Géologie, prospection et exploration des gisements de minerai de fer

Géologie, prospection et exploration des gisements de minerai de fer

Le fer est connu depuis l'Antiquité. Le fer est omniprésent dans la lithosphère en tant que constituant majeur ou à l'état de traces. En abondance, il se classe au quatrième rang derrière l'oxygène, le silicium et l'aluminium.

Les minerais de fer ont une large gamme de formation dans le temps géologique ainsi qu'une large distribution géographique. Ces minerais se trouvent dans les plus anciennes roches connues de la croûte terrestre, avec un âge supérieur à 2,5 milliards d'années, ainsi que dans des roches formées à divers âges ultérieurs. En fait, des minerais de fer se forment même aujourd'hui dans les zones où les oxydes de fer sont précipités.

Plusieurs milliers d'occurrences de fer sont connues dans le monde. Leur taille varie de quelques tonnes à plusieurs centaines de millions de tonnes. Les gisements de minerai de fer sont répartis dans différentes régions du monde dans des conditions géologiques variées et dans différentes formations géologiques. La plus grande concentration de minerai se trouve dans les formations de fer sédimentaires rubanées d'âge précambrien. Ces formations constituent l'essentiel des ressources mondiales en minerai de fer.

Les minerais de fer se trouvent dans une grande variété d'environnements géologiques dans des roches ignées, métamorphiques ou sédimentaires, ou en tant que produits d'altération de divers matériaux primaires contenant du fer. Les minerais de fer peuvent être regroupés en types d'occurrence, de composition et de structure géologiques similaires. Ce qui suit est une classification simplifiée basée sur la genèse des gisements et l'environnement géologique. Il montre les principaux modes d'occurrence des minerais de fer et illustre la géologie variée des gisements de minerai de fer.

• Minerais ignés - Ces gisements de minerai de fer sont formés par cristallisation à partir de matériaux de roche liquide, soit sous forme de gisements de type stratifié qui sont peut-être le résultat de cristaux de minéraux lourds contenant du fer qui se déposent lors de leur cristallisation pour former des concentrations riches en fer, soit sous forme de gisements qui montrent une relation intrusive avec leurs roches murales. Ces gisements de minerai sont tabulaires ou irréguliers et sont composés en grande partie de magnétite avec des quantités variables d'hématite. Les minerais ignés sont généralement riches en fer et souvent riches en phosphore ou en titane.
• Minerais de contact - Les gisements de minerai de fer formés au contact ou à proximité du contact entre les roches ignées et les roches sédimentaires sont normalement composés de magnétite et d'hématite avec des carbonates et de la pyrite associés. Les gisements de minerai se trouvent généralement dans les roches sédimentaires sous forme de corps de remplacement irréguliers ou tabulaires.
• Minerais hydrothermaux - Ce sont des gisements de minerai de fer formés par des solutions chaudes qui ont transporté du fer et remplacé des roches de composition chimique favorable par des minéraux de fer pour former des corps minéralisés irréguliers. Dans ces gisements, le fer se présente souvent sous forme de sidérite (FeCO3) ou parfois sous forme d'oxydes.
• Minerais sédimentaires - Il s'agit de (i) minerais stratifiés, (ii) minerais de sidérite, (iii) minerais de placers ou (iv) minerais de fer des tourbières. Les «minerais de fer stratifiés» sont souvent composés d'oölites d'hématite, de sidérite, de silicate de fer ou, moins fréquemment, de limonite dans une matrice de sidérite, de calcite ou de silicate. Ces minerais ont une large distribution géographique associée à d'autres roches sédimentaires et ont souvent une teneur en phosphore assez élevée. Les minerais peuvent être auto-fondants. Les « minerais de sidérite » sont constitués de lits de sidérite ou de nodules de sidérite associés à des schistes. Ils sont courants dans les mesures du charbon et sont souvent appelés pierres de fer argileuses ou pierres de fer à bande noire. Ces minerais contiennent généralement des sulfures associés et ont souvent une teneur en soufre et en phosphore assez élevée. Les oxydes de fer, lorsqu'ils sont compacts, sont généralement résistants aux intempéries et à l'érosion et, dans des conditions favorables, peuvent former des «dépôts de placers» qui, dans quelques cas, constituent des minerais de fer. Les gisements de placers sont d'une importance mineure en tant que sources de fer. Les «minerais de fer des tourbières» se trouvent dans de nombreuses zones marécageuses. Ils se présentent normalement sous forme de masses cellulaires brun foncé ou de particules granuleuses ou fines de limonite. Ces minerais ont depuis longtemps cessé d'avoir une importance commerciale.
• Formations de fer métamorphisées - Celles-ci incluent les roches ferrugineuses litées métamorphisées composées généralement de fines couches alternées de quartz à grain fin et d'oxydes ferriques. Le fer est normalement présent sous la forme minérale de magnétite ou d'hématite, avec des quantités moindres de silicates de fer et de carbonates de fer. Pratiquement toutes les formations de fer sédimentaires du Précambrien sont de ce type. Les types métamorphosés comprennent également ceux dans lesquels la forme originale des minerais a été obscurcie par une recristallisation extensive. Certaines de ces formations de fer sont importantes sur le plan économique en tant que minerais de fer en raison de leur capacité à être enrichies par broyage fin et par concentration des minerais principalement par des méthodes magnétiques.
• Minerais résiduels - Ces minerais sont généralement des produits de l'altération superficielle des roches, mais peuvent inclure des minerais formés par oxydation hydrothermale et lixiviation. Les minerais de ce type se sont largement formés dans les formations de fer précambriennes par lessivage de la silice, qui constituait généralement plus de 50 % de la roche. L'oxydation a transformé le carbonate de fer, les minéraux silicatés et la magnétite en hématite ou en limonite.

