Геология, поиски и разведка железорудных месторождений

Геология, поиски и разведка месторождений железной руды

Железо известно с древности. Железо повсеместно присутствует в литосфере либо в качестве основного компонента, либо в следовых количествах. По распространенности он занимает четвертое место после кислорода, кремния и алюминия.

Железные руды имеют широкий диапазон формирования в геологическом времени, а также широкое географическое распространение. Эти руды обнаружены в древнейших известных породах земной коры, возраст которых превышает 2,5 миллиарда лет, а также в породах, образовавшихся в различные последующие эпохи. На самом деле, железные руды сегодня образуются даже в тех местах, где осаждаются оксиды железа.

Во всем мире известно несколько тысяч месторождений железа. Их размер варьируется от нескольких тонн до нескольких сотен миллионов тонн. Месторождения железной руды распространены в различных регионах мира, в различных геологических условиях и в различных геологических формациях. Наибольшая концентрация руд обнаружена в полосчатых осадочных железистых образованиях докембрийского возраста. Эти образования составляют основную часть ресурсов железной руды в мире.

Железные руды встречаются в самых разных геологических средах в изверженных, метаморфических или осадочных породах или в виде продуктов выветривания различных первичных железосодержащих материалов. Железные руды можно сгруппировать в типы сходного геологического происхождения, состава и структуры. Ниже приводится упрощенная классификация, основанная на генезисе месторождений и геологической среде. Он показывает основные способы залегания железных руд, а также иллюстрирует разнообразную геологию месторождений железной руды.

• Изверженные руды. Эти месторождения железной руды образуются путем кристаллизации из жидких горных пород либо в виде месторождений слоистого типа, которые, возможно, являются результатом оседания кристаллов тяжелых железосодержащих минералов по мере их кристаллизации с образованием концентраций, богатых железом, либо в виде месторождений, которые проявляют навязчивую связь с пристеночными породами. Эти рудные залежи имеют таблитчатую или неправильную форму и состоят в основном из магнетита с различным количеством гематита. В магматических рудах обычно высокое содержание железа, а также фосфора или титана.
• Контактные руды. Месторождения железной руды, образованные на контакте магматических пород и осадочных пород или рядом с ними, обычно состоят из магнетита и гематита с сопутствующими карбонатами и пиритом. Рудные залежи обычно находятся в осадочных породах в виде неправильных или пластинчатых замещающих тел.
• Гидротермальные руды — это залежи железной руды, образованные горячими растворами, которые переносят железо и замещают породы с благоприятным химическим составом минералами железа, образуя рудные тела неправильной формы. В этих отложениях железо часто встречается в виде сидерита (FeCO3) или иногда в виде оксидов.
• Осадочные руды – это (i) пластовые руды, (ii) сидеритовые руды, (iii) россыпные руды или (iv) болотные железные руды. «Плоские железные руды» часто состоят из оолитов гематита, сидерита, силиката железа или, реже, лимонита в матрице сидерита, кальцита или силиката. Эти руды имеют широкое географическое распространение, связанное с другими осадочными породами, и часто имеют довольно высокое содержание фосфора. Руды могут быть самофлюсующимися. «Сидеритовые руды» состоят из слоев сидерита или конкреций сидерита, связанных со сланцами. Они распространены в угольных отложениях и часто называются глинистыми железняками или железняками с черной полосой. Эти руды обычно содержат попутные сульфиды и часто имеют довольно высокое содержание серы и фосфора. Оксиды железа, когда они плотные, обычно устойчивы к выветриванию и эрозии и при благоприятных условиях могут образовывать «россыпные месторождения», которые в некоторых случаях представляют собой железные руды. Россыпные месторождения имеют второстепенное значение как источники железа. «Болотные железные руды» встречаются во многих заболоченных районах. Обычно они встречаются в виде темно-коричневых клеточных масс или зернистых или мелких частиц лимонита. Эти руды давно перестали иметь промышленное значение.
• Метаморфизованные образования железа. К ним относятся метаморфизованные пластовые железистые породы, состоящие обычно из чередующихся тонких слоев мелкозернистого кварца и оксидов железа. Железо обычно присутствует в минеральной форме магнетита или гематита, наряду с меньшим количеством силикатов и карбонатов железа. К этому типу относятся практически все докембрийские осадочные железистые образования. К метаморфизованным типам относятся также те, в которых первоначальная форма руд была затемнена обширной перекристаллизацией. Некоторые из этих железных образований важны с экономической точки зрения как железные руды из-за их пригодности для обогащения путем тонкого измельчения и концентрирования рудных минералов главным образом магнитными методами.
• Остаточные руды. Эти руды обычно являются продуктами поверхностного выветривания горных пород, но могут включать руды, образовавшиеся в результате гидротермального окисления и выщелачивания. Руды этого типа широко формировались в докембрийских железистых формациях путем выщелачивания кремнезема, составлявшего обычно более 50 % породы. Окисление превратило карбонат железа, силикатные минералы и магнетит в гематит или лимонит.

