1977. 390 с.
4. Корепанов В.Е., Свенсон А.Н. Высокоточные неполяризующиеся электроды для наземной геофизической разведки. Киев. Наукова Думка. 2007. 96 с.
5. Petiau G., Dupis A. Noise, temperature coefficient and long time stability of electrodes for telluric observations. Geoph. Prospecting. 1980. 28 (5). pp.792-804.
6. Petiau G. Second generation of lead-lead chloride electrodes for geophysical applications, Pure and Appl. Geophysics. 2000. 157 (3). 352 p.