Le potentiel de minerai de fer connu dans une zone est appelé ressource de minerai de fer. Les ressources identifiées comprennent à la fois les réserves et d'autres matériaux ferrifères qui pourraient devenir rentables à exploiter dans les conditions économiques futures. Les ressources identifiées sont celles dont l'emplacement, la teneur, la qualité et la quantité sont connus ou estimés à partir de preuves géologiques spécifiques. Les ressources identifiées comprennent des composantes économiques, marginalement économiques et sous-économiques, et selon le degré de certitude géologique, chacune de ces divisions économiques peut être subdivisée en mesures, indiquées et inférées. Les réserves sont définies comme les ressources qui peuvent être exploitées économiquement au moment de leur détermination.

L'exploitation du gisement de minerai de fer existant est la partie la plus facile des opérations minières. Le plus difficile est de trouver de nouveaux gisements de minerai et de définir leur étendue et leur teneur en fer (teneur). L'exploration est le processus par lequel les accumulations de minerais de fer peuvent être trouvées dans la croûte terrestre. Avant que les lourds investissements nécessaires à l'implantation d'une exploitation minière ne soient réalisés, l'organisme minier doit s'assurer que le gisement est économiquement viable et qu'il dispose des quantités de minerai qui assureront la production de minerai sur une période de temps suffisamment longue. Même après le début de la production, il est nécessaire de localiser et de délimiter toute extension de la minéralisation et de rechercher de nouveaux prospects susceptibles de remplacer les réserves exploitées. L'étude des extensions et la recherche de nouveaux gisements sont des activités vitales pour une organisation minière.

La prospection consiste à rechercher dans une zone des gisements minéraux en vue de l'exploiter à profit. Autrement dit transformer le gisement minéral en gisement minéral. Un géologue qui prospecte une zone recherche l'exposition en surface des minéraux, en observant des irrégularités de couleur, de forme ou de composition rocheuse. Son expérience lui dit où chercher, pour avoir les meilleures chances de succès.

L'exploration, bien que cela ressemble à la prospection, est le terme utilisé pour l'examen systématique d'un gisement de minerai. . Il n'est pas facile de définir le point où la prospection se transforme en exploration. Après avoir choisi une zone intéressante, une demande de permis d'exploration est faite. L'approbation des autorités est nécessaire avant que les activités d'exploration puissent commencer.

