Geología y exploración de mineral de hierro: estrategias probadas para el éxito en la prospección

Geología, prospección y exploración de yacimientos de mineral de hierro

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

Los minerales de hierro tienen una amplia gama de formación en 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 2.500 millones de años, así como en rocas formadas en varias edades subsiguientes. De hecho, los minerales de hierro se están formando incluso hoy en áreas donde los óxidos de hierro están precipitándose.

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 yacimientos de mineral de hierro están distribuidos en diferentes regiones del mundo bajo condiciones geológicas variadas y en diferentes formaciones geológicas. La mayor concentración de mineral se encuentra en formaciones ferríferas sedimentarias en bandas (banded sedimentary iron formations) de edad precámbrica. Estas formaciones constituyen la mayor parte de los recursos de mineral de hierro del mundo.

Clasificación de los minerales de hierro según génesis y ambiente geológico

Los minerales de hierro ocurren en una amplia variedad de ambientes geológicos en rocas ígneas, metamórficas o sedimentarias, o como productos de intemperismo de diversos materiales primarios portadores de hierro. Los minerales de hierro pueden agruparse en tipos de ocurrencia geológica, composición y estructura similares. La siguiente es una clasificación simplificada basada en la génesis de los yacimientos y el ambiente geológico. Muestra los principales modos de ocurrencia de los minerales de hierro así como ilustra la geología variada de los yacimientos de mineral de hierro.

• Minerales ígneos (Igneous ores): Estos yacimientos de mineral de hierro se forman por cristalización a partir de materiales rocosos líquidos, ya sea como yacimientos de tipo estratificado que posiblemente son el resultado de cristales de minerales pesados portadores de hierro sedimentándose al cristalizar para formar concentraciones ricas en hierro, o como yacimientos que muestran relación intrusiva con sus rocas de encajante. Estos yacimientos son ya sea tabulares o irregulares y están compuestos en gran parte de magnetita con cantidades variables de hematita. Los minerales ígneos suelen ser altos en contenido de hierro y a menudo altos en contenido de fósforo o titanio.
• Minerales de contacto (Contact ores): Yacimientos 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 yacimientos suelen estar en las rocas sedimentarias como cuerpos de reemplazo irregulares o tabulares.
• Minerales hidrotermales (Hydrothermal ores): Estos son yacimientos 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 de mineral irregulares. En estos yacimientos, el hierro a menudo ocurre como siderita (FeCO₃) o a veces como óxidos.
• Minerales sedimentarios (Sedimentary ores): Estos son (i) minerales en capas (bedded ores), (ii) minerales de siderita, (iii) minerales de placer, o (iv) minerales de hierro de turbera (bog iron ores). Los "minerales de hierro en capas" (bedded iron ores) a menudo están compuestos de oolitas de hematita, siderita, silicato de hierro o, menos comúnmente, 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 auto-fundentes (self-fluxing). Los "minerales de siderita" consisten en capas de siderita o nódulos de siderita asociados con lutitas. Son comunes en las medidas de carbón y a menudo se denominan piedras de hierro arcillosas (clay ironstones) o piedras de hierro de banda negra (black band ironstones). Estos minerales usualmente contienen sulfuros asociados y a menudo tienen un contenido de azufre y fósforo bastante alto. Los óxidos de hierro, cuando son compactos, son usualmente resistentes a la intemperismo y erosión y bajo condiciones favorables pueden formar "yacimientos de placer" (placer deposits) que, en unas pocas instancias, constituyen minerales de hierro. Los yacimientos de placer son de importancia menor como fuentes de hierro. Los "minerales de hierro de turbera" (bog iron ores) ocurren en muchas áreas pantanosas. Ocurren normalmente como masas marrones oscuras, celulares, o partículas granulares o finas de limonita. Estos minerales han dejado hace mucho de ser de importancia comercial.
• Formaciones ferríferas metamorfoseadas (Metamorphosed iron formations): Estas incluyen las rocas ferríferas en capas metamorfoseadas compuestas usualmente de capas delgadas alternadas de cuarzo de grano fino y óxidos férricos. El hierro está normalmente presente en la forma mineral de magnetita o hematita, junto con cantidades menores de silicatos de hierro y carbonatos de hierro. Esencialmente todas las formaciones ferríferas sedimentarias precámbricas son de este tipo. Los tipos metamorfoseados también incluyen aquellos en los que la forma original de los minerales ha sido oscurecida por recristalización extensiva. Algunas de estas formaciones ferríferas son importantes económicamente como minerales de hierro debido a su amenabilidad a la beneficio por molienda fina y por concentración de los minerales de mineral principalmente por métodos magnéticos.
• Minerales residuales (Residual ores): Estos minerales son usualmente productos de la intemperismo superficial de rocas pero pueden incluir minerales formados por oxidación e lixiviación hidrotermal. Los minerales de este tipo se formaron extensamente en formaciones ferríferas precámbricas por lixiviación de sílice, que comúnmente constituía en exceso del 50 % de la roca. La oxidación cambió el carbonato de hierro, minerales de silicato, y magnetita a hematita o limonita.

