Геология и разведка железных руд: проверенные стратегии проспектирования

Геология, проспектирование и разведка месторождений железных руд

Железо известно с древности. Железо вездесущно в литосфере как основной компонент или в следовой степени. По распространенности оно занимает четвертое место после кислорода, кремния и алюминия.

Железные руды имеют широкий диапазон формирования в геологическом времени и широкую географическую распределенность. Эти руды находятся в старейших известных породах земной коры, возрастом более 2,5 млрд лет, а также в породах, сформировавшихся в различные последующие эпохи. Фактически, железные руды формируются даже сегодня в зонах, где выпадают оксиды железа.

По всему миру известно несколько тысяч железных проявлений. Они варьируются по размеру от нескольких тонн до нескольких сотен миллионов тонн. Месторождения железных руд распределены в разных регионах мира при различных геологических условиях и в разных геологических формациях. Крупнейшие концентрации руд найдены в полосатых осадочных железных формациях докембрийского возраста. Эти формирования составляют основную часть мировых ресурсов железных руд.

Классификация железных руд по генезису

Железные руды встречаются в широкой 다양ности геологических сред: в магматических, метаморфических или осадочных породах, или как продукты выветривания различных первичных железосодержащих материалов. Железные руды можно сгруппировать в типы похожей геологической приуроченности, состава и структуры. Ниже приведена упрощенная классификация, основанная на генезисе месторождений и геологической среде. Она показывает основные способы приуроченности железных руд и иллюстрирует разнообразную геологию месторождений.

• Магматические руды — эти месторождения образуются кристаллизацией из жидких горных пород, либо как пластообразные месторождения, возможно, в результате осаждения кристаллов тяжелых железосодержащих минералов при кристаллизации, образуя железобогащенные концентрации, либо как месторождения, показывающие интрузивные отношения с окапывающими породами. Эти месторождения либо пластинчатые, либо неправильные формы и состоят в основном из магнетита с переменными количествами гематита. Магматические руды обычно высоки по железу и часто высоки по фосфору или титану.
• Контактные руды — месторождения, образованные на или возле контакта между магматическими и осадочными породами, обычно состоят из магнетита и гематита с ассоциированными карбонатами и пиритом. Месторождения обычно в осадочных породах как неправильные или пластинчатые заместительные тела.
• Гидротермальные руды — месторождения, образованные горячими растворами, транспортировавшими железо и заместившими породы благоприятного химического состава железными минералами для образования неправительных рудных тел. В этих месторождениях железо часто встречается как сидерит (FeCO₃) или иногда как оксиды.
• Осадочные руды — это (i) пластообразные руды, (ii) сидеритовые руды, (iii) аллювиальные руды (плэйсеры), или (iv) болотные руды. «Пластообразные железные руды» часто состоят из оолитов гематита, сидерита, железистого 실리ката или, менее часто, лимонита в матрице из сидерита, кальцита или силиката. Эти руды имеют широкую географическую распространенность, ассоциированную с другими осадочными породами, и часто имеют довольно высокое содержание фосфора. Руды могут быть самофлюсирующими. «Сидеритовые руды» состоят из пластов сидерита или сидеритовых нодулей, ассоциированных с алевролитами. Они распространены в угольных формациях и часто называют глинистыми железняками или чернополосными железняками. Эти руды обычно содержат ассоциированные сульфиды и часто имеют довольно высокое содержание серы и фосфора. Железные оксиды, когда компактны, обычно устойчивы к выветриванию и эрозии и при благоприятных условиях могут образовывать «плэйсерные месторождения», которые в некоторых случаях составляют железные руды. Плэйсерные месторождения незначительны как источники железа. «Болотные железные руды» встречаются во многих заболоченных зонах. Они обычно встречаются как темно-бурые, ячеистые массы, или гранулированные или мелкодисперсные частицы лимонита. Эти руды давно перестали иметь коммерческое значение.
• Метаморфизированные железные формации — включают метаморфизированные пластообразные ферругинистые породы, составленные обычно из чередующихся тонких слоев мелкозернистого кварца и оксидов трехвалентного железа. Железо обычно присутствует в минеральной форме магнетита или гематита, вместе с меньшими количествами железных силикатов и карбонатов. По существу, все докембрийские осадочные железные формации относятся к этому типу. Метаморфизированные типы также включают те, где исходная форма руд была замазана экстенсивной рекристаллизацией. Некоторые из этих железных формаций важны экономически как железные руды из-за их поддавочности обогащению мелким помолом и концентрацией рудных минералов преимущественно магнитными методами.
• Остаточные руды — обычно продукты поверхностного выветривания пород, но могут включать руды, образованные гидротермальным окислением и выщелачиванием. Руды этого типа формировались обширно в докембрийских железных формациях выщелачиванием силиции, которая обычно составляла более 50% породы. Окисление превратило железный карбонат, силикатные минералы и магнетит в гематит или лимонит.

