Электрод для высокочастотной геофизической электроразведки

Устройство относится к оборудованию для геофизической электроразведки и предназначено для использования в датчиках электрического поля (“заземленный диполь”) в качестве электродов-заземлителей для измерения электрического поля Земли.
Для различных методов геофизической электроразведки в качестве заземлителей наиболее широкое применение находят следующие типы электродов:
- неполяризующиеся электроды на основе различных металлов (свинца, серебра, меди) или графита, находящихся внутри перфорированных диэлектрических стаканов, заполненных электролитом из солей этих металлов или деполяризатора (Корепанов, Свенсон, 2007; Petiau G., 2000; RU 90224 2009; RU 123979 2012);
- металлические в виде стержней из латуни, стали, забиваемых или закапываемых в грунт (Хмелевский В.К., 1989), (Вольвовский Б.С., 1977).
Неполяризующиеся электроды характеризуются практически отсутствием межэлектродного потенциала и его стабильностью во времени, низкими значениями собственных низкочастотных шумов, незначительным переходным сопротивлением электрод-грунт. Они применяются в таких методах электроразведки как МТЗ, АМТ, ЗС, ЕП, уровни полезных сигналов в которых чрезвычайно низкие. Как недостаток этих электродов следует отметить сложность конструкции, использование в них химических реагентов и необходимость обслуживания.
Металлические электроды применяются в методах электроразведки с более высокими уровнями полезных сигналов, т.к. по основным параметрам они уступают неполяризующимся электродам, в частности переходное сопротивление электрод-почва выше, чем у неполяризующихся электродов. Преимуществом является их простота и отсутствие необходимости в обслуживании.
Заявляемое техническое решение направлено на создание металлического электрода для высокочастотных методов электроразведки взамен неполяризующегося. Особенностью требований к электродам для высокочастотных методов является необходимость обеспечения минимального контактного сопротивления электрод-грунт. Это связано с тем, что сопротивление заземленного диполя вместе с его емкостью и входной емкостью измерительного устройства образуют фильтр, искажающий передаточную характеристику измерительного тракта в области высоких частот. При значительных величинах контактного сопротивления, являющегося составной частью сопротивления заземленного диполя, ухудшается точность проводимых измерений.
Прототипом предлагаемого технического решения является металлический стержневой электрод (Хмелевский В.К., 1989), (Вольвовский Б.С., 1977). Принцип предлагаемого технического решения основан на двух факторах. Современные измерительные системы для высокочастотных методов электроразведки за счет мощной аппаратно-программной фильтрации обладают эффективным подавлением мешающих частот, в т.ч. всей области низких частот - от поляризационного потенциала электродов до частот в десятки герц. Другим фактором является то, что шум металлических электродов имеет максимальный спектр до частот всего в несколько герц - (Фиг.1).
Исходя из изложенного, для применения металлического электрода в высокочастотных методах электроразведки при современном уровне развития измерительной техники необходимо снизить его контактное сопротивление электрод-почва.
Задача понижения контактного сопротивления электродов в заявляемом электроде решается путем увеличения площади контакта электрода с почвой. Предлагаемый электрод по конфигурации напоминает наконечник стрелы, выполнен из стальной трубы, перфорированной отверстиями, с оперением из ребер стреловидной формы, с покрытием всей конструкции слоем свинца. Такая конструкция электрода, при весьма существенной механической прочности, по сравнению с одиночным стержнем или трубой позволяет увеличить площадь контакта в несколько раз, что в свою очередь приводит к снижению контактного сопротивления.
Для расчета сопротивления заземления воспользуемся методикой его расчета для электроустановок (Федоров А.А., 1980). Сопротивление заземления одиночного вертикального заземляющего электрода:
где R - удельное электрическое сопротивление грунта (Ом⋅м); L - длина электрода (м); d - диаметр электрода (м); T - заглубление электрода (м).
Для стержневого электрода диметром 20 мм, длиной 40 см, T=20 см (расстояние от верхнего уровня грунта до середины заглубленного электрода) при R=100 Ом⋅м (типичный показатель для суглинков) сопротивление заземлителя составит 168 Ом. Для такого же электрода, но диаметром 80 мм, т.е. с площадью поверхности также в 4 раза большей, сопротивление составит 113 Ом, что на 32.7 % меньше.
Увеличение площади поверхности стержневого электрода достигается за счет дополнительной площади нескольких ребер оперения. Так для трубы диаметром 20 мм, из приведенного примера расчета, дополнительные четыре ребра оперения шириной 25 мм увеличивают площадь поверхности в 4 раза, что на основе приведенных расчетов позволяет снизить его контактное сопротивление до 30 % по сравнению со стержневым электродом. Увеличивая количество ребер или линейные размеры конструкции можно еще улучшить этот показатель. Пропорционально увеличивается и высокочастотная область рабочих частот.
Стальная конструкция электрода обеспечивает его прочность. Из (Вольвовский Б.С., 1977) известно, что межэлектродная разность потенциалов железных электродов достигает 300-500 мВ, медных 50-200 мВ. Из основ физики известно, что собственный потенциал этих металлов составляет соответственно 440 мВ и 337 мВ, меньшим собственным потенциалом обладает свинец - 126 мВ. В (Petiau G., 2000) свинец является составной частью неполяризующихся электродов. Предлагается стальную конструкцию электрода покрыть слоем свинца.
От использования свинцового покрытия, помимо защиты от коррозии, т. к. свинец является химически стойким металлом, следует ожидать снижения межэлектродной разности потенциалов по сравнению с электродами из других металлов.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, состоит в снижении переходного контактного сопротивления электрод-грунт, что увеличивает высокочастотную область рабочих частот.
Устройство предлагаемого электрода поясняется Фиг. 2. Электрод состоит из металлической трубы (2) с оперением стреловидной формы (5), покрытый слоем свинца. По поверхности трубы имеются сквозные отверстия (перфорация) (4) для увлажнения жидкостью почвы в месте контакта через верхнее торцевое отверстие. Для соединения с диполем имеется резьбовой зажим (3), расположенный на оголовке электрода (1).
Литература
1. RU 123979 2012г., МПК G01V3/00 (2006.01)
2. RU 90224 2009г., МПК G01V3/00 (2006.01)
3. Корепанов В. Е., Свенсон А. Н. Высокоточные неполяризующиеся электроды для наземной геофизической разведки. Киев. Наукова Думка. 2007.
4. Petiau G. Second generation of lead-lead chloride electrodes for geophysical applications, Pure and Appl. Geophysics. 2000.
5. Вольвовский Б. С., Кунин Н.Я., Терехин Е.И. Краткий справочник по полевой геофизике. М.: Недра. 1977.
6. Электроразведка: Справочник геофизика. Под ред. Хмелевского В.К. и Бондаренко В.М. Москва, Недра, 1989
7. Жданов М.С. Электроразведка. Москва, Недра, 1986
8. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. Под ред. А.А. Федорова и Г.В. Сербиновского. Москва, Энергия, 1980.