Recursos y reservas de mineral de hierro

El mineral de hierro potencial conocido que existe en un área se llama recurso de mineral de hierro. Los recursos identificados incluyen tanto reservas como otros materiales portadores de hierro que pueden volverse rentables de minar bajo condiciones económicas futuras. Los recursos identificados son aquellos cuya ubicación, ley, calidad y cantidad son conocidos o estimados a partir de evidencia geológica específica. Los recursos identificados incluyen componentes económicos, marginalmente económicos y sub-económicos, y dependiendo del grado de certeza geológica, cada una de estas divisiones económicas puede subdividirseさらに en medidos, indicados e inferidos. Las reservas se definen como aquellos recursos que pueden minarse económicamente en el momento de su determinación.

Exploración y prospección

La explotación de un yacimiento de mineral de hierro existente es la parte más fácil de las operaciones mineras. La parte más difícil es encontrar nuevos yacimientos y definir su extensión y el contenido de hierro (ley). La exploración es el proceso por el cual las acumulaciones de minerales de mineral de hierro pueden encontrarse en la corteza terrestre. Antes de que se realicen las fuertes inversiones requeridas para establecer una operación minera, la organización minera debe asegurar que el yacimiento es económicamente viable y tiene cantidades de mineral que asegurarán la producción de mineral durante un período de tiempo suficientemente largo. Incluso después de que comience la producción, es necesario localizar y delimitar cualquier extensión de la mineralización, y buscar nuevos prospectos que puedan reemplazar las reservas que se están minando. Investigar extensiones y buscar nuevos yacimientos son actividades vitales para una organización minera.

La prospección implica buscar un área en busca de yacimientos minerales con la vista a minarlos con ganancia. En otras palabras, transformar el yacimiento mineral en un yacimiento de mineral. Un geólogo que prospecciona un área busca exposición superficial de minerales, observando irregularidades en color, forma o composición de roca. Su experiencia le dice dónde buscar, para tener las mayores posibilidades de éxito.

La exploración, aunque suena similar a la prospección, es el término usado para el examen sistemático de un yacimiento de mineral. No es fácil definir el punto donde la prospección se convierte en exploración. Después de que se elige un área interesante, se hace una solicitud de permiso de exploración. La aprobación de los funcionarios es necesaria antes de que las actividades de exploración puedan comenzar.

Actividades relacionadas con la prospección y exploración

El primer paso en las actividades relacionadas con la prospección y exploración es realizar una revisión de datos históricos y existentes, especialmente de minas cerradas y muestras de testigo (core samples) y otra información relevante disponible de exploraciones anteriores a las que se puede acceder. Esto puede resultar en grandes ahorros en tiempo y dinero requeridos para nuevas actividades. Una de las fases más baratas de la exploración de área es la preparación de un mapa geológico comprehensivo, detallado y preciso, que a menudo comienza con instrumentos básicos como cinta y brújula. La precisión puede mejorarse usando fotos aéreas para ayudar a localizar afloramientos (outcrops), zonas de falla mayores y control topográfico básico. Cada paso añade algunos costos más, pero también mejora la precisión y los detalles del mapa resultante.

La tierra que está cubierta de suelo es inaccesible al prospector, que primero busca un afloramiento de la mineralización. Donde la cobertura del terreno comprende una capa somera de material aluvial, usualmente se excavan zanjas a través del área mineralizada para exponer el lecho rocoso (bedrock).

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

La exploración es un término que abarca geofísica, geoquímica, y finalmente las actividades más costosas, es decir, perforación en el suelo para obtener muestras de cualquier profundidad. La Fig. 1 muestra la secuencia general de actividades en la prospección y exploración de un yacimiento de mineral. La exploración eficiente depende de la producción de mapas cada vez más sofisticados para propósitos de planificación y rutas de acceso, para mapeo geológico, geofísico, geoquímico y estructural. Hoy en día, mapas topográficos aéreos detallados están disponibles dando al explorador información básica para determinar dónde encontrar áreas con buen potencial de yacimiento de mineral.