Ресурсы и запасы

Потенциальная железная руда, известная к существованию в районе, называется ресурсом железных руд. Идентифицированные ресурсы включают как запасы, так и другие железносодержащие материалы, которые могут стать прибыльными для добычи при будущих экономических условиях. Идентифицированные ресурсы — те, чье расположение, качество, качество и количество известны или оценены по конкретным геологическим доказательствам. Идентифицированные ресурсы включают экономические, предельно-экономические и субэкономические компоненты, и в зависимости от степени геологической достоверности каждый из этих экономических подразделов может быть дополнительно подразделен на измеренные, обозначенные и выведенные. Запасы (Reserves) определяются как те ресурсы, которые могут быть экономически добыты на момент их определения.

Эксплуатация существующего месторождения — более легкая часть горных операций. Более сложная часть — найти новые месторождения и определить их масштаб и железное содержание (качество). Разведка (Exploration) — процесс, которым накопления железорудных минералов могут быть найдены в земной коре. До того как сделать тяжелые инвестиции для создания горной операции, горная организация должна обеспечить, что месторождение экономически жизнеспособно и имеет количества руды, которые обеспечат добычу руды достаточно длительный период. Даже после начала производства необходимо локализовать и обозначить любые продолжения минерализации и искать новые проявления, которые могут заменить запасы, добываемые в настоящее время. Исследование продолжений и поиск новых месторождений — жизненно важная деятельность для горной организации.

Проспектирование (Prospecting) включает поиск на участке минеральных месторождений с целью добычи их с прибылью. Другими словами, преобразовать минеральное месторождение в рудное. Геолог, проспектирующий район, ищет поверхностные проявления минералов, наблюдая нерегулярности в цвете, форме или породном составе. Его опыт подсказывает ему, где искать, чтобы иметь наибольшие шансы на успех.

Разведка (Exploration), хотя звучит похоже на проспектирование, — термин, используемый для систематического исследования рудного месторождения. Нелегко определить точку, где проспектирование переходит в разведку. После выбора интересной зоны подается заявка на разрешение на разведку. Одобрение чиновников необходимо перед началом разведочных работ.

Деятельность, связанная с проспектированием и разведкой

Первый шаг в деятельности, связанной с проспектированием и разведкой — проведение обзора исторических и существующих данных, особенно из законсервированных шахт и керновых проб и другой релевантной информации, доступной от ранней разведки, к которой можно получить доступ. Это может привести к большой экономии времени и денег, необходимых для новых активностей. Одной из самых дешевых фаз разведки участка является подготовка всесторонней, детальной и точной геологической карты, которая часто начинается с базовых инструментов: рулетки и компаса. Точность может быть повышена использованием аэрофотоснимков для помощи в локализации аффлеюров, крупных зон разломов и базового топографического контроля. Каждый шаг добавляет некоторые затраты, но также улучшает точность и детализацию полученной карты.

Земля, покрытая почвой, недоступна для проспектора, который в первую очередь ищет аффлеюр минерализации. Там, где покров представляет собой неглубокий слой аллювиального материала, обычно выкапывают траншеи через минерализованную зону для откровения коренной породы.

Проспектор идентифицирует открытие, измеряет и ширину, и длину, и оценивает площадь минерализации. Пробы из траншей анализируются в лаборатории. Даже когда минералы можно найти на поверхности, определение любого простирания в глубину — вопрос квалифицированных догадок. Если находки проспектора и его теоретизирование о вероятном существовании рудного месторождения на твердой почве, то следующий шаг — разведка окружающей земли.