Потенциальная железная руда, которая, как известно, существует в районе, называется ресурсом железной руды. Выявленные ресурсы включают как запасы, так и другие железосодержащие материалы, добыча которых может стать прибыльной в будущих экономических условиях. Выявленные ресурсы – это ресурсы, местонахождение, содержание, качество и количество которых известны или оцениваются по конкретным геологическим данным. Выявленные ресурсы включают экономические, маргинальные экономические и субэкономические компоненты, и в зависимости от степени геологической достоверности каждое из этих экономических подразделений может быть далее подразделено на измеренные, выявленные и предполагаемые. Запасы определяются как те ресурсы, которые могут быть рентабельно добыты на момент их определения.

Эксплуатация существующего месторождения железной руды является более легкой частью горных работ. Сложнее всего найти новые залежи руды и определить их протяженность и содержание железа (содержание). Разведка – это процесс, посредством которого в земной коре могут быть обнаружены скопления железорудных минералов. Прежде чем будут сделаны крупные инвестиции, необходимые для организации добычи, горнодобывающая организация должна убедиться, что месторождение является экономически жизнеспособным и имеет такое количество руды, которое обеспечит добычу руды в течение достаточно длительного периода времени. Даже после начала добычи необходимо определить местонахождение и оконтурить любые расширения минерализации, а также искать новые перспективы, которые могут заменить разрабатываемые запасы. Исследование расширений и поиск новых месторождений являются жизненно важными видами деятельности для горнодобывающей организации.

Геологоразведка включает в себя поиск месторождений полезных ископаемых с целью извлечения прибыли. Другими словами, превратить месторождение полезных ископаемых в месторождение руды. Геолог, изучающий местность, ищет поверхностные обнажения полезных ископаемых, наблюдая неоднородности цвета, формы или состава горных пород. Его опыт подсказывает ему, где искать, чтобы иметь наибольшие шансы на успех.

Разведка, хотя это звучит похоже на разведку, — это термин, используемый для систематического изучения рудного месторождения. . Нелегко определить момент, когда поиски переходят в разведку. После того, как интересная область выбрана, подается заявление на получение разрешения на разведку. Перед началом геологоразведочных работ требуется одобрение официальных лиц.

Деятельность, связанная с поиском и разведкой

Первым шагом в деятельности, связанной с поиском и разведкой, является проведение обзора исторических и существующих данных, особенно из закрытых шахт и образцов керна, а также другой соответствующей информации, имеющейся в результате более ранней разведки, к которой можно получить доступ. Это может привести к значительной экономии времени и денег, необходимых для новых видов деятельности. Одним из самых дешевых этапов исследования местности является подготовка всеобъемлющей, подробной и точной геологической карты, которая часто начинается с основных инструментов, таких как рулетка и компас. Точность может быть повышена за счет использования аэрофотоснимков для обнаружения обнажений, зон основных разломов и базового топографического контроля. Каждый шаг увеличивает затраты, но также повышает точность и детализацию итоговой карты.

Земля, покрытая почвой, недоступна для старателей, которые сначала высматривают обнажение минерализации. Там, где земной покров представляет собой неглубокий слой аллювиального материала, траншеи обычно выкапываются на минерализованной территории, чтобы обнажить коренную породу.

Старатель идентифицирует открытие, измеряет ширину и длину и оценивает минерализованную площадь. Образцы из траншей анализируются в лаборатории. Даже когда минералы могут быть найдены на поверхности, определение их протяженности в глубину является вопросом квалифицированных догадок. Если находки старателя и его теории о вероятном существовании рудных месторождений имеют под собой твердую почву, то следующим шагом будет исследование окружающих земель.

