Одним из известных способов дробления горных пород, является электроимпульсный метод, когда разрушения происходит при формировании канала электрического разряда внутри твердого тела, помещенного в жидкость [1].

Для формирования канала разряда внутри материала необходимо создать такую форму импульса, при которой электрическая прочность окружающей среды была бы выше, чем прочность разрушаемого материала [2]. Поэтому для разрушения твердых материалов импульсными разрядами необходимо знать их электрическую прочность. На рисунок 1 представлены вольт-секундные характеристики пробоя некоторых горных пород и технической воды на косоугольных импульсах напряжения положительной полярности. Из рисунка следует, что необходимо использовать импульсы со скоростью нарастания напряжения от 100 кВ/мкс до 1500 кВ/мкс. При выборе уровня напряжения импульса следует ориентироваться на градиенты напряжения 5 – 25 кВ/мм [3].

Рисунок 1 – Вольт-секундные характеристики пробоя:

1 – кварца, 2 – гранита; 3 – песчаника; 4 – технической воды

Изучение механизма, обеспечивающего избирательность разрушения горнорудного сырья электроимпульсным методом, показало, что можно выделить следующие стадии. На стадии формирования разряда в горной породе канал разряда проходит по областям расположения локальных электрических неоднородностей, то есть включений (зерен, кристаллов) и границ их срастания с пустой породой [4]. Таким образом, канал разряда проходит по границе раздела “минерал – вмещающая порода”, создавая предпосылки для их разделения. Когда канал разряда сформировался, то в нем выделяется энергия генератора импульсов за короткий промежуток времени ~10^-6 с, при этом в канале разряда практически мгновенно повышается температура до 2×10^{4 0} К, а давление достигает 10⁹ Па [5]. В результате чего, канал разряда расширяясь генерирует ударную волну и волны сжатия, которые двигаясь в неоднородной среде, формируют механические напряжение внутри горной породы. Это создает условия для результативного дробления и отделения извлекаемых минералов от пустой породы, а также плазма разряда не вносит посторонних веществ в готовый продукт. Применение электрической искры в качестве рабочего инструмента также снимает проблему его стойкости.

Для осуществления электроимпульсного метода дробления использовалась высоковольтная установка. В качестве источника высоковольтных импульсов, использовался пятиступенчатый генератор импульсных напряжений, позволяющий формировать импульс с напряжением до 250 кВ с энергией в импульсе до 600 Дж при частоте следования импульсов 5 Гц.

Важной частью установки является рабочая камера (рисунок 2), которая предназначена для размещения в ней горной породы и разрушения ее в водной среде импульсными электрическими разрядами. Камера включает в себя следующие элементы: разрядную камеру, высоковольтный электрод, электрод-классификатор, сборник. Объем камеры составляет 15 л. Исходная крупность сырья загружаемого в камеру до 30 мм, а конечная крупность получаемого продукта до - 1 мм.

Рисунок 2 – Внешний вид рабочей камеры

Высоковольтная установка (рисунок 3) работает следующим образом. В рабочую камеру загружается горная порода и она заполняется водой. Импульс высокого напряжения передается от генератора к высоковольтному электроду, расположенному в разрядной камере. Параметры импульса таковы, что обеспечивают внедрения канала разряда в породу в параллельной системе «жидкость – твердое тело». Импульсы подаются непрерывно, пока все сырье не будет разрушено до нужного размера. Готовый продукт проходит через заземленный электрод-классификатор и поступает в сборник.

Рисунок 3 – Схема высоковольтной установки:

1 – зарядное устройство; 2 – генератор импульсных напряжений; 3 – импульс напряжения; 4 – высоковольтный электрод; 5 – разрядная камера; 6 – горная порода; 7 – канал разряда; 8 – электрод-классификатор; 9 – сборник; 10 – готовый продукт

Опыт эксплуатации установки подтвердил высокую степень вскрытия минералов. В таблице 1 представлены результаты вскрытия зерен вольфрамита, при измельчении вольфрамитовых руд состоящих из отдельных фрагментов крупностью 30 мм на электроимпульсной установке. Крупность зерен вольфрамита в породе колебалась в пределах от 0,1 до 12 мм. Так же были проведены сравнительные испытания на лабораторной щековой дробилке.

Таблица 1 – Степень вскрытия зерен вольфрамита

Из таблицы видно, что применение электроимпульсного метода позволяет более эффективно извлекать вкрапления минералов из горной породы, чем при механическом. Следует отметить, что при электроимпульсном дроблении зерна минералов не имеют технологических повреждений, тогда как при механическом способе до 15 % зерен повреждено. Следует отметить, что при электроимпульсном разрушении вскрытие кристаллов и зерен минералов происходит при крупности сырья в 2 – 3 раза большей, чем размеры включений, чего не удается достичь при механических методах дробления.

Анализ физических явлений при электроимпульсном разрушении горных пород указывает на возможность получения готового продукта с более равномерной характеристикой крупности по сравнению с механическими способами, что связано с отсутствием истирающего эффекта, характерного для традиционных аппаратов. Также уменьшается степень загрязнения готового продукта аппаратурным металлом.

Республика Башкортостан (РБ) является одним из ключевых минерально-сырьевых регионов России, обладая значительными запасами нефти, газа, руд цветных и редкоземельных металлов, а также нерудных полезных ископаемых. Традиционные методы геологоразведки требуют больших временных и финансовых затрат, в то время как технологии дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) позволяют ускорить и оптимизировать процесс поиска новых месторождений [1].

С помощью данных ДЗЗ, получаемых со спутников (например, Sentinel-2, Landsat, ASTER), аэрофотосъемок и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), получают информацию о геоморфологических, тектонических и спектральных характеристиках территории, а в сочетании с ГИС-технологиями и методами машинного обучения позволяют выявлять аномалии, связанные с минерализацией [2].

