铁矿床的地质、勘探和勘探

铁矿床的地质、勘探和勘探

铁自古以来就为人所知。铁作为主要成分或微量存在于岩石圈中。它的丰度仅次于氧、硅和铝，排名第四。

铁矿石的地质年代形成范围广，地理分布范围广。这些矿石存在于地壳中已知最古老的岩石中，年龄超过 25 亿年，以及随后不同时代形成的岩石中。事实上，今天铁矿石甚至在铁氧化物沉淀的区域形成。

全世界已知有数千个铁矿。它们的大小从几吨到几亿吨不等。铁矿床分布在世界不同地区，地质条件各异，地质构造各异。最大的矿石集中在前寒武纪的带状沉积铁地层中。这些地层构成了世界铁矿石资源的主体。

铁矿石存在于火成岩、变质岩或沉积岩中的各种地质​​环境中，或作为各种原生含铁材料的风化产物。铁矿石可以分为相似的地质产状、成分和结构类型。以下是根据矿床成因和地质环境的简化分类。显示了铁矿的主要赋存方式，说明了铁矿床的不同地质条件。

• 火成岩 - 这些铁矿床是由液态岩石材料结晶形成的，可能是含重铁矿物晶体在结晶形成富铁浓度时沉淀的层状矿床，或者是显示与他们的围岩的侵入关系。这些矿床呈板状或不规则状，主要由磁铁矿和不同数量的赤铁矿组成。火成矿石通常铁含量高，磷或钛含量通常高。
• 接触矿石 - 在火成岩和沉积岩之间的接触处或附近形成的铁矿床通常由磁铁矿和赤铁矿以及伴生的碳酸盐和黄铁矿组成。矿床通常以不规则或板状置换体形式存在于沉积岩中。
• 热液矿——这些是由热溶液形成的铁矿床，热溶液输送铁并用铁矿物取代化学成分有利的岩石，形成不规则的矿体。在这些矿床中，铁通常以菱铁矿 (FeCO3) 的形式出现，有时也以氧化物的形式出现。
• 沉积矿石 - 这些是 (i) 层状矿石、(ii) 菱铁矿矿石、(iii) 砂矿或 (iv) 沼泽铁矿石。 “层状铁矿石”通常由赤铁矿、菱铁矿、硅酸铁的卵石组成，或者较少见的褐铁矿在菱铁矿、方解石或硅酸盐的基质中组成。这些矿石具有与其他沉积岩相关的广泛地理分布，并且通常具有相当高的磷含量。矿石可能是自熔的。 “菱铁矿”由与页岩相关的菱铁矿床或菱铁矿结核组成。它们在煤系中很常见，通常被称为粘土铁矿石或黑带铁矿石。这些矿石通常含有伴生的硫化物，并且通常具有相当高的硫和磷含量。氧化铁在致密时通常能抵抗风化和侵蚀，并且在有利条件下可能形成“砂矿”，在少数情况下构成铁矿石。砂矿沉积物作为铁的来源并不重要。 “沼泽铁矿石”出现在许多沼泽地区。它们通常以深棕色、细胞团或褐铁矿颗粒或细颗粒的形式出现。这些矿石在商业上早已不再重要。
• 变质铁地层——包括变质层状铁质岩石，通常由细粒石英和氧化铁的交替薄层组成。铁通常以磁铁矿或赤铁矿的矿物形式存在，以及少量的硅酸铁和碳酸铁。基本上所有的前寒武纪沉积铁地层都是这种类型。变质类型还包括那些矿石的原始形式已被广泛重结晶所掩盖的类型。其中一些铁地层在经济上与铁矿石一样重要，因为它们易于通过细磨和主要通过磁性方法浓缩矿石矿物进行选矿。
• 残余矿石——这些矿石通常是岩石表面风化的产物，但也可能包括通过热液氧化和浸出形成的矿石。这种类型的矿石在前寒武纪铁地层中通过浸出二氧化硅广泛形成，二氧化硅通常占岩石的 50% 以上。氧化将碳酸铁、硅酸盐矿物和磁铁矿变成赤铁矿或褐铁矿。

