Geología, Prospección y Exploración de Yacimientos de Mineral de Hierro

Geología, Prospección y Exploración de Yacimientos de Mineral de Hierro

El hierro se conoce desde la antigüedad. El hierro es omnipresente en la litosfera, ya sea como componente principal o en cantidades mínimas. En abundancia ocupa el cuarto lugar detrás del oxígeno, el silicio y el aluminio.

Los minerales de hierro tienen un amplio rango de formación en el tiempo geológico, así como una amplia distribución geográfica. Estos minerales se encuentran en las rocas más antiguas conocidas en la corteza terrestre, con una edad superior a los 2.500 millones de años, así como en rocas formadas en varias edades posteriores. De hecho, los minerales de hierro incluso se están formando hoy en día en las áreas donde se precipitan los óxidos de hierro.

Se conocen varios miles de ocurrencias de hierro en todo el mundo. Varían en tamaño desde unas pocas toneladas hasta varios cientos de millones de toneladas. Los depósitos de mineral de hierro están distribuidos en diferentes regiones del mundo bajo variadas condiciones geológicas y en diferentes formaciones geológicas. La mayor concentración de mineral se encuentra en formaciones de hierro sedimentario en bandas de edad precámbrica. Estas formaciones constituyen la mayor parte de los recursos de mineral de hierro del mundo.

Los minerales de hierro se encuentran en una amplia variedad de ambientes geológicos en rocas ígneas, metamórficas o sedimentarias, o como productos de meteorización de varios materiales primarios que contienen hierro. Los minerales de hierro se pueden agrupar en tipos de ocurrencia geológica, composición y estructura similares. La siguiente es una clasificación simplificada que se basa en la génesis de los depósitos y el entorno geológico. Muestra los principales modos de ocurrencia de los minerales de hierro e ilustra la variada geología de los depósitos de mineral de hierro.

• Minerales ígneos:estos depósitos de mineral de hierro se forman por cristalización a partir de materiales rocosos líquidos, ya sea como depósitos de tipo estratificado que posiblemente sean el resultado de la sedimentación de cristales de minerales pesados ​​que contienen hierro a medida que cristalizan para formar concentraciones ricas en hierro, o como depósitos que muestran una relación intrusiva con sus rocas de pared. Estos depósitos de mineral son tabulares o irregulares y están compuestos en gran parte de magnetita con cantidades variables de hematita. Los minerales ígneos suelen tener un alto contenido de hierro y, a menudo, un alto contenido de fósforo o titanio.
• Minerales de contacto:los depósitos de mineral de hierro formados en o cerca del contacto entre rocas ígneas y rocas sedimentarias normalmente están compuestos de magnetita y hematita con carbonatos y pirita asociados. Los depósitos de mineral generalmente se encuentran en las rocas sedimentarias como cuerpos de reemplazo irregulares o tabulares.
• Minerales hidrotermales:estos son depósitos de mineral de hierro formados por soluciones calientes que transportaron hierro y reemplazaron rocas de composición química favorable con minerales de hierro para formar cuerpos minerales irregulares. En estos depósitos, el hierro a menudo se presenta como siderita (FeCO3) o, a veces, como óxidos.
• Minerales sedimentarios:estos son (i) minerales estratificados, (ii) minerales de siderita, (iii) minerales de placer o (iv) minerales de hierro de pantano. Los “minerales de hierro estratificados” a menudo se componen de oölitas de hematita, siderita, silicato de hierro o, con menor frecuencia, limonita en una matriz de siderita, calcita o silicato. Estos minerales tienen una amplia distribución geográfica asociada con otras rocas sedimentarias y, a menudo, tienen un contenido de fósforo bastante alto. Los minerales pueden ser autofundentes. Los ‘minerales de siderita’ consisten en lechos de siderita o nódulos de siderita asociados con lutitas. Son comunes en las medidas de carbón y, a menudo, se denominan piedras de hierro de arcilla o piedras de hierro de banda negra. Estos minerales suelen contener sulfuros asociados y, a menudo, tienen un contenido de azufre y fósforo bastante alto. Los óxidos de hierro, cuando se compactan, suelen ser resistentes a la intemperie y la erosión y, en condiciones favorables, pueden formar "depósitos de placer" que, en algunos casos, constituyen minerales de hierro. Los depósitos de placer son de menor importancia como fuentes de hierro. Los "minerales de hierro de los pantanos" se encuentran en muchas áreas pantanosas. Se presentan normalmente como masas celulares de color marrón oscuro o partículas granulares o finas de limonita. Estos minerales hace tiempo que dejaron de tener importancia comercial.
• Formaciones de hierro metamorfoseadas:incluyen las rocas ferruginosas metamorfoseadas compuestas por lo general de capas delgadas alternas de cuarzo de grano fino y óxidos férricos. El hierro normalmente está presente en forma mineral de magnetita o hematita, junto con cantidades menores de silicatos de hierro y carbonatos de hierro. Esencialmente, todas las formaciones de hierro sedimentario del Precámbrico son de este tipo. Los tipos metamorfoseados también incluyen aquellos en los que la forma original de los minerales se ha oscurecido por una extensa recristalización. Algunas de estas formaciones de hierro son importantes desde el punto de vista económico como minerales de hierro debido a su posibilidad de beneficio mediante molienda fina y mediante la concentración de los minerales del mineral, principalmente mediante métodos magnéticos.
• Minerales residuales:estos minerales suelen ser productos de la erosión superficial de las rocas, pero pueden incluir minerales formados por oxidación hidrotermal y lixiviación. Los minerales de este tipo se formaron extensamente en las formaciones de hierro del Precámbrico por lixiviación de sílice, que comúnmente constituía más del 50 % de la roca. La oxidación cambió el carbonato de hierro, los minerales de silicato y la magnetita a hematita o limonita.