Exploración geofísica

Después de su introducción en la década de 1950, los levantamientos geofísicos aerotransportados (airborne geophysical surveys) se han convertido en un primer paso comúnmente usado en la exploración geofísica. Grandes áreas pueden cubrirse efectivamente en un corto período de tiempo. Los mapas aerogeofísicos más comunes son mapas de magnetómetro que registran las variaciones en el campo magnético de la Tierra con alto grado de precisión. La selección óptima de altitud y espaciamiento, así como la elección de instrumentación, son importantes en un levantamiento geofísico aerotransportado.

Desde la superficie, diferentes métodos geofísicos se usan para explorar formaciones subsuperficiales, basados en las propiedades físicas de la roca y minerales portadores de hierro como magnetismo, gravedad, conductividad eléctrica, radiactividad y velocidad del sonido. Dos o más métodos a menudo se combinan en un solo levantamiento, para adquirir datos más confiables. Los resultados de los levantamientos se compilan, y se comparan con información geológica de la superficie y chips o muestras de testigo de cualquier perforación de testigo previa, para decidir si vale la pena proceder con una exploración adicional. En caso de que los resultados del levantamiento apunten hacia una exploración adicional, la información forma la base para las actividades de perforación. Como el levantamiento geofísico normalmente se conduce desde el aire para comenzar, la información de los levantamientos de superficie se compara y se añade al mapeo aerotransportado.

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

Magnetómetros

Los magnetómetros modernos tienen mayor sensibilidad y conveniencia de operación. Desde la década de 1950, han eliminado otros métodos como la aguja de inclinación (dip needle) y super aguja de inclinación (super dip) del empleo práctico en exploración de mineral de hierro. Los magnetómetros han pasado por varias etapas sucesivas de desarrollo. Las formas principales conocidas, en el orden de su concepción, son tipo balanza (balance type), tipo torsión (torsion type) y magnetómetros de compuerta de flujo (flux gate), seguidos en años recientes por magnetómetros que fueron concebidos y desarrollados en el campo de la física atómica. Estos últimos instrumentos incluyen magnetómetros de vapor de rubidio (rubidium vapour), precesión de protón (proton-precession) y absorción óptica (optical absorption).

Los magnetómetros se usan para determinar la fuerza del campo magnético de la Tierra o su componente vertical en una ubicación dada. El campo de la Tierra es muy débil, variando desde aproximadamente 0.7 oersted en los polos magnéticos hasta aproximadamente 0.25 oersted en algunos puntos en el ecuador magnético. En estudios geomagnéticos, la fuerza de campo se mide en una unidad mucho menor que el oersted, que es el gamma (igual a 0.00001 oersted). La forma del campo magnético de la Tierra no es uniforme, sino que muestra irregularidades regionales a gran escala debido a variaciones en la forma y composición de la corteza y manto superior de la Tierra. Variaciones a menor escala 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.

Levantamiento magnético (Magnetic surveying)

El levantamiento magnético mide variaciones en el campo magnético de la Tierra causadas por propiedades magnéticas de formaciones rocosas subsuperficiales. El magnetómetro aerotransportado es la herramienta geológica primaria usada en la búsqueda de minerales de hierro y materiales portadores de hierro en grandes áreas. El método de conducir un levantamiento magnético aerotransportado es instalar un magnetómetro de compuerta de flujo (flux gate) o de precesión de protón (proton precision) en un avión que recorre el área objetivo a una altitud fija y a lo largo de líneas de vuelo predeterminadas. El magnetómetro mide la magnitud del campo magnético de la Tierra. Los datos se registran electrónicamente junto con la posición del avión y su altitud. En años recientes, ha habido mejoras en la calidad de los levantamientos debido a refinamientos en el equipo que incluyen mayor sensibilidad y simplicidad, grabación 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, se usan computadoras para llevar a cabo la reducción de datos necesaria y los requisitos de trazado necesarios para análisis e interpretación. Los datos de estos registros se trazan como un mapa de contorno, con líneas conectando puntos de igual intensidad magnética en el mapa. Los patrones formados por estas líneas indican áreas donde ocurren anomalías magnéticas (distorsiones locales mayores del campo magnético de la Tierra). Las áreas indicadas por anomalías en el mapa magnético son entonces investigadas con mayor detalle por levantamientos geológicos y por mediciones gravimétricas, estudios electromagnéticos u otras técnicas geofísicas. Estas técnicas geofísicas se dan a continuación.

