激发极化测量中的电极噪声：污染物干扰的见解

《Journal of Contaminant Hydrology》：Electrode noise for induced polarization measurements: Insights of contaminant interference

　　在污染物干扰下评估电极噪声的实验；误差通过概率分布、傅里叶变换和信噪比进行评估；Pb-PbCl₂ 电极相位限值在强信号下为 0.01 Hz，弱信号下为 0.036 Hz。## 引言由于地球物理方法能够非侵入性地探查地下介质的物理性质与动态变化，它在环境研究中受到了广泛关注（Caterina 等，2017；Falzone 等，2024）。在众多地球物理方法中，激发极化法（IP）在探测污染场地方面表现出极高的有效性，因为它能够对土壤和地下水中的污染物进行二维或三维分布映射（Kang 等，2023；Xia 等，2026）。除其检测能力外，IP 还被越来越多地用于监测地下过程（Koohbor 等，2022；Ma 等，2025）。该方法可以追踪化学修复剂的四维演化，从而帮助评估其在修复过程中的迁移、转化和归宿（Ciraula 等，2024；Puttiwongrak 等，2019）。其多功能性使 IP 能够支持多种修复策略，包括化学法、热法和抽提法，因为 IP 参数可与修复剂浓度、温度或含水饱和度相关联（Bording 等，2021；Xia 等，2025）。时域 IP（TDIP）测量施加电场移除后的次生电压，该信号本身非常微弱且极易受噪声干扰。电磁耦合与电极极化被认为是影响信噪比（SNR）的最重要因素（Dahlin 等，2002）。人们采用多种方法缓解电磁耦合的影响，包括将电流线与电位线分离（Dahlin 和 Leroux，2012；Gündo?du 等，2022；Wang 等，2021）。此外，还开发出算法用于校正电磁耦合干扰（Wang 和 Slater，2019；Wang 等，2024）。为减少通电时的电极极化，测量协议经过优化以避免在电流施加后立即使用电极（Wilkinson 等，2012）。将电流电极与电位电极分离也被证明有效（Soueid Ahmed 等，2019；Yang 等，2018）。除上述方法外，使用非极化电极也大幅提高了测量质量（Meng 等，2022；Zarif 等，2017）。电场由两个电极之间的电位差测量得到。测量偏置既包括电极之间的电位差，也包括电极-大地界面处接触电位的波动（Petiau 和 Dupis，1980）。接触电位波动通常远小于电极电位差，其影响往往可以忽略（Tejero-Andrade 等，2025）。电极之间的电位差是大地电磁测量中噪声的一个关键来源，并且是电极对的固有属性（Zarif 等，2017）。这种电位差源于电极极化效应，即两个电极各自的极化状态不同所致（Curioni 等，2013）。电极之间的电位差可能达到数毫伏，并可能超过目标次生电压信号，从而直接影响测量 IP 数据的质量（Wang 等，2022）。因此，电极电位差的大小和稳定性对 IP 测量的准确性和可靠性具有重大影响。不锈钢是 IP 测量中最常用的电极材料之一，因其耐用且易于使用（Dahlin 等，2002；Merioua 等，2015；Gündo?du 等，2022）。然而，不锈钢电极与土壤界面处的电化学极化会产生较高的噪声水平。在长期监测中，这甚至可能导致电位差发生突然跳变，从而增加测量数据解释的复杂性（Akingboye 和 Bery，2021；Izquierdo 等，2014）。其他金属材料，如铜和石墨，偶尔被用作替代材料，各自具有不同的优缺点（De Donno 和 Cardarelli，2011；LaBrecque 和 Daily，2008）。此外，金属-金属盐类非极化电极，包括 Pb-PbCl₂、Ag-AgCl 和 Cu-CuSO₄ 电极，通常具有更优的性能和更低的噪声水平，在实验室和野外应用中被广泛采用（Ma 等，2024；Mao 等，2015；Zogala 等，2012）。然而，这些电极在长期野外使用中容易发生老化和密封失效，电解液泄漏会限制监测活动的进行（Abdulsamad 等，2016）。此外，其成本可能是不锈钢电极的十倍以上，这也阻碍了其广泛推广。Cu-CuSO₄ 电极由浸入饱和硫酸铜溶液中的铜棒组成，可使用便携式电解液在野外迅速组装。