El mineral de hierro potencial que se sabe que existe en un área se denomina recurso de mineral de hierro. Los recursos identificados incluyen tanto reservas como otros materiales que contienen hierro que pueden resultar rentables para extraer en condiciones económicas futuras. Los recursos identificados son aquellos cuya ubicación, ley, calidad y cantidad se conocen o estiman a partir de evidencia geológica específica. Los recursos identificados incluyen componentes económicos, marginalmente económicos y subeconómicos y, según el grado de certeza geológica, cada una de estas divisiones económicas se puede subdividir en medidas, indicaciones e inferencias. Las reservas se definen como aquellos recursos económicamente explotables en el momento de su determinación.

La explotación del depósito de mineral de hierro existente es la parte más fácil de las operaciones mineras. La parte más difícil es encontrar nuevos depósitos de mineral y definir su extensión y el contenido de hierro (grado). La exploración es el proceso mediante el cual se pueden encontrar las acumulaciones de minerales de hierro en la corteza terrestre. Antes de que se realicen las fuertes inversiones requeridas para establecer una operación minera, la organización minera debe asegurarse de que el depósito sea económicamente viable y tenga cantidades de mineral que aseguren la producción de mineral durante un período de tiempo suficientemente largo. Incluso después de que comience la producción, es necesario ubicar y delinear cualquier extensión de la mineralización y buscar nuevos prospectos que puedan reemplazar las reservas que se están extrayendo. La investigación de extensiones y la búsqueda de nuevos yacimientos son actividades vitales para una organización minera.

La prospección implica la búsqueda de depósitos minerales en un área con el fin de explotarlos con una ganancia. En otras palabras, transformar el yacimiento mineral en un yacimiento mineral. Un geólogo que realiza prospecciones en un área busca la exposición de minerales en la superficie, observando irregularidades en el color, la forma o la composición de la roca. Su experiencia le dice dónde buscar para tener las mayores posibilidades de éxito.

Exploración, si bien suena similar a la prospección, es el término utilizado para el examen sistemático de un depósito de mineral. . No es fácil definir el punto donde la prospección se convierte en exploración. Después de elegir un área interesante, se realiza una solicitud de permiso de exploración. Se necesita la aprobación de los funcionarios antes de que puedan comenzar las actividades de exploración.