Разведка — термин, охватывающий геофизику, геохимию и, наконец, более затратные активности: бурение в грунте для получения проб с любой глубины. Рис. 1 показывает общую последовательность активностей в проспектировании и разведке рудного месторождения. Эффективная разведка зависит от все более сложного производства карт для планирования и путей доступа, для геологической, геофизической, геохимической и структурной картографии. Сегодня доступны детальные аэрофотографические топографические карты, дающие исследователю базовую информацию для определения зон с хорошим потенциалом рудного месторождения.

Геофизическая разведка

После их внедрения в 1950-х аэроборные геофизические съемки стали широко используемым первым шагом в геофизической разведке. Большие площади могут быть эффективно покрыты за короткий период. Наиболее распространенные аэро геофизические карты — магнитометрические карты, записывающие вариации магнитного поля Земли с высокой степенью точности. Оптимальный выбор высоты и интервала, а также выбор приборов важны в аэроборных геофизических съемках.

С поверхности используются различные геофизические методы для исследования подповерхностных формаций, основанные на физических свойствах пород и железосодержащих минералов: магнетизм, гравитация, электрическая проводимость, радиоактивность и скорость звука. Два или более методов часто комбинируют в одной съемке для получения более надежных данных. Результаты съемок компилируют и сопоставляют с геологической информацией с поверхности и чипами или керновыми пробами от любых предыдущих керновых бурений, чтобы решить, стоит ли продолжать разведку. Если результаты съемки указывают на дальнейшую разведку, то информация формирует основу для бурения. Поскольку геофизическая съемка обычно проводится с воздуха для начала, информация от наземных съемок сравнивается и добавляется к аэроборной картографии.

Современные геофизические техники и приборостроение, методы пробоотбора, процедуры бурения и некоторые методы геологического исследования, применимые для железных руд, описаны ниже. Геофизика, применяемая к разведке железных руд, в первую очередь — разведывательный инструмент, предоставляющий информацию, которую впоследствии необходимо дополнить геологической картографией, петрографическими исследованиями, бурением и оценкой анализов руд и испытаний обогащения. Геофизические техники, используемые в поиске железных руд, как и в большинстве геофизического картирования, основаны на наличии измеримых контрастов физических свойств между рудными минералами и окружающими породами. Основные физические свойства — магнетизм (как постоянный, так и индуцированный) и плотность. Электрические методы (включая поляризацию и электромагнетизм) и сейсмические исследования иногда используют в сочетании с магнитными или гравитационными съемками для лучшего определения рудных тел.

Магнитометры

Современные магнитометры имеют большую чувствительность и удобство эксплуатации. Благодаря этому, с 1950-х они устранили другие методы, такие как игольчатый компас и супер-компас, из практического использования в разведке железных руд. Магнитометры прошли несколько последовательных стадий развития. Основные формы, известные по порядку их появления: балансные, торсионные и флюкс-гейт магнитометры, за которыми в последние годы последовали магнитометры, зачатые и разработанные в области атомной физики. К последним относятся рубидиевые паровые, протонно-прецессионные и оптико-абсорбционные магнитометры.

Магнитометры используют для определения силы магнитного поля Земли или его вертикальной компоненты в данной точке. Магнитное поле Земли очень слабое, от около 0,7 оерстеда на магнитных полюсах до около 0,25 оерстеда в некоторых точках на магнитном экваторе. В геомагнитных исследованиях силу поля измеряют в гораздо меньшей единице, чем оерстед — гамма (равна 0,00001 оерстеда). Форма магнитного поля Земли неравномерна, но показывает крупномасштабные региональные нерегулярности из-за вариаций формы и состава коры и верхней мантии Земли. Вариации на меньшем масштабе результатом магнитных нарушений, вызванных концентрациями магнитного материала у поверхности, и именно эти локальные вариации ищут при поиске железных руд.