Разведка — это термин, охватывающий геофизику, геохимию и, наконец, более дорогостоящие операции, а именно бурение земли для получения образцов с любой глубины. На рис. 1 представлена ​​общая последовательность работ по поиску и разведке рудного месторождения. Эффективность разведки зависит от все более сложного производства карт для целей планирования и маршрутов доступа, для геологического, геофизического, геохимического и структурного картирования. Сегодня доступны подробные аэротопографические карты, дающие исследователю основную информацию, позволяющую определить, где найти районы с хорошим потенциалом рудных месторождений.

Рис. 1. Общая последовательность действий при поиске и разведке рудного месторождения 

Геофизические исследования

После их появления в 1950-х годах аэрогеофизические исследования стали широко используемым первым шагом в геофизических исследованиях. Большие площади можно эффективно покрыть за короткий промежуток времени. Наиболее распространенными аэрогеофизическими картами являются карты магнитометров, фиксирующие вариации магнитного поля Земли с высокой степенью точности. Оптимальный выбор высоты и интервала, а также выбор инструментов важны при аэрогеофизических съемках.

С поверхности для изучения подземных образований используются различные геофизические методы, основанные на физических свойствах горных пород и железосодержащих минералов, таких как магнетизм, гравитация, электропроводность, радиоактивность и скорость звука. Два или более метода часто комбинируются в одном обследовании для получения более надежных данных. Результаты съемок обобщаются и сопоставляются с геологической информацией о поверхностных и сколах или образцах керна из любого предыдущего колонкового бурения, чтобы решить, стоит ли продолжать дальнейшую разведку. В случае, если результаты разведки указывают на дальнейшую разведку, информация служит основой для буровых работ. Поскольку геофизическая съемка обычно проводится с воздуха, данные наземных съемок сравниваются и добавляются к аэрофотосъемке.

Существующие геофизические методы и приборы, методы отбора проб, процедуры бурения и некоторые методы геологических исследований, применимые к железной руде, описаны ниже. Геофизика, применительно к разведке железной руды, является прежде всего инструментом разведки, который дает информацию, которая впоследствии должна быть дополнена геологическим картированием, петрографическими исследованиями, бурением и оценкой анализов руды и испытаний обработки. Геофизические методы, используемые при поиске железных руд, как и в большинстве геофизических карт, основаны на наличии измеримых контрастов физических свойств между рудными минералами и окружающими породами. В основном используются физические свойства:магнетизм (как постоянный, так и индуцированный) и плотность. Электрические методы (включая поляризацию и электромагнетизм) и сейсмические исследования иногда используются в сочетании с магнитными или гравитационными съемками для более точного определения рудных тел.

Магнитометры

Современные магнитометры обладают большей чувствительностью и удобством в эксплуатации. Потому что с 1950-х годов они исключили другие методы, такие как игла погружения и суперпогружение, из практического применения при разведке железной руды. Магнитометры прошли несколько последовательных стадий развития. Основными формами, как известно, в порядке их концепции являются магнитометры балансового типа, торсионного типа и феррозондовые магнитометры, за которыми в последние годы последовали магнитометры, которые были задуманы и разработаны в области атомной физики. Эти последние инструменты включают в себя магнитометры паров рубидия, протонно-прецессионные и оптические абсорбционные магнитометры.

Магнитометры используются для определения напряженности магнитного поля Земли или его вертикальной составляющей в заданном месте. Поле Земли очень слабое, от примерно 0,7 э на магнитных полюсах до примерно 0,25 э в некоторых точках на магнитном экваторе. В геомагнитных исследованиях напряженность поля измеряется в гораздо меньших единицах, чем эрстед, которым является гамма (равная 0,00001 эрстед). Форма магнитного поля Земли не является однородной, но показывает крупномасштабные региональные неоднородности из-за вариаций формы и состава земной коры и верхней мантии Земли. Вариации меньшего масштаба являются результатом магнитных возмущений, вызванных концентрациями магнитного материала у поверхности, и именно эти локальные вариации ищут при поиске железных руд.