Actividades relacionadas con la prospección y exploración

El primer paso en las actividades relacionadas con la prospección y la exploración es realizar una revisión de los datos históricos y existentes, especialmente de las minas cerradas y las muestras de núcleos y otra información relevante disponible de la exploración anterior a la que se puede acceder. Esto puede resultar en grandes ahorros en tiempo y dinero requeridos para nuevas actividades. Una de las fases más económicas de la exploración del área es la preparación de un mapa geológico completo, detallado y preciso que a menudo comienza con instrumentos básicos como una cinta y una brújula. La precisión se puede mejorar mediante el uso de fotografías aéreas para ayudar a localizar afloramientos, zonas de fallas principales y control topográfico básico. Cada paso agrega algunos costos más, pero también mejora la precisión y los detalles del mapa resultante.

La tierra que está cubierta de suelo es inaccesible para el buscador, que primero busca un afloramiento de la mineralización. Cuando la cobertura terrestre comprende una capa poco profunda de material aluvial, generalmente se cavan trincheras en el área mineralizada para exponer el lecho rocoso.

Un prospector identifica el descubrimiento, mide tanto el ancho como el largo y estima el área mineralizada. Las muestras de las trincheras se analizan en el laboratorio. Incluso cuando los minerales se pueden encontrar en la superficie, determinar cualquier extensión en profundidad es una cuestión de conjeturas calificadas. Si los hallazgos del prospector y su teoría sobre la existencia probable de un depósito de mineral están en terreno firme, entonces el siguiente paso es explorar la tierra circundante.

La exploración es un término que abarca la geofísica, la geoquímica y, finalmente, las actividades más costosas, como la perforación en el suelo para obtener muestras de cualquier profundidad. La figura 1 muestra la secuencia general de actividades en la prospección y exploración de un depósito de mineral. La exploración eficiente depende de la producción de mapas cada vez más sofisticados con fines de planificación y rutas de acceso, para el mapeo geológico, geofísico, geoquímico y estructural. En la actualidad, se encuentran disponibles mapas topográficos aéreos detallados que brindan al explorador información básica para determinar dónde encontrar áreas con buen potencial de depósito de minerales.

Fig. 1 Secuencia general de actividades en prospección y exploración de un depósito de mineral 

Exploración geofísica

Después de su introducción en la década de 1950, los levantamientos geofísicos aéreos se han convertido en un primer paso de uso común en la exploración geofísica. Grandes áreas se pueden cubrir de manera efectiva en un corto período de tiempo. Los mapas aerogeofísicos más comunes son los mapas magnetométricos que registran las variaciones del campo magnético terrestre con un alto grado de precisión. La selección óptima de la altitud y el espacio, así como la elección de la instrumentación, son importantes en los levantamientos geofísicos aéreos.

Desde la superficie, se utilizan diferentes métodos geofísicos para explorar las formaciones del subsuelo, basados ​​en las propiedades físicas de las rocas y los minerales que contienen hierro, como el magnetismo, la gravedad, la conductividad eléctrica, la radiactividad y la velocidad del sonido. A menudo se combinan dos o más métodos en una encuesta para adquirir datos más fiables. Los resultados de las prospecciones se compilan y se comparan con la información geológica de la superficie y los fragmentos o las muestras de núcleos de cualquier perforación de núcleo anterior, para decidir si vale la pena continuar con la exploración adicional. En caso de que los resultados de la prospección apunten hacia una mayor exploración, la información se basará en las actividades de perforación. Dado que, para empezar, el estudio geofísico normalmente se realiza desde el aire, la información de los estudios de superficie se compara y se agrega al mapeo aéreo.

Las técnicas e instrumentación geofísica actuales, los métodos de muestreo, los procedimientos de perforación y algunos métodos de investigación geológica aplicables al mineral de hierro se describen a continuación. La geofísica, aplicada a las exploraciones de mineral de hierro, es principalmente una herramienta de reconocimiento que proporciona información que posteriormente debe complementarse con mapeo geológico, estudios petrográficos, perforación y evaluación de análisis de mineral y pruebas de tratamiento. Las técnicas geofísicas utilizadas en la búsqueda de minerales de hierro, como en la mayoría de los mapas geofísicos, se basan en la presencia de contrastes mensurables de propiedades físicas entre los minerales del mineral y las rocas circundantes. Las propiedades físicas utilizadas principalmente son el magnetismo (tanto permanente como inducido) y la densidad. Los métodos eléctricos (incluidos la polarización y el electromagnetismo) y los estudios sísmicos se utilizan a veces junto con estudios magnéticos o de gravedad para obtener una mejor definición de los cuerpos minerales.