一个地区已知存在的潜在铁矿石称为铁矿石资源。已查明的资源包括储量和其他在未来经济条件下可能对开采有利可图的含铁材料。已识别资源是指其位置、品位、质量和数量已知或根据特定地质证据估计的资源。已识别资源包括经济、边际经济和次经济成分，根据地质确定性的程度，这些经济部门中的每一个都可以进一步细分为测量的、指示的和推断的。储量定义为在确定时可以经济开采的资源。

现有铁矿的开采是采矿作业中较容易的部分。较难的部分是寻找新矿床并确定其范围和铁含量（品位）。勘探是在地壳中发现铁矿石矿物积累的过程。在完成建立采矿作业所需的大量投资之前，采矿组织要确保矿床在经济上是可行的，并且它拥有大量的矿石，可以确保在足够长的时间内进行矿石生产。即使在生产开始后，也有必要定位和描绘矿化的任何延伸，并寻找可能取代正在开采的储量的新前景。调查扩展和寻找新矿床是采矿组织的重要活动。

勘探涉及在一个地区寻找矿藏，以期开采该地区以获取利润。换句话说，将矿床转化为矿床。勘探一个地区的地质学家正在通过观察颜色、形状或岩石成分的不规则性来寻找矿物的表面暴露。他的经验告诉他该往哪里看，才能获得最大的成功机会。

勘探虽然听起来与勘探相似，但它是用于对矿床进行系统检查的术语。 .确定勘探转变为勘探的点并不容易。选择一个有趣的区域后，申请勘探许可证。勘探活动开始前需要得到官员的批准。

与勘探和勘探有关的活动

与勘探和勘探有关的活动的第一步是对历史和现有数据进行审查，特别是来自关闭的矿山和岩心样本以及可从早期勘探中获得的其他相关信息。这可以大大节省新活动所需的时间和金钱。区域勘探最便宜的阶段之一是准备全面、详细和准确的地质图，通常从基本仪器开始，例如卷尺和指南针。通过使用航空照片来帮助定位露头、主要断层带和基本地形控制，可以提高准确性。每一步都增加了一些成本，但也提高了生成地图的准确性和细节。

探矿者无法进入被土壤覆盖的土地，他们首先寻找矿化的露头。在土地覆盖由浅层冲积物构成的地方，通常在矿化区挖沟以露出基岩。

探矿者识别发现，测量宽度和长度，并估计矿化区域。来自沟槽的样品在实验室进行分析。即使可以在地表发现矿物，确定深度的任何延伸也是一个合格的猜测问题。如果探矿者的发现和他关于可能存在矿床的理论是可靠的，那么下一步就是探索周围的土地。

勘探是一个涵盖地球物理学、地球化学以及最终成本更高的活动的术语，即钻入地下以从任何深度获取样本。图 1 显示了一个矿床勘探和勘探的一般活动顺序。有效的勘探依赖于日益复杂的地图制作，用于规划目的和进入路线，用于地质、地球物理、地球化学和结构测绘。今天，详细的航空地形图可以为勘探者提供基本信息，以确定在哪里可以找到具有良好矿床潜力的区域。

图 1 矿床勘查勘探的一般活动顺序 

地球物理勘探

自 1950 年代引入后，航空地球物理调查已成为地球物理勘探中常用的第一步。可在短时间内有效覆盖大面积区域。最常见的航空地球物理地图是磁力计地图，它以高精度记录地球磁场的变化。在航空物探中，高度和间距的优化选择以及仪器的选择是很重要的。

基于岩石和含铁矿物的物理特性，如磁性、重力、电导率、放射性和声速，从地表开始，使用不同的地球物理方法来探索地下地层。通常在一项调查中结合使用两种或多种方法，以获得更可靠的数据。调查结果被汇编，并与来自任何先前岩心钻探的地表和碎片或岩心样品的地质信息相匹配，以确定是否值得继续进行进一步勘探。如果调查结果指向进一步勘探，则信息形成钻井活动的基础。由于地球物理调查通常从空中开始，因此将来自地面调查的信息进行比较并添加到机载测绘中。