Магниторазведка

Магнитная съемка измеряет вариации магнитного поля Земли, вызванные магнитными свойствами подземных горных пород. Бортовой магнитометр является основным геологическим инструментом, используемым при поиске железных руд и железосодержащих материалов на больших площадях. Метод проведения аэромагнитной съемки заключается в установке феррозондового или протонного прецизионного магнитометра на самолете, который пересекает район цели на фиксированной высоте и по заданным траекториям полета. Магнитометр измеряет величину магнитного поля Земли. Данные записываются в электронном виде вместе с положением самолета и его высотой. В последние годы качество съемок улучшилось благодаря совершенствованию оборудования, которое включает в себя большую чувствительность и простоту, многоканальную запись данных, миниатюризацию инструментов и возможность более точного позиционирования. Из-за представления и записи данных в цифровой форме компьютеры используются для выполнения необходимой обработки данных и построения графиков, необходимых для анализа и интерпретации. Данные из этих записей наносятся в виде контурной карты с линиями, соединяющими точки с одинаковой магнитной напряженностью на карте. Узоры, образованные этими линиями, указывают области, где происходят магнитные аномалии (крупные локальные искажения магнитного поля Земли). Области, обозначенные аномалиями на магнитной карте, затем более подробно исследуются с помощью геологических съемок и гравиметрических измерений, электромагнитных исследований или других геофизических методов. Эти геофизические методы приведены ниже.

Электромагнитные исследования основаны на изменении электропроводности горного массива. Передатчик используется для создания первичного переменного электромагнитного поля. Наведенный ток создает вторичное поле в горной массе. Результирующее поле отслеживается и измеряется, что позволяет выявить проводимость подземных масс.

Электроразведка измеряет либо естественный поток электричества в земле, либо гальванический ток, проведенный в землю и точно контролируемый. Электроразведка используется для обнаружения месторождений полезных ископаемых на небольшой глубине и картографирования геологических структур для определения глубины залегания вскрышных пород до коренных пород или определения уровня грунтовых вод.

Съемки с вызванной поляризацией проводятся вдоль линий сетки со снятием показаний на приемных электродах, вкопанных в землю и перемещаемых от станции к станции. Электроды подключены к приемнику и измеряют заряжаемость (способность различных минералов накапливать электрический заряд) и влияние удельного сопротивления на ток, проходящий через землю и коренные породы.

Гравиметрические исследования измеряют небольшие изменения гравитационного поля, вызванные притяжением нижележащих массивов горных пород. Изменение силы тяжести может быть вызвано разломами, антиклиналями и соляными куполами, которые часто связаны с нефтеносными формациями. Гравиметрическая съемка также используется для обнаружения минералов с высокой плотностью, таких как железная руда.

В районах, где горные породы содержат радиоактивные минералы, интенсивность радиации значительно выше нормального фонового уровня. Измерение уровня радиации помогает обнаружить месторождения, содержащие минералы, связанные с радиоактивными веществами.

Сейсмические исследования основаны на вариациях скорости звука в различных геологических пластах. Измеряется время прохождения звука от источника на поверхности через нижележащие слои и обратно к одному или нескольким детекторам, расположенным на некотором расстоянии на поверхности. Источником звука может быть удар кувалды, тяжелого упавшего груза, механического вибратора или заряда взрывчатого вещества. Сейсморазведка определяет качество коренных пород и может определить контактную поверхность геологических слоев или компактных месторождений полезных ископаемых в земле.

В случае железных руд детальное магнитное исследование аномальных областей может включать использование магнитометра на вертолете или наземные исследования с использованием ручных или других портативных магнитометров. Новый метод электромагнитной разведки, известный как AFMAG (аудиочастотный магнетизм), использовался в районах, где были обнаружены магнитные аномалии, чтобы попытаться различить погребенные месторождения вулканического стекла или интрузивов с низким содержанием железа и месторождения с высокой остаточной намагниченностью, которые представляют потенциальную руду. тела. Магнитометр на парах рубидия также позволяет отбраковывать нерентабельные месторождения путем дифференциации магнитных месторождений, обладающих высокой магнитной восприимчивостью и электропроводностью, и погребенных вулканических стекол и малопроводящих железосодержащих интрузивов с низкой восприимчивостью, которые, однако, способны создания привлекательных магнитных аномалий.

Отбор проб и бурение

В ранний период открытия железной руды большая часть разведки потенциальных рудных тел проводилась с помощью шурфов и шахт. В наши дни за корреляцией и оценкой подробных данных, полученных с помощью магнитометра или других съемок, обычно следует тщательно разработанная программа бурения для получения образцов, которые посредством геологических и минералогических исследований устанавливают тип, качество и объем руды, которая может присутствовать, и характер и количество вскрышных пород или горных пород, связанных с рудой.