然而，其相对较大的尺寸可能使野外部署变得复杂，尤其是在长期监测中（Gomaa 和 Alikaj，2009）。Ag-AgCl 电极以可靠性高和温度系数低著称，非常适合用于海洋电场测量（Zhang 等，2024）。然而，含银电极的高成本限制了其广泛应用。Pb-PbCl₂ 电极也是一种常用的固态非极化电极，具有噪声低、电位漂移小以及温度依赖性极低等特点（Dahlin 等，2002）。在进行井内 IP 测量时，电极可能直接暴露于受污染的地下水中，受污染地下水可能与电极材料发生化学反应，从而改变其特性并引入测量误差（Sun 等，2010）。即使在表面 IP 测量中，在复杂的污染场地，电极也可能与受污染的土壤接触。非极化电极在与土壤接触时特别容易发生电解液流失，这可能导致电位差改变并引起二次污染（Abdulsamad 等，2016）。此外，土壤中的污染物可能渗入电极内部，进一步增加 IP 数据中的噪声（Zogala 等，2012）。因此，污染场地的 IP 监测通常每轮测量都需要重新安装设备。这种反复安装限制了监测期只能维持短时间窗口，或迫使数据采集频率降低（Williams 等，2009）。如果将电极半永久性地安装并与先进的自动监测系统相结合，监测效率将得到极大提升（Doetsch 等，2015；Nivorlis 等，2023）。先前的研究在实验室中采集了对称电阻率和充电率数据，以评估与电极相关的测量误差（LaBrecque 和 Daily，2008）。然而，先前研究并未表征在污染场地常见的耦导电率与水化学条件影响下，全波形数据中电极噪声的频率依赖性。因此，评估电极耐用性以及 IP 数据误差在环境应用，尤其是在污染介质中的影响至关重要。本研究利用石英砂和野外土壤介质，在三种目标电解液电导率和几种污染物条件化状态下，研究全波形电极噪声及其对 IP 数据质量的影响。实验设计旨在重现与现场相关的电导率和离子成分变化。因此，我们分析了来自不同污染物条件化介质残余差异中电导率相关的趋势，并评估由此产生的噪声如何影响从 TDIP 数据中提取的频域谱信息。## 章节片段### 污染场地野外电极的固有噪声IP 既可在频域也可在时域中测量，且两种测量方式均可获得谱信息（Johansson 等，2020；Martin 等，2020）。尽管频域与时域 IP 响应之间的理论等价性（如相位偏移和时间衰减）已通过傅里叶变换得到充分证实，但从时域测量中提取谱信息仍受到噪声的限制，尤其在污染场地，如图 1 所示（Johansson 等，2020）。主要噪声来源### 来自沙箱实验的电位差图 3 展示了 Pb-PbCl₂ 电极的电位差。不连续的片段对应于水化学测量期间的中断。四种沙介质（图 3a-d）和两个野外土壤样品（图 3e）的信号分别以 10 kHz 和 10 Hz 的采样率进行测量。结果表明，在 10 kHz 下，电位差在 0 μV 附近保持稳定，波动在 ±5 μV 范围内。这表明信号以仪器噪声为主，得到了确认### 影响电极噪声的因素对于不锈钢电极而言，其表面层对其电学行为具有根本性影响。该表面层实现了从电子导电到离子导电的过渡。该层内的电荷平衡通过水分子的极化以及在金属表面附近一个薄层区域内阴、阳离子的积累来建立，该薄层被称为亥姆霍兹层（LaBrecque 和 Daily，2008）。图 4、图 5 表明，不锈钢电极在前后噪声变化不大### 结论本研究评估了三种电极类型在三种电解液电导率下、六种介质中的电位差和谱信息含量。通过对叠加全波形噪声的合成信号进行快速傅里叶变换（FFT），计算了幅值和相位的置信区间与信噪比。主要结论如下：在 80 天的监测期内，Pb-PbCl₂ 电极最为稳定，波动保持在 ±2 mV 范围内。相比之下，不锈钢### CRediT 作者贡献声明**毛德强**：初稿撰写，监督，项目管理，形式分析。**孟健**：审阅与编辑，可视化，概念化。**Alex Furman**：审阅与编辑。**张嘉明**：调查，数据管理。**李书鹏**：监督，资金获取。**赵瑞杰**：审阅与编辑。**王亚勋**：审阅与编辑。### 利益冲突声明作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。### 致谢通讯作者感谢**国家重点研发计划**（批准号：2023YFE0113900）和**国家自然科学基金**（批准号：42177056）的支持。毛德强|孟健|Alex Furman|张嘉明|李书鹏|赵瑞杰|王亚勋