Los levantamientos electromagnéticos se basan en variaciones de conductividad eléctrica en la masa rocosa. Un transmisor se usa para crear un campo electromagnético alternante primario. La corriente inducida produce un campo secundario en la masa rocosa. El campo resultante se traza y mide, revelando así la conductividad de las masas subterráneas.

Los levantamientos eléctricos miden ya sea el flujo natural de electricidad en el suelo, o corriente galvánica llevada al suelo y controlada con precisión. Los levantamientos eléctricos se usan para localizar yacimientos minerales a poca profundidad y mapear estructuras geológicas para determinar la profundidad del sobrecarga (overburden) a lecho rocoso, o para localizar la tabla de agua subterránea.

Los levantamientos de polarización inducida (induced polarization surveys) se conducen a lo largo de líneas de cuadrícula con lecturas tomadas en electrodos receptores plantados en la tierra y movidos de estación a estación. Los electrodos están conectados a un receptor y miden la cargabilidad (la capacidad de varios minerales para acumular una carga de electricidad) y efectos de resistividad en la corriente forzada en el suelo y lecho rocoso.

Los levantamientos gravimétricos (gravimetric surveys) miden pequeñas variaciones en el campo gravitacional causadas por la atracción de masas rocosas subyacentes. La variación en gravedad puede ser causada por fallas, anticlinales y domos de sal que a menudo están asociados con formaciones portadoras de petróleo. El levantamiento gravimétrico también se usa para detectar minerales de alta densidad como mineral de hierro.

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

Los levantamientos sísmicos (seismic surveys) se basan en variaciones de velocidad del sonido experimentadas en diferentes estratos geológicos. Se mide el tiempo para que el sonido viaje desde una fuente en superficie, a través de las capas subyacentes, y de nuevo hasta uno o más detectores colocados a alguna distancia en superficie. La fuente de sonido puede ser el golpe de un martillo, un peso pesado caído, un vibrador mecánico o una carga explosiva. El levantamiento sísmico determina la calidad del lecho rocoso y puede localizar la superficie de contacto de capas geológicas, o de un yacimiento mineral compacto en el suelo.

En el caso de minerales de hierro, el estudio magnético detallado de áreas anómalas puede implicar el uso de un magnetómetro en un helicóptero, o levantamientos de superficie empleando magnetómetros portátiles de mano u otros. Una nueva técnica de prospección electromagnética conocida como AFMAG (magnética de frecuencia de audio) se ha usado en áreas donde se han detectado anomalías magnéticas para intentar diferenciar entre yacimientos enterrados de vidrio volcánico o intrusivos portadores de hierro de baja ley y yacimientos con alta magnetización remanente que representan cuerpos de mineral potenciales. El magnetómetro de vapor de rubidio, asimismo, hace posible el rechazo de yacimientos no económicos al diferenciar entre yacimientos magnéticos, altos en susceptibilidad magnética y conductividad eléctrica, y vidrio volcánico enterrado e intrusivos portadores de hierro de baja ley no conductores de baja susceptibilidad que, sin embargo, son capaces de producir anomalías magnéticas atractivas.

Muestreo y perforación (Sampling and drilling)

En el período temprano de descubrimiento de mineral de hierro, la mayor parte de la exploración de cuerpos de mineral potenciales se hacía por pozos de prueba (test pits) y pozos verticales (shafts). Hoy en día, la correlación y evaluación de los datos detallados de magnetómetro u otros levantamientos suele seguirse de un programa de perforación cuidadosamente elaborado para proporcionar muestras que, a través de estudios geológicos y mineralógicos, establezcan el tipo, calidad y extensión del mineral que puede estar presente, y la naturaleza y cantidad del sobrecarga o formaciones rocosas asociadas con el mineral.