Магнитная съемка

Магнитная съемка измеряет вариации магнитного поля Земли, вызванные магнитными свойствами подповерхностных горных формаций. Аэроборный магнитометр — основной геологический инструмент, используемый в поиске железных руд и железосодержащих материалов на больших площадях. Метод проведения аэроборной магнитной съемки — установка флюкс-гейт или протонного прецизионного магнитометра в самолете, который пролетает целевую зону на фиксированной высоте и по заранее заданным маршрутам. Магнитометр измеряет величину магнитного поля Земли. Данные записывают электронно вместе с позицией самолета и его высотой. В последние годы качество съемок улучшилось благодаря уточнению оборудования: большей чувствительности и простоте, многоканальной записи данных, миниатюризации приборов и более точной позиционировке. Благодаря представлению и записи данных в цифровой форме, компьютеры используют для необходимой обработки данных и построения графиков для анализа и интерпретации. Данные из этих записей строят как контурную карту, с линиями, соединяющими точки равной магнитной интенсивности на карте. Образованные этими линиями узоры указывают на зоны, где происходят магнитные аномалии (крупные локальные искажения магнитного поля Земли). Зоны, обозначенные аномалиями на магнитной карте, затем исследуют подробнее геологическими съемками и гравитационными измерениями, электромагнитными исследованиями или другими геофизическими техниками.

Электромагнитные съемки основаны на вариациях электрической проводимости в горном массиве. Передатчик используется для создания первичного переменного электромагнитного поля. Индуцированный ток создает вторичное поле в горном массиве. Результирующее поле прослеживают и измеряют, тем самым раскрывая проводимость подземных масс.

Электрические съемки измеряют либо естественный поток электричества в грунте, либо гальванический ток, вводимый в грунт и точно контролируемый. Электрические съемки используют для локализации минеральных месторождений на мелкой глубине и картографирования геологических структур для определения глубины покрывающих пород до коренной породы или для локализации уровня грунтовых вод.

Съемки индуцированной поляризации проводят по сетке с измерениями на приемных электродах, забитых в землю и перемещаемых от станции к станции. Электроды соединены с приемником и измеряют заряжаемость (способность различных минералов накапливать электрический заряд) и резистивные эффекты на ток, загоняемый в грунт и коренную породу.

Гравиметрические съемки измеряют малые вариации гравитационного поля, вызванные притяжением нижележащих горных масс. Вариация гравитации может быть вызвана разломами, антиклиналями и солевыми куполами, часто ассоциирующимися с нефтеносными формациями. Гравиметрическая съемка также используется для обнаружения высокоплотных минералов, таких как железная руда.

В регионах, где горные формации содержат радиоактивные минералы, интенсивность излучения значительно выше нормального фонового уровня. Измерение уровней излучения помогает локализовать месторождения, содержащие минералы, ассоциированные с радиоактивными веществами.

Сейсмические съемки основаны на вариациях скорости звука в разных геологических стратах. Измеряют время, за которое звук проходит от источника на поверхности, через нижележащие слои, и снова вверх к одному или нескольким детекторам, размещенным на некотором расстоянии на поверхности. Источником звука может быть удар молота, тяжелый падающий вес, механический вибратор или взрывной заряд. Сейсмическая съемка определяет качество коренной породы и может локализовать контактную поверхность геологических слоев или компактного минерального месторождения в грунте.

В случае железных руд детальное магнитное изучение аномальных зон может включать использование магнитометра в вертолете или наземные съемки с ручными или переносными магнитометрами. Новый электромагнитный проспектный метод, известный как AFMAG (аудио-частотная магнетика), использовался в зонах, где обнаружены магнитные аномалии, для попытки дифференцировки зарытых месторождений вулканического стекла или низкокачественных железосодержащих интрузий и месторождений с высокой остаточной намагниченностью, представляющих потенциальные рудные тела. Рубидиевый паровый магнитометр также позволяет отсеять неэкономические месторождения, дифференцируя магнитные месторождения, высокие по магнитной восприимчивости и электрической проводимости, и зарытое вулканическое стекло и низкокачественные не проводящие железосодержащие интрузии низкой восприимчивости, которые, однако, способны создавать привлекательные магнитные аномалии.

Пробоотбор и бурение

В ранний период открытия железных руд большая часть разведки потенциальных рудных тел выполнялась пробными ямами и шахтами. В наши дни корреляция и оценка детальных данных от магнитометрических или других съемок обычно сопровождается тщательно разработанной программой бурения для предоставления проб, которые через геологические и минералогические исследования устанавливают вид, качество и масштаб руды, которая может присутствовать, и природу и количество надголовья или горных формаций, ассоциированных с рудой.