Activités liées à la prospection et à l'exploration

La première étape des activités liées à la prospection et à l'exploration consiste à effectuer un examen des données historiques et existantes, en particulier des mines fermées et des échantillons de carottes et d'autres informations pertinentes disponibles à partir d'une exploration antérieure accessible. Cela peut entraîner de grandes économies de temps et d'argent nécessaires pour de nouvelles activités. L'une des phases les moins chères de l'exploration de la zone est la préparation d'une carte géologique complète, détaillée et précise qui commence souvent avec des instruments de base tels qu'un ruban et une boussole. La précision peut être améliorée en utilisant des photos aériennes pour aider à localiser les affleurements, les principales zones de failles et le contrôle topographique de base. Chaque étape ajoute des coûts supplémentaires, mais améliore également la précision et les détails de la carte résultante.

Les terres recouvertes de sol sont inaccessibles au prospecteur, qui recherche d'abord un affleurement de la minéralisation. Lorsque la couverture terrestre comprend une couche peu profonde de matériau alluvial, des tranchées sont généralement creusées à travers la zone minéralisée pour exposer le substrat rocheux.

Un prospecteur identifie la découverte, mesure à la fois la largeur et la longueur et estime la zone minéralisée. Les échantillons des tranchées sont analysés en laboratoire. Même lorsque des minéraux peuvent être trouvés à la surface, déterminer toute extension en profondeur est une question de conjecture qualifiée. Si les découvertes du prospecteur et sa théorie sur l'existence probable d'un gisement de minerai reposent sur un terrain solide, l'étape suivante consiste à explorer les terres environnantes.

L'exploration est un terme englobant la géophysique, la géochimie et enfin les activités les plus coûteuses, à savoir le forage dans le sol pour obtenir des échantillons à n'importe quelle profondeur. La figure 1 montre la séquence générale des activités de prospection et d'exploration d'un gisement de minerai. Une exploration efficace dépend de la production de cartes de plus en plus sophistiquées à des fins de planification et de voies d'accès, pour la cartographie géologique, géophysique, géochimique et structurelle. Aujourd'hui, des cartes topographiques aériennes détaillées sont disponibles, donnant à l'explorateur des informations de base pour déterminer où trouver des zones avec un bon potentiel de gisement de minerai.

Fig 1 Séquence générale des activités de prospection et d'exploration d'un gisement de minerai 

Exploration géophysique

Après leur introduction dans les années 1950, les levés géophysiques aéroportés sont devenus une première étape couramment utilisée dans l'exploration géophysique. De grandes surfaces peuvent être couvertes efficacement en peu de temps. Les cartes aérogéophysiques les plus courantes sont les cartes magnétométriques qui enregistrent les variations du champ magnétique terrestre avec une grande précision. La sélection optimale de l'altitude et de l'espacement ainsi que le choix de l'instrumentation sont importants dans les levés géophysiques aéroportés.

Depuis la surface, différentes méthodes géophysiques sont utilisées pour explorer les formations souterraines, basées sur les propriétés physiques des minéraux contenant de la roche et du fer telles que le magnétisme, la gravité, la conductivité électrique, la radioactivité et la vitesse du son. Deux ou plusieurs méthodes sont souvent combinées dans une enquête, pour acquérir des données plus fiables. Les résultats des levés sont compilés et mis en correspondance avec les informations géologiques de surface et de copeaux ou d'échantillons de carottes de tout carottage précédent, pour décider s'il vaut la peine de poursuivre l'exploration. Dans le cas où les résultats de l'enquête indiquent une exploration plus approfondie, la base du formulaire d'information pour les activités de forage. Comme les levés géophysiques sont normalement effectués à partir des airs, les informations des levés de surface sont comparées et ajoutées à la cartographie aéroportée.

Les techniques et instruments géophysiques actuels, les méthodes d'échantillonnage, les procédures de forage et certaines méthodes d'investigation géologique applicables au minerai de fer sont décrites ci-dessous. La géophysique, appliquée aux explorations de minerai de fer, est avant tout un outil de reconnaissance qui fournit des informations qui doivent ensuite être complétées par la cartographie géologique, les études pétrographiques, les forages et l'évaluation des analyses de minerai et des essais de traitement. Les techniques géophysiques utilisées dans la recherche de minerais de fer, comme dans la plupart des cartographies géophysiques, sont basées sur la présence de contrastes mesurables de propriétés physiques entre les minerais et les roches environnantes. Les propriétés physiques utilisées principalement sont le magnétisme (permanent et induit) et la densité. Les méthodes électriques (y compris la polarisation et l'électromagnétisme) et les études sismiques sont parfois utilisées en conjonction avec des levés magnétiques ou gravimétriques pour obtenir une meilleure définition des corps minéralisés.