Magnetómetros

Los magnetómetros modernos tienen mayor sensibilidad y conveniencia de operación. Debido a que, desde la década de 1950, han eliminado otros métodos como la aguja de inmersión y la superinmersión del uso práctico en la exploración de mineral de hierro. Los magnetómetros han pasado por varias etapas sucesivas de desarrollo. Las principales formas que se conocen, en el orden de su concepción, son los magnetómetros de equilibrio, de torsión y de puerta de flujo, seguidos en los últimos años por los magnetómetros que fueron concebidos y desarrollados en el campo de la física atómica. Estos últimos instrumentos incluyen los magnetómetros de vapor de rubidio, de precesión de protones y de absorción óptica.

Los magnetómetros se utilizan para determinar la fuerza del campo magnético terrestre o su componente vertical en un lugar determinado. El campo de la tierra es muy débil, oscilando entre alrededor de 0,7 oersted en los polos magnéticos y alrededor de 0,25 oersted en algunos puntos del ecuador magnético. En los estudios geomagnéticos, la intensidad del campo se mide en una unidad mucho más pequeña que el oersted, que es la gamma (igual a 0,00001 oersted). La forma del campo magnético de la tierra no es uniforme, pero muestra irregularidades regionales a gran escala debido a variaciones en la forma y composición de la corteza y el manto superior de la tierra. Las variaciones en una escala más pequeña resultan de perturbaciones magnéticas causadas por concentraciones de material magnético cerca de la superficie y son estas variaciones locales las que se buscan cuando se buscan minerales de hierro.

Topografía magnética

El estudio magnético mide las variaciones en el campo magnético terrestre causadas por las propiedades magnéticas de las formaciones rocosas del subsuelo. El magnetómetro aerotransportado es la principal herramienta geológica utilizada en la búsqueda de minerales de hierro y materiales que contienen hierro en grandes áreas. El método para realizar un estudio magnético aerotransportado consiste en instalar una compuerta de flujo o un magnetómetro de precisión de protones en un avión que atraviesa el área objetivo a una altitud fija y a lo largo de líneas de vuelo predeterminadas. El magnetómetro mide la magnitud del campo magnético terrestre. Los datos se registran electrónicamente junto con la posición del avión y su altitud. En los últimos años, hay mejoras en la calidad de los levantamientos debido a los refinamientos en los equipos que incluyen mayor sensibilidad y simplicidad, registro de datos de múltiples canales, miniaturización de instrumentos y una capacidad de posicionamiento más precisa. Debido a la presentación y registro de los datos en forma digital, las computadoras se utilizan para llevar a cabo la reducción de datos necesaria y los requisitos de trazado necesarios para el análisis y la interpretación. Los datos de estos registros se trazan como un mapa de contorno, con líneas que conectan puntos de igual intensidad magnética en el mapa. Los patrones formados por estas líneas indican áreas donde ocurren anomalías magnéticas (distorsiones locales importantes del campo magnético terrestre). Las áreas indicadas por anomalías en el mapa magnético se investigan luego con mayor detalle mediante estudios geológicos y mediciones de gravedad, estudios electromagnéticos u otras técnicas geofísicas. Estas técnicas geofísicas se dan a continuación.

Los estudios electromagnéticos se basan en las variaciones de la conductividad eléctrica en el macizo rocoso. Se utiliza un transmisor para crear un campo electromagnético alterno primario. La corriente inducida produce un campo secundario en el macizo rocoso. El campo resultante se rastrea y mide, revelando así la conductividad de las masas subterráneas.