下文描述了适用于铁矿石的当前地球物理技术和仪器、取样方法、钻井程序和一些地质调查方法。应用于铁矿石勘探的地球物理学主要是一种侦察工具，它提供的信息随后必须通过地质填图、岩相学研究、钻探以及矿石分析和处理测试的评估来补充。与大多数地球物理测绘一样，用于寻找铁矿石的地球物理技术是基于矿石矿物和周围岩石之间物理特性的可测量对比的存在。主要使用的物理特性是磁性（永久和感应）和密度。有时将电学方法（包括极化和电磁学）和地震研究与磁力或重力勘测结合使用，以获得更好的矿体定义。

磁力计

现代磁力计具有更高的灵敏度和操作方便性。因为它，自 1950 年代以来，他们在铁矿石勘探的实际应用中淘汰了浸针和超浸等其他方法。磁力计已经经历了几个连续的发展阶段。已知的主要形式，按其概念的顺序，是平衡型、扭转型和磁通门磁力计，随后是近年来在原子物理学领域构思和发展的磁力计。后者的仪器包括铷蒸气、质子进动和光吸收磁强计。

磁力计用于确定给定位置的地球磁场或其垂直分量的强度。地球的磁场非常微弱，从磁极的约 0.7 奥斯特到磁赤道上某些点的约 0.25 奥斯特不等。在地磁研究中，场强的测量单位比奥斯特小得多，奥斯特是伽马（等于 0.00001 奥斯特）。地球磁场的形状并不均匀，但由于地壳和上地幔的形状和成分的变化，呈现出大范围的区域不规则性。较小尺度的变化是由靠近地表的磁性材料浓度引起的磁扰动引起的，在寻找铁矿石时，正是这些局部变化。

磁测量

磁测量测量由地下岩层的磁性引起的地球磁场变化。机载磁力计是大面积寻找铁矿石和含铁材料的主要地质工具。进行机载磁测量的方法是在飞机上安装磁通门或质子精密磁力计，飞机以固定高度并沿预定飞行路线穿越目标区域。磁力计测量地球磁场的大小。数据连同飞机的位置和高度以电子方式记录下来。近年来，由于设备的改进，包括更高的灵敏度和简单性、多通道数据记录、仪器的小型化和更准确的定位能力，调查质量有所提高。由于数据以数字形式呈现和记录，因此计算机用于执行分析和解释所需的必要数据缩减和绘图要求。来自这些记录的数据被绘制为等高线图，在地图上用线连接相同磁场强度的点。这些线形成的图案表示发生磁异常（地球磁场的主要局部扭曲）的区域。然后通过地质调查和重力测量、电磁研究或其他地球物理技术更详细地研究磁图上异常指示的区域。下面给出这些地球物理技术。

电磁勘测基于岩体中电导率的变化。发射器用于产生初级交变电磁场。感应电流在岩体中产生二次场。对所得场进行跟踪和测量，从而揭示地下物质的电导率。

电力测量测量地面中的自然电流，或引入地面并精确控制的电流。电测用于定位浅层矿床和绘制地质结构图，以确定覆盖层至基岩的深度，或定位地下水位。

感应极化调查是沿着网格线进行的，其读数是在种植在地球上并从一个站移动到另一个站的接收电极上获取的。电极与接收器相连，测量带电性（各种矿物产生电荷的能力）和电阻率对强制进入地面和基岩的电流的影响。

重力测量测量由下伏岩体的拉动引起的重力场的微小变化。重力的变化可能是由通常与含油地层相关的断层、背斜和盐丘引起的。重力测量也用于检测铁矿石等高密度矿物。

在岩层中含有放射性矿物的地区，辐射强度大大高于正常的背景水平。测量辐射水平有助于定位含有与放射性物质相关的矿物质的矿床。

地震勘测是基于在不同地质层中经历的声速变化。测量声音从表面上的源传播、穿过底层并再次到达放置在表面上一定距离处的一个或多个检测器的时间。声音的来源可能是大锤的打击、坠落的重物、机械振动器或炸药。地震勘测决定了基岩的质量，可以定位地质层的接触面，或地下致密矿床的接触面。