В настоящее время значительное внимание уделяется совершенствованию методов колонкового бурения для получения более качественных образцов. Конечной целью является наиболее полный и нетронутый образец бура, возможный по разумной цене. Алмазные сверла используются особенно в твердых породах. Использование буровых растворов с алмазными бурами было принято там, где желательны образцы самого высокого качества из чередующегося твердого и мягкого полосчатого материала. Вращательные погружные буры и буровые установки с обратной циркуляцией нескольких типов могут обеспечить высокую скорость проходки с удовлетворительным извлечением пробы в некоторых приложениях для отбора проб. Бурение на тросе используется примерно в половине операций колонкового бурения в некоторых частях мира. Статистическая оценка результатов разведочного бурения проводится для того, чтобы обеспечить ориентиры для планирования программ бурения, особенно в отношении наиболее экономичного размещения скважин и наиболее желательной степени извлечения керна, которая обеспечила бы адекватный отбор проб при минимальных затратах.

Следующей и самой дорогостоящей частью последовательности разведки является бурение. Для буровика все остальные методы разведки — это хождение вокруг да около. Бурение проникает глубоко в землю и поднимает образцы всего, что находит на своем пути. Если в определенных точках глубоко под поверхностью есть какая-либо минерализация, бурение может дать прямой ответ и количественно определить ее присутствие в этой конкретной точке. Затраты на бурение составляют около половины общих затрат на геологоразведку. Существует два основных метода разведочного бурения:колонковое бурение и ударное бурение.

Колонковое бурение дает твердый цилиндрический образец земли на точной глубине. Ударное бурение дает измельченный образец, состоящий из шлама с довольно четко определенной глубины в скважине. Кроме того, сама скважина может предоставить дополнительный объем информации, в частности, путем каротажа с использованием устройств для обнаружения физических аномалий, подобных упомянутым выше геофизическим исследованиям.

Колонковое бурение используется для определения размера и точных границ минерализации. Это важно для определения сортов обрабатываемой руды и важно для расчета запасов руды. Стратегически расположенное подземное колонковое бурение может также пересекать новые рудные тела по соседству. Керн представляет собой неповрежденный образец подземной геологии, который можно тщательно изучить для определения точной природы породы и любой минерализации. Образцы, представляющие особый интерес, отправляются в лабораторию для анализа на содержание железа в руде.

Керны от разведочного бурения хранятся в специальных боксах и хранятся в архивах в течение длительного периода времени. Ящики отмечены, чтобы определить, из какой скважины и на какой глубине был взят образец. Информация, полученная при колонковом бурении, важна.

Для быстрого получения геологической информации с меньшими затратами иногда используют методы обратной циркуляции. Вместо образцов керна геолог получает доступ к буровому шламу (стружке) по всей длине скважины, который проверяется и картируется на содержание полезных ископаемых после лабораторных анализов. Бурение с обратной циркуляцией быстро становится популярным для бурения с поверхности. Буровые установки в методе обратной циркуляции монтируются на грузовике и ограничены доступной местностью и лучшими дорожными условиями по сравнению с оборудованием для колонкового бурения, которое легко разбирается. 

От поиска до добычи полезных ископаемых

Для количественной оценки минерализации, а также для определения формы, размера и содержания металлов в месторождении в разведочных работах необходима пошаговая процедура. На каждом этапе процедуры проверяется имеющаяся информация, чтобы решить, необходимо ли продолжение разведочных работ. Цель состоит в том, чтобы быть достаточно уверенным в том, что месторождение является экономически жизнеспособным, путем предоставления подробных сведений о геологии месторождения. Руда – это экономическое понятие, определяемое как концентрация полезных ископаемых, которые можно экономически выгодно разрабатывать и превращать в товарный продукт.

Прежде чем месторождение полезных ископаемых может быть помечено как рудное тело, необходимы полные знания о минерализации, предлагаемой технологии добычи и методах обработки. Воздействие добычи и переработки полезных ископаемых на окружающую среду должно быть тщательно изучено и требует одобрения. Необходимым условием для инвестирования в добычу полезных ископаемых является уверенность, необходимая для устойчивой прибыльности в течение длительного периода времени. На этом этапе проводится всестороннее технико-экономическое обоснование, охватывающее требования к капиталу, рентабельность инвестиций, период окупаемости и другие важные аспекты. На основании всей геологической документации и изучения горнодобывающая организация получает хорошее представление о способах разработки месторождения.