Los estudios eléctricos miden el flujo natural de electricidad en el suelo o la corriente galvánica conducida al suelo y controlada con precisión. Los levantamientos eléctricos se utilizan para ubicar depósitos minerales a poca profundidad y mapear estructuras geológicas para determinar la profundidad de la sobrecarga al lecho rocoso o para ubicar el nivel freático.

Los estudios de polarización inducida se llevan a cabo a lo largo de líneas de cuadrícula con lecturas tomadas en electrodos receptores plantados en la tierra y trasladados de una estación a otra. Los electrodos están conectados a un receptor y miden la capacidad de carga (la capacidad de varios minerales para acumular una carga de electricidad) y los efectos de resistividad en la corriente forzada en el suelo y el lecho rocoso.

Los levantamientos gravimétricos miden pequeñas variaciones en el campo gravitatorio causadas por la atracción de las masas rocosas subyacentes. La variación de la gravedad puede deberse a fallas, anticlinales y domos de sal que a menudo se asocian con formaciones petrolíferas. El estudio gravimétrico también se utiliza para detectar minerales de alta densidad como el hierro.

En regiones donde las formaciones rocosas contienen minerales radiactivos, la intensidad de la radiación es considerablemente más alta que el nivel de fondo normal. La medición de los niveles de radiación ayuda a localizar depósitos que contienen minerales asociados con sustancias radiactivas.

Los estudios sísmicos se basan en las variaciones de la velocidad del sonido experimentadas en diferentes estratos geológicos. Se mide el tiempo que tarda el sonido en viajar desde una fuente en la superficie, a través de las capas subyacentes y de nuevo a uno o más detectores colocados a cierta distancia en la superficie. La fuente del sonido puede ser el golpe de un mazo, un peso pesado caído, un vibrador mecánico o una carga explosiva. El estudio sísmico determina la calidad del lecho rocoso y puede ubicar la superficie de contacto de las capas geológicas o de un depósito mineral compacto en el suelo.

En el caso de los minerales de hierro, el estudio magnético detallado de las áreas anómalas puede involucrar el uso de un magnetómetro en un helicóptero, o levantamientos terrestres empleando magnetómetros de mano u otros magnetómetros portátiles. Se ha utilizado una nueva técnica de prospección electromagnética conocida como AFMAG (magnético de frecuencia de audio) en áreas donde se han detectado anomalías magnéticas para intentar diferenciar entre depósitos enterrados de vidrio volcánico o intrusivos que contienen hierro de bajo grado y depósitos con alta magnetización remanente que representan mineral potencial. cuerpos. El magnetómetro de vapor de rubidio, asimismo, posibilita el rechazo de depósitos no económicos al diferenciar entre depósitos magnéticos, de alta susceptibilidad magnética y conductividad eléctrica, y vidrios volcánicos enterrados y hierros no conductores de bajo grado que contienen intrusivos de baja susceptibilidad que, sin embargo, son capaces de producir anomalías magnéticas atractivas.

Muestreo y perforación

En el período inicial del descubrimiento de mineral de hierro, la mayor parte de la exploración de cuerpos minerales potenciales se realizaba mediante pozos y pozos de prueba. En la actualidad, la correlación y la evaluación de los datos detallados del magnetómetro u otros estudios suele ir seguida de un programa de perforación cuidadosamente elaborado para proporcionar muestras que, a través de estudios geológicos y mineralógicos, establezcan el tipo, la calidad y la extensión del mineral que puede estar presente, y la naturaleza y cantidad de sobrecarga o formaciones rocosas asociadas con el mineral.

Actualmente se presta una atención considerable a la mejora de los métodos de perforación de núcleos para proporcionar mejores muestras. La muestra de perforación más completa e inalterada posible a un costo razonable es el objetivo final. Las perforadoras de diamante se emplean especialmente en formaciones duras. Se ha adoptado el uso de lodos de perforación con brocas diamantinas cuando se desean muestras de la más alta calidad de material con bandas alternativamente duras y blandas. Las perforadoras rotatorias de fondo y las perforadoras de circulación inversa de varios tipos pueden proporcionar una velocidad de penetración rápida con una recuperación de muestra satisfactoria en algunas aplicaciones de muestreo. La perforación con cable se emplea en aproximadamente la mitad de las operaciones de perforación de testigos en algunas partes del mundo. La evaluación estadística de los resultados de la perforación de exploración se realiza para proporcionar guías para la planificación de programas de perforación, especialmente con respecto al espaciamiento más económico de los pozos y el grado más deseable de recuperación del núcleo que brindaría un muestreo adecuado al menor costo.