Se presta considerable atención hoy en día para la mejora de los métodos de perforación de testigo (core drilling) para proporcionar mejores muestras. La muestra de testigo más completa e inalterada posible a un costo razonable es el objetivo final. Los taladros de diamante (diamond drills) se emplean especialmente en formaciones duras. El uso de lodos de perforación (drilling muds) con taladros de diamante se ha adoptado donde se desean muestras de la más alta calidad de material alternadamente duro y blando en bandas. Los taladros de fondo rotatorio (rotary down hole drills) y taladros de circulación inversa (reverse circulation drills) de varios tipos pueden proporcionar una tasa rápida de penetración con recuperación de muestra satisfactoria en algunas aplicaciones de muestreo. La perforación con línea de cable (wire line drilling) se emplea en aproximadamente la mitad de las operaciones de perforación de testigo en algunas partes del mundo. La evaluación estadística de los resultados de la perforación de exploración se hace para proporcionar guías para la planificación de programas de perforación, especialmente con respecto al espaciamiento más económico de agujeros y el grado más deseable de recuperación de testigo que proporcionaría 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 otros métodos de exploración son como "dar vueltas alrededor del arbusto" (beating about the bush). La perforación penetra profundo en el suelo y trae muestras de lo que encuentra en su camino. Si hay alguna mineralización en puntos dados muy debajo de la superficie, la perforación puede dar una respuesta directa y puede cuantificar su presencia en ese punto particular. El gasto en perforación comprende aproximadamente la mitad de los costos totales de exploración. Hay dos métodos principales de perforación exploratoria: perforación de testigo (core drilling) y perforación de percusión (percussion drilling).

La perforación de testigo (core drilling) produce una muestra con forma de cilindro sólido del suelo a una profundidad exacta. La perforación de percusión (percussion drilling) produce una muestra triturada, que comprende recortes (cuttings) de una profundidad bastante bien determinada en el agujero. Más allá de eso, el propio agujero de perforación puede proporcionar una cantidad complementaria de información, particularmente por registro (logging) usando dispositivos para detectar anomalías físicas, similar a los levantamientos geofísicos mencionados arriba.

La perforación de testigo se usa para definir el tamaño y los límites exactos de la mineralización. Esto es importante para determinar las leyes de mineral que se manejan, y vital para calcular las reservas del mineral. Una perforación de testigo subterránea estratégicamente colocada también puede intersectar nuevos cuerpos de mineral en la vecindad. El testigo (core) es una muestra intacta de la geología subterránea, que puede examinarse a fondo para la determinación de la naturaleza exacta de la roca y cualquier mineralización. Las muestras de interés especial se envían a un laboratorio para análisis que revelen el contenido de hierro en el mineral.

Los testigos de perforación de exploración se almacenan en cajas especiales y se guardan en archivos por un largo período de tiempo. Las cajas están marcadas para identificar de qué agujero y a qué profundidad se tomó la muestra. La información recopilada por la perforación de testigo es importante.

Para obtener información geológica rápida a menores costos, a veces se usan métodos de circulación inversa. En lugar de muestras de testigo, el geólogo obtiene acceso a recortes de perforación (chips) a lo largo de la longitud del agujero que son verificados y mapeados para contenido mineral después de análisis de laboratorio. La perforación de circulación inversa (reverse circulation drilling) se está volviendo rápidamente popular para aplicaciones de perforación de superficie. Los equipos (rigs) en el método de circulación inversa están montados en camión y restringidos a terreno accesible y mejores condiciones de camino en comparación con el equipo de perforación de testigo, que se desmontan fácilmente.

De la prospección a la minería (From prospecting to mining)

Para la cuantificación de la mineralización, y para definir la forma, tamaño y contenido metálico del yacimiento, se necesita un procedimiento paso a paso en las actividades de exploración. En cada paso del procedimiento, la información a mano se examina, para decidir si se necesita la continuación de los esfuerzos de exploración. El objetivo es estar razonablemente seguro de que el yacimiento es económicamente viable proporcionando un conocimiento detallado de la geología del yacimiento. El mineral es un concepto económico, definido como una concentración de minerales, que puede ser explotado económicamente y convertido en un producto vendible.

Antes de que un yacimiento mineral pueda ser etiquetado como un cuerpo de mineral (ore body), se requiere conocimiento completo sobre la mineralización, tecnología minera propuesta y métodos de procesamiento. Los impactos ambientales de la minería y procesamiento mineral deben ser estudiados cuidadosamente y necesita aprobación. Un requisito previo para invertir en la operación minera es la confianza necesaria para la rentabilidad sostenida sobre un largo período de tiempo. En esta etapa se emprende un estudio de factibilidad comprehensivo cubriendo requisitos de capital, retornos de inversión, período de recuperación y otros esenciales. Basado en toda la documentación geológica y el estudio, la organización minera obtiene una buena idea de cómo minar el yacimiento.