Magnétomètres

Les magnétomètres modernes ont une plus grande sensibilité et une plus grande commodité d'utilisation. Parce que depuis les années 1950, ils ont éliminé d'autres méthodes telles que l'aiguille à immersion et la super immersion de l'emploi pratique dans l'exploration du minerai de fer. Les magnétomètres sont passés par plusieurs étapes successives de développement. Les principales formes connues, dans l'ordre de leur conception, sont les magnétomètres à balancier, à torsion et à grille de flux, suivis ces dernières années par les magnétomètres conçus et développés dans le domaine de la physique atomique. Ces derniers instruments comprennent les magnétomètres à vapeur de rubidium, à précession de protons et à absorption optique.

Les magnétomètres sont utilisés pour déterminer la force du champ magnétique terrestre ou sa composante verticale à un endroit donné. Le champ terrestre est très faible, allant d'environ 0,7 oersted aux pôles magnétiques à environ 0,25 oersted en certains points de l'équateur magnétique. Dans les études géomagnétiques, l'intensité du champ est mesurée dans une unité beaucoup plus petite que l'oersted, qui est le gamma (égal à 0,00001 oersted). La forme du champ magnétique terrestre n'est pas uniforme, mais présente des irrégularités régionales à grande échelle dues aux variations de la forme et de la composition de la croûte et du manteau supérieur de la Terre. Les variations à plus petite échelle résultent des perturbations magnétiques causées par les concentrations de matière magnétique près de la surface et ce sont ces variations locales qui sont recherchées lorsque l'on recherche des minerais de fer.

Levé magnétique

Le levé magnétique mesure les variations du champ magnétique terrestre causées par les propriétés magnétiques des formations rocheuses souterraines. Le magnétomètre aéroporté est le principal outil géologique utilisé dans la recherche de minerais de fer et de matériaux contenant du fer dans de vastes zones. La méthode de réalisation d'un levé magnétique aéroporté consiste à installer une porte de flux ou un magnétomètre de précision à protons dans un avion qui traverse la zone cible à une altitude fixe et le long de lignes de vol prédéterminées. Le magnétomètre mesure l'amplitude du champ magnétique terrestre. Les données sont enregistrées électroniquement avec la position de l'avion et son altitude. Au cours des dernières années, la qualité des levés s'est améliorée grâce aux améliorations apportées à l'équipement, notamment une sensibilité et une simplicité accrues, l'enregistrement de données à canaux multiples, la miniaturisation des instruments et une capacité de positionnement plus précise. En raison de la présentation et de l'enregistrement des données sous forme numérique, des ordinateurs sont utilisés pour effectuer la réduction nécessaire des données et les exigences de tracé nécessaires aux analyses et à l'interprétation. Les données de ces enregistrements sont tracées sous forme de carte de contour, avec des lignes reliant les points d'intensité magnétique égale sur la carte. Les motifs formés par ces lignes indiquent les zones où se produisent des anomalies magnétiques (distorsions locales majeures du champ magnétique terrestre). Les zones indiquées par des anomalies sur la carte magnétique sont ensuite étudiées plus en détail par des levés géologiques et par des mesures gravimétriques, des études électromagnétiques ou d'autres techniques géophysiques. Ces techniques géophysiques sont données ci-dessous.

Les levés électromagnétiques sont basés sur les variations de conductivité électrique dans la masse rocheuse. Un émetteur est utilisé pour créer un champ électromagnétique alternatif primaire. Le courant induit produit un champ secondaire dans la masse rocheuse. Le champ résultant est tracé et mesuré, révélant ainsi la conductivité des masses souterraines.