在铁矿石的情况下，异常区域的详细磁力研究可能涉及在直升机上使用磁力计，或使用手持或其他便携式磁力计进行地面调查。一种称为 AFMAG（音频磁学）的新电磁勘探技术已被用于已检测到磁异常的区域，以试图区分埋藏的火山玻璃或低品位含铁侵入物沉积物和代表潜在矿石的具有高剩余磁化强度的沉积物身体。同样，铷蒸气磁力计通过区分磁性沉积物、高磁化率和导电性，以及埋藏的火山玻璃和低磁化率的低品位非导电含铁侵入物，使得剔除非经济沉积物成为可能。产生有吸引力的磁异常。

取样和钻孔

在铁矿发现初期，潜在矿体的勘探大多通过试坑和竖井进行。如今，对来自磁力计或其他调查的详细数据进行关联和评估后，通常会进行精心制定的钻探计划，以提供样品，通过地质和矿物学研究，确定可能存在的矿石的种类、质量和范围，以及与矿石有关的上覆地层或岩层的性质和数量。

这些天来，人们对改进取芯方法以提供更好的样品给予了相当大的关注。最终目标是尽可能以合理的成本获得最完整和不受干扰的钻探样本。金刚石钻头特别用于硬地层。在需要从交替的硬质和软质带状材料中获得最高质量的样品的情况下，已采用带有金刚石钻头的钻井泥浆。在某些采样应用中，几种类型的旋转井下钻机和反循环钻机可以提供快速的穿透率和令人满意的样品回收率。在世界某些地区，大约一半的岩心钻探作业都采用了钢丝绳钻探。对勘探钻井结果的统计评估旨在为规划钻井计划提供指导，特别是关于最经济的钻孔间距和最理想的岩心回收程度，以最低的成本提供足够的采样。

勘探序列的下一个也是最昂贵的部分是钻井。对于司钻来说，所有其他的勘探方法都像是拐弯抹角。钻探深入地下，并带出它在途中发现的任何东西的样本。如果在地表以下的给定点有任何矿化，钻探可以给出一个直接的答案，并可以量化它在该特定点的存在。钻井开支约占总勘探成本的一半。勘探钻井主要有两种方法，即取芯钻井和冲击钻井。

岩心钻探在精确深度处产生实心圆柱状地面样品。冲击钻孔产生破碎的样品，包括来自孔中相当确定深度的岩屑。除此之外，钻孔本身可以提供补充信息量，特别是通过使用设备进行记录以检测物理异常，类似于上面提到的地球物理调查。

岩心钻探用于确定矿化的大小和确切边界。这对于确定所处理的矿石品位很重要，对于计算矿石储量也很重要。战略性地布置的地下岩心钻探也可以与附近的新矿体相交。岩心是地下地质的完整样本，可以对其进行彻底检查，以确定岩石的确切性质和任何矿化。特别感兴趣的样品被送到实验室进行分析，以揭示矿石中铁的含量。

勘探钻探的岩心存放在特殊的盒子中，并长期保存在档案中。盒子被标记以识别样品是从哪个孔以及在什么深度采集的。取芯采集的信息很重要。

为了以较低的成本快速获取地质信息，有时会使用逆循环方法。地质学家可以访问整个钻孔长度的钻屑（碎片），而不是岩心样本，这些钻屑在实验室分析后会检查并绘制矿物含量图。反循环钻孔在地面钻孔应用中迅速流行。与易于拆卸的取芯钻设备相比，反循环方法中的钻机安装在卡车上，仅限于可到达的地形和更好的路况。 

从勘探到采矿

为了量化矿化，以及确定矿床的形状、大小和金属含量，勘探活动需要逐步进行。在程序的每一步，都会检查手头的信息，以决定是否需要继续进行勘探工作。目的是通过提供有关矿床地质的详细知识，相当确定该矿床在经济上是可行的。矿石是一个经济概念，定义为矿物的集中，可以经济地开采并转化为可销售的产品。

在将矿床标记为矿体之前，需要全面了解矿化、建议的采矿技术和加工方法。采矿和矿物加工的环境影响需要仔细研究，并且需要批准。投资采矿业务的先决条件是长期持续盈利所需的信心。在此阶段，将进行全面的可行性研究，涵盖资本要求、投资回报、投资回收期和其他基本要素。根据所有地质文件和研究，采矿组织对如何开采矿床有了一个很好的了解。