Цель работы – анализ возможностей ДЗЗ для изучения и поиска полезных ископаемых в РБ на примере существующих месторождений.

Рассмотрим геологические особенности территории. Республика Башкортостан расположена в пределах Уральской складчатой системы и Восточно-Европейской платформы, что обуславливает разнообразие его минерально-сырьевой базы [3]. На её территории существует множество месторождений, например:

• Учалинское (медно-цинковые руды);
• Сибайское (медь, цинк, золото, серебро);
• Туканское (железорудное);
• Бурибаевское (бокситы);
• Арланское (нефть).

Геологическая сложность региона требует комплексного подхода к разведке, в котором ДЗЗ играет ключевую роль.

Преимущества ДЗЗ для исследования и поиска полезных ископаемых

Для оценки преимуществ ДЗЗ проведено сравнение с традиционными методами геологоразведки. Результаты сравнения по ключевым критериям представлены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение ДЗЗ и традиционных методов изучения и поиска полезных ископаемых

Проанализировав данные в таблице, можно выделить следующие достоинства ДЗЗ:

• Экономическая эффективность – существенное сокращение расходов на наземные исследования.
• Высокая скорость обследования – возможность оперативного изучения больших территорий.
• Доступ к труднодоступным районам – исследование без сложных экспедиций.
• Высокая информативность – использование мульти- и гиперспектрального анализа.
• Экологическая безопасность – минимальное воздействие на окружающую среду.

Также ДЗЗ имеет ряд ограничений:

• Ограниченное разрешение – спутниковые данные (10–30 м) не всегда позволяют детально изучить небольшие объекты.
• Зависимость от погодных условий – облачность и атмосферные помехи могут снижать качество снимков.
• Необходимость верификации – выявленные аномалии требуют подтверждения полевыми методами.
• Сложность обработки данных – требуется специализированное ПО и квалифицированные кадры.

Источники данных ДЗЗ и методы обработки

Для изучения полезных ископаемых основными источниками данных ДДЗ являются следующие спутники:

• Sentinel-2 (ESA) – мультиспектральные снимки с разрешением 10-60 м, полезные для анализа растительного покрова и литологических особенностей [4];
• Landsat 8/9 (USGS) – спектральные каналы (SWIR, VNIR) для анализа литологии и минералогии [5];
• ASTER – термальные и коротковолновые инфракрасные данные (SWIR) для идентификации рудных минералов (гематит, каолинит).

Преимущества этих спутников в том, что данные ДЗЗ находятся в открытом доступе.

Для анализа данных ДЗЗ используются следующие методы обработки снимков:

• NDVI (нормализованный индекс растительности) – выявление зон стресса растительности над рудными телами;
• PCA (метод главных компонент) – выделение геологических аномалий;
• спектральный анализ – идентификация минералов (гематит, каолинит, кварц) [6].

Геоинформационные системы позволяют интегрировать данные ДЗЗ с геофизическими и геохимическими исследованиями [7], а алгоритмы машинного обучения используются для классификации перспективных участков.

Примеры применения ДЗЗ в Республике Башкортостан

Рассмотрим несколько примеров применения ДЗЗ в РБ:

1. Применение данных ДЗЗ, полученных с помощью спутника Landsat 8/9 позволило эффективно идентифицировать участки с повышенной концентрацией гематита (Fe₂O₃) на территории Туканского железорудного месторождения. В исследовании использовались каналы коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR), наиболее информативные для диагностики железосодержащих минералов. На рисунке 1 представлен композитный снимок.

Рисунок 1. Спутниковый снимок Landsat 8/9 (композит 5-6-7) Туканское месторождение (28.05.2025)
(Источник: USGS EarthExplorer)

Для количественной оценки содержания оксидов железа применялось спектральное соотношение Band7/Band6. Результат представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Яркие участки – зоны с высоким содержанием оксидов железа

2. Использование данных со спутника Landsat 8/9 позволило успешно идентифицировать зоны сульфидной минерализации на Учалинском медно-цинковом месторождении. Исследование основывалось на анализе спектральных характеристик сульфидных минералов (пирит FeS₂ и халькопирит CuFeS₂) в коротковолновом инфракрасном диапазоне (SWIR). На рисунке 3 представлен композитный снимок.

Рисунок 3. Спутниковый снимок Landsat 8/9 (композит 5-6-7) Учалинсоке месторождение (28.05.2025)
(Источник: USGS EarthExplorer)

Для количественной оценки использовалось спектральное соотношение Band7/Band5 (Рисунок 4).

Рисунок 4. Яркие участки – потенциальные зоны сульфидной минерализации.

3. Использование данных ДЗЗ со спутника Sentinel-2 продемонстрировало высокую эффективность при мониторинге нефтегазоносных структур Арланского месторождения (Рисунок 5).

Рисунок 5. Спутниковый снимок Sentinel-2 (композит 8-11-12) Арланского месторождения (27.05.2025).
(Источник: Sentinel Hub)

Для идентификации глинистых минералов, таких как каолинит и монтмориллонит, применяется спектральный индекс CMR.

Повышенные значения индекса коррелируют с зонами развития глинистых пород, что важно для прогнозирования коллекторских свойств нефтегазоносных горизонтов (Рисунок 6).

Рисунок 6. Распределение спектрального индекса на территории месторождения

Заключение

Применение данных ДЗЗ значительно ускоряет процесс геологоразведки в Республике Башкортостан. Комбинация спутниковых снимков, ГИС-анализа и машинного обучения позволяет эффективно выявлять перспективные участки и оптимизировать затраты на разведку. Дальнейшее развитие технологий ДЗЗ откроет новые возможности для изучения минерально-сырьевой базы региона.