Les relevés électriques mesurent soit le flux naturel d'électricité dans le sol, soit le courant galvanique conduit dans le sol et contrôlé avec précision. Les levés électriques sont utilisés pour localiser les gisements minéraux à faible profondeur et cartographier les structures géologiques pour déterminer la profondeur des morts-terrains jusqu'au substratum rocheux ou pour localiser la nappe phréatique.

Des levés de polarisation induite sont effectués le long des lignes de grille avec des lectures prises au niveau des électrodes de réception plantées dans la terre et déplacées d'une station à l'autre. Les électrodes sont connectées à un récepteur et mesurent la chargeabilité (la capacité de divers minéraux à accumuler une charge d'électricité) et les effets de résistivité sur le courant forcé dans le sol et le substrat rocheux.

Les levés gravimétriques mesurent de petites variations du champ gravitationnel causées par l'attraction des masses rocheuses sous-jacentes. La variation de gravité peut être causée par des failles, des anticlinaux et des dômes de sel qui sont souvent associés à des formations pétrolifères. Le levé gravimétrique est également utilisé pour détecter les minéraux à haute densité tels que le minerai de fer.

Dans les régions où les formations rocheuses contiennent des minéraux radioactifs, l'intensité du rayonnement est considérablement plus élevée que le niveau de fond normal. La mesure des niveaux de rayonnement permet de localiser les gisements contenant des minéraux associés à des substances radioactives.

Les levés sismiques sont basés sur les variations de la vitesse du son subies dans différentes strates géologiques. Le temps est mesuré pour que le son se déplace d'une source à la surface, à travers les couches sous-jacentes, et remonte jusqu'à un ou plusieurs détecteurs placés à une certaine distance sur la surface. La source du son peut être le coup d'un marteau, un poids lourd tombé, un vibrateur mécanique ou une charge explosive. La prospection sismique détermine la qualité du socle rocheux et permet de localiser la surface de contact des couches géologiques, ou d'un gisement minéral compact dans le sol.

Dans le cas des minerais de fer, l'étude magnétique détaillée des zones anormales peut impliquer l'utilisation d'un magnétomètre dans un hélicoptère ou des levés au sol utilisant des magnétomètres portatifs ou d'autres magnétomètres portables. Une nouvelle technique de prospection électromagnétique connue sous le nom d'AFMAG (magnétique audiofréquence) a été utilisée dans les zones où des anomalies magnétiques ont été détectées pour tenter de différencier les gisements enfouis de verre volcanique ou d'intrusifs contenant du fer à faible teneur et les gisements à forte aimantation rémanente qui représentent un minerai potentiel. corps. Le magnétomètre à vapeur de rubidium, de même, rend possible le rejet des dépôts non économiques en différenciant les dépôts magnétiques, à forte susceptibilité magnétique et conductivité électrique, et les intrusifs enfouis de verre volcanique et de fer non conducteur de faible qualité mais de faible susceptibilité. de produire des anomalies magnétiques attractives.

Échantillonnage et forage

Au début de la découverte du minerai de fer, la majeure partie de l'exploration des corps minéralisés potentiels se faisait par des fosses d'essai et des puits. De nos jours, la corrélation et l'évaluation des données détaillées du magnétomètre ou d'autres levés sont généralement suivies d'un programme de forage soigneusement élaboré pour fournir des échantillons qui, grâce à des études géologiques et minéralogiques, établissent le type, la qualité et l'étendue du minerai qui peut être présent, et la nature et la quantité des morts-terrains ou des formations rocheuses associées au minerai.

Une attention considérable est accordée ces jours-ci à l'amélioration des méthodes de carottage pour fournir de meilleurs échantillons. L'objectif ultime est d'obtenir l'échantillon de forage le plus complet et le plus intact possible à un coût raisonnable. Les forets au diamant sont utilisés en particulier dans les formations dures. L'utilisation de boues de forage avec des forets au diamant a été adoptée lorsque des échantillons de la plus haute qualité provenant de matériaux en bandes alternativement durs et mous sont souhaités. Les foreuses rotatives de fond de trou et les foreuses à circulation inverse de plusieurs types peuvent fournir un taux de pénétration rapide avec une récupération satisfaisante de l'échantillon dans certaines applications d'échantillonnage. Le forage filaire est utilisé dans environ la moitié des opérations de forage carotté dans certaines parties du monde. L'évaluation statistique des résultats des forages d'exploration est effectuée pour fournir des guides pour la planification des programmes de forage, en particulier en ce qui concerne l'espacement le plus économique des trous et le degré le plus souhaitable de récupération des carottes qui fournirait un échantillonnage adéquat au moindre coût.