В наши дни значительное внимание уделяется улучшению методов кернового бурения для получения лучших проб. Самый полный и нерастрепанный керновый проба по разумной стоимости — конечная цель. Алмазные буры используют особенно в твердых формациях. Использование буровых растворов с алмазными бурами принято там, где желаются пробы высшего качества из попеременно твердых и мягких пластообразных материалов. Роторные буры с нижним приводом и реверс-циркуляционные буры нескольких типов могут обеспечить высокую скорость проникновения с удовлетворительным восстановлением пробы в некоторых приложениях. Проволочное бурение (wire line drilling) применяется примерно в половине керновых бурений в некоторых частях мира. Статистическая оценка результатов разведочного бурения проводится для предоставления руководств для планирования программ бурения, особенно касательно наиболее экономичного интервала между скважинами и наиболее желательной степени восстановления керна, обеспечивающей адекватный пробоотбор при наименьшей стоимости.

Следующая и самая затратная часть разведочной последовательности — бурение. Для бурильщика все остальные методы разведки — как «биение по кустам». Бурение проникает глубоко в грунт и поднимает пробы всего, что находит на своем пути. Если есть минерализация в данных точках далеко под поверхностью, бурение может дать прямой ответ и kvantифицировать ее присутствие в этой конкретной точке. Расходы на бурение составляют около половины общих затрат на разведку. Существует два основных метода разведочного бурения: керновое и ударное бурение.

Керновое бурение дает цилиндрический твердый пробу грунта на точной глубине. Ударное бурение дает дробленый пробу, состоящую из забоев с довольно точно определенной глубины в скважине. Помимо этого, сама скважина может дать дополнительную информацию, особенно путем каротажа с использованием приборов для обнаружения физических аномалий, похожих на геофизические съемки выше.

Керновое бурение используется для определения размера и точных границ минерализации. Это важно для определения качеств руды, обрабатываемых, и жизненно важно для расчета запасов руды. Стратегически размещенное подземное керновое бурение также может пересечь новые рудные тела в окрестностях. Керн — неповрежденный проба подземной геологии, который можно тщательно изучить для определения точной природы породы и любой минерализации. Пробы особого интереса отправляют в лабораторию для анализа для раскрытия содержания железа в руде.

Керны с разведочного бурения хранят в специальных коробках и держат в архивах длительный период. Коробки маркируют для идентификации, из какой скважины и на какой глубине взят проба. Информация, собранная керновым бурением, важна.

Для получения быстрой геологической информации при меньших затратах иногда используют реверс-циркуляционные методы. Вместо керновых проб геолог получает доступ к забоям (чипсам) на всей длине скважины, которые проверяют и картографируют по минеральному содержанию после лабораторных анализов. Реверс-циркуляционное бурение быстро становится популярным для наземных бурений. Установки реверс-циркуляционного метода установлены на грузовиках и ограничены доступной территорией и лучшими дорожными условиями по сравнению с керновым буровым оборудованием, которое легко разбирается.

От проспектирования к добыче

Для квантификации минерализации и определения формы, размера и металлического содержания месторождения, необходима пошаговая процедура в разведочной деятельности. На каждом шаге процедуры информация на руке изучается, чтобы решить, нужно ли продолжать разведочные усилия. Цель — быть достаточно уверенным, что месторождение экономически жизнеспособно, предоставляя детальное знание геологии месторождения. Руда — экономическое понятие, определяемое как концентрация минералов, которая может быть экономически эксплуатирована и превращена в реализуемый продукт.

Прежде чем минеральное месторождение может быть обозначено как рудное тело, требуется полное знание о минерализации, предлагаемой горной технологии и методах обработки. Экологические воздействия добычи и минеральной обработки должны быть тщательно изучены и требуют одобрения. Предпосылкой для инвестиций в горную операцию является доверие, необходимое для устойчивой рентабельности за длительный период. На этом этапе проводится всестороннее технико-экономическое обоснование (feasibility study), охватывающее капитальные затраты, возврат инвестиций, срок окупаемости и другие основные показатели. На основе всей геологической документации и исследования горная организация получает хорошее представление о том, как добывать месторождение.