La siguiente y más costosa parte de la secuencia de exploración es la perforación. Para un perforador, todos los demás métodos de exploración son como andarse por las ramas. La perforación penetra profundamente en el suelo y saca muestras de todo lo que encuentra en su camino. Si hay alguna mineralización en puntos dados muy por debajo de la superficie, la perforación puede dar una respuesta directa y puede cuantificar su presencia en ese punto en particular. Los gastos de perforación comprenden aproximadamente la mitad de los costos totales de exploración. Hay dos métodos principales de perforación exploratoria, a saber, la perforación de núcleo y la perforación de percusión.

La perforación del núcleo produce una muestra sólida en forma de cilindro del suelo a una profundidad exacta. La perforación por percusión produce una muestra triturada, que comprende recortes de una profundidad bastante bien determinada en el pozo. Más allá de eso, el pozo de perforación en sí mismo puede proporcionar una cantidad complementaria de información, particularmente mediante el registro mediante dispositivos para detectar anomalías físicas, similares a los estudios geofísicos mencionados anteriormente.

La perforación de testigos se utiliza para definir el tamaño y los límites exactos de la mineralización. Esto es importante para determinar las leyes del mineral que se maneja y vital para calcular las reservas del mineral. Una perforación de núcleo subterránea estratégicamente ubicada también puede cruzar nuevos cuerpos minerales en el vecindario. El núcleo es una muestra intacta de la geología subterránea, que se puede examinar a fondo para determinar la naturaleza exacta de la roca y cualquier mineralización. Las muestras de especial interés se envían a un laboratorio para su análisis para revelar el contenido de hierro en el mineral.

Los núcleos de la perforación de exploración se almacenan en cajas especiales y se mantienen en archivos durante un largo período de tiempo. Los recuadros están marcados para identificar de qué orificio ya qué profundidad se tomó la muestra. La información recopilada por la perforación de núcleos es importante.

Para obtener información geológica rápida a menor costo, a veces se utilizan métodos de circulación inversa. En lugar de muestras de núcleo, el geólogo tiene acceso a recortes de perforación (virutas) en toda la longitud del pozo que se verifican y mapean para determinar el contenido mineral después de los análisis de laboratorio. La perforación con circulación inversa se está volviendo popular rápidamente para aplicaciones de perforación de superficie. Los equipos en el método de circulación inversa se montan en camiones y se restringen a terrenos accesibles y mejores condiciones de carretera en comparación con los equipos de perforación de extracción de muestras, que se desmontan fácilmente. 

De la prospección a la minería

Para la cuantificación de la mineralización y para definir la forma, el tamaño y el contenido de metal del depósito, se necesita un procedimiento paso a paso en las actividades de exploración. En cada paso del procedimiento, se examina la información disponible para decidir si es necesario continuar con los esfuerzos de exploración. El objetivo es estar bastante seguro de que el depósito es económicamente viable proporcionando un conocimiento detallado de la geología del depósito. El mineral es un concepto económico, definido como una concentración de minerales, que puede explotarse económicamente y convertirse en un producto vendible.

Antes de que un depósito mineral pueda ser etiquetado como cuerpo mineralizado, se requiere un conocimiento completo sobre la mineralización, la tecnología minera propuesta y los métodos de procesamiento. Los impactos ambientales de la minería y el procesamiento de minerales deben estudiarse cuidadosamente y necesitan aprobación. Un requisito previo para invertir en la operación minera es la confianza necesaria para la rentabilidad sostenida durante un largo período de tiempo. En esta etapa, se lleva a cabo un estudio de factibilidad integral que cubre los requisitos de capital, el rendimiento de la inversión, el período de recuperación y otros elementos esenciales. Con base en toda la documentación geológica y el estudio, la organización minera obtiene una buena idea de cómo explotar el depósito.