La partie suivante et la plus coûteuse de la séquence d'exploration est le forage. Pour un foreur, toutes les autres méthodes d'exploration reviennent à tourner autour du pot. Le forage pénètre profondément dans le sol et ramène des échantillons de tout ce qu'il trouve sur son chemin. S'il y a une minéralisation à des points donnés loin sous la surface, le forage peut donner une réponse directe et peut quantifier sa présence à ce point particulier. Les dépenses de forage représentent environ la moitié des coûts totaux d'exploration. Il existe deux principales méthodes de forage exploratoire, à savoir le forage carotté et le forage à percussion.

Le carottage donne un échantillon solide en forme de cylindre du sol à une profondeur exacte. Le forage à percussion donne un échantillon concassé, constitué de déblais d'une profondeur assez bien déterminée dans le trou. Au-delà, le forage lui-même peut apporter un complément d'information, notamment par la diagraphie à l'aide d'appareils de détection d'anomalies physiques, à l'instar des levés géophysiques évoqués plus haut.

Le forage carotté est utilisé pour définir la taille et les limites exactes de la minéralisation. Ceci est important pour déterminer les teneurs du minerai manipulé et vital pour calculer les réserves de minerai. Un carottage souterrain stratégiquement placé peut également recouper de nouveaux corps minéralisés dans le quartier. La carotte est un échantillon intact de la géologie souterraine, qui peut être examiné de manière approfondie pour déterminer la nature exacte de la roche et toute minéralisation. Des échantillons d'intérêt particulier sont envoyés à un laboratoire pour analyse afin de révéler la teneur en fer du minerai.

Les carottes de forage d'exploration sont stockées dans des boîtes spéciales et conservées dans des archives pendant une longue période. Les cases sont marquées pour identifier à partir de quel trou, et à quelle profondeur, l'échantillon a été prélevé. Les informations recueillies par le carottage sont importantes.

Pour obtenir des informations géologiques rapides à moindre coût, des méthodes de circulation inverse sont parfois utilisées. Au lieu d'échantillons de carottes, le géologue a accès à des déblais de forage (copeaux) sur toute la longueur du trou qui sont vérifiés et cartographiés pour la teneur en minéraux après des analyses en laboratoire. Le forage à circulation inverse devient rapidement populaire pour les applications de forage de surface. Les plates-formes de la méthode de circulation inverse sont montées sur camion et limitées à un terrain accessible et à de meilleures conditions routières par rapport aux équipements de carottage, qui sont facilement démontables. 

De la prospection à l'exploitation minière

Pour la quantification de la minéralisation et pour définir la forme, la taille et la teneur en métal du gisement, une procédure étape par étape est nécessaire dans les activités d'exploration. A chaque étape de la procédure, les informations disponibles sont examinées, pour décider si la poursuite des efforts d'exploration est nécessaire. L'objectif est d'être assez certain que le gisement est économiquement viable en fournissant une connaissance détaillée de la géologie du gisement. Le minerai est un concept économique, défini comme une concentration de minéraux, qui peut être exploité économiquement et transformé en un produit commercialisable.

Avant qu'un gisement minéral puisse être étiqueté comme un corps minéralisé, une connaissance complète est nécessaire sur la minéralisation, la technologie minière proposée et les méthodes de traitement. Les impacts environnementaux de l'exploitation minière et du traitement des minerais doivent être soigneusement étudiés et doivent être approuvés. Une condition préalable à l'investissement dans l'exploitation minière est la confiance nécessaire pour une rentabilité soutenue sur une longue période. À ce stade, une étude de faisabilité complète est entreprise couvrant les besoins en capital, les retours sur investissement, la période de récupération et d'autres éléments essentiels. Sur la base de toute la documentation géologique et de l'étude, l'organisation minière se fait une bonne idée de la façon d'exploiter le gisement.