Géologie et exploration du minerai de fer : stratégies éprouvées pour le succès de la prospection

Géologie, prospection et exploration des gisements de minerai de fer

Le fer est connu depuis l'antiquité. Le fer est omniprésent dans la lithosphère, soit comme constituant majeur, soit à l'état de traces. En abondance, il se classe quatrième 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 roches les plus anciennes connues dans la croûte terrestre, avec un âge supérieur à 2,5 milliards d'années, ainsi que dans des roches formées à divers âges subséquents. En fait, des minerais de fer sont même en formation aujourd'hui dans les zones où les oxydes de fer sont en train de précipiter.

Plusieurs milliers d'occurrences de fer sont connues à travers le monde. Elles varient en taille de quelques tonnes à plusieurs centaines de millions de tonnes. Les gisements de minerai de fer sont distribués dans différentes régions du monde sous des conditions géologiques variées et dans différentes formations géologiques. La plus grande concentration de minerai se trouve dans les formations ferrugineuses sédimentaires rubanées (banded sedimentary iron formations) d'âge précambrien. Ces formations constituent la majeure partie des ressources mondiales de minerai de fer.

Classification des minerais de fer selon leur genèse

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

• Minerais ignés (Igneous ores) – Ces gisements de minerai de fer sont formés par cristallisation à partir de matériaux rocheux liquides, soit sous forme de dépôts de type stratifié qui sont possiblement le résultat de cristaux de minéraux ferreux lourds se déposant au fur et à mesure qu'ils cristallisent pour former des concentrations riches en fer, soit sous forme de dépôts montrant une relation intrusive avec leurs roches encaissantes. Ces gisements sont soit tabulaires, soit irréguliers et sont composés principalement de magnétite avec des quantités variables d'hématite. Les minerais ignés sont généralement riches en fer et sont souvent riches en phosphore ou en titane.
• Minerais de contact (Contact ores) – Les gisements de minerai de fer formés à ou près du contact entre roches ignées et roches sédimentaires sont normalement composés de magnétite et d'hématite avec des carbonates et de la pyrite associés. Les gisements sont généralement dans les roches sédimentaires sous forme de corps de remplacement irréguliers ou tabulaires.
• Minerais hydrothermaux (Hydrothermal ores) – Ce sont des gisements de minerai de fer formés par des solutions chaudes qui ont transporté le fer et remplacé des roches de composition chimique favorable avec des minéraux de fer pour former des corps de minerai irréguliers. Dans ces gisements, le fer se présente souvent sous forme de sidérite (FeCO₃) ou parfois sous forme d'oxydes.
• Minerais sédimentaires (Sedimentary ores) – Ce sont : (i) minerais en lits (bedded ores), (ii) minerais de sidérite, (iii) minerais de placers, ou (iv) minerais de fer de tourbière (bog iron ores). Les « minerais de fer en lits » sont souvent composés d'oolites d'hématite, de sidérite, de silicate de fer ou, moins communément, 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-fluxants. Les « minerais de sidérite » consistent en lits de sidérite ou de nodules de sidérite associés à des schistes. Ils sont communs dans les mesures de charbon et sont souvent appelés pierres de fer argileuses (clay ironstones) ou pierres de fer à bande noire (black band ironstones). Ces minerais contiennent généralement des sulfures associés et ont souvent une teneur en soufre et en phosphore assez élevée. Les oxydes de fer, quand ils sont compacts, sont généralement résistants à l'altération et à l'érosion et sous des conditions favorables peuvent former des « dépôts de placer » qui, dans quelques cas, constituent des minerais de fer. Les dépôts de placer sont d'importance mineure comme sources de fer. Les « minerais de fer de tourbière » se produisent dans de nombreuses zones marécageuses. Ils se présentent normalement sous forme de masses brunes foncées, cellulaires, ou de particules granulaires ou fines de limonite. Ces minerais ont cessé depuis longtemps d'avoir une importance commerciale.
• Formations ferrugineuses métamorphosées (Metamorphosed iron formations) – Celles-ci incluent les roches ferrugineuses en lits métamorphosées composées généralement de couches minces alternées de quartz à grain fin et d'oxydes ferriques. Le fer est normalement présent sous forme minérale de magnétite ou d'hématite, avec des quantités moindres de silicates de fer et de carbonates de fer. Essentiellement toutes les formations ferrugineuses sédimentaires précambriennes sont de ce type. Les types métamorphosés incluent également ceux dans lesquels la forme originale des minerais a été obscurcie par une recristallisation extensive. Certaines de ces formations ferrugineuses sont importantes économiquement comme minerais de fer en raison de leur aptitude à l'enrichissement par broyage fin et par concentration des minéraux de minerai principalement par méthodes magnétiques.
• Minerais résiduels (Residual ores) – Ces minerais sont généralement des produits de l'altération superficielle des roches mais peuvent inclure des minerais formés par oxydation et lixiviation hydrothermales. Les minerais de ce type ont été formés de manière extensive dans les formations ferrugineuses précambriennes par lixiviation de la silice, qui constituait communément plus de 50 % de la roche. L'oxydation a changé le carbonate de fer, les minéraux silicatés, et la magnétite en hématite ou limonite.

Ressources et réserves de minerai de fer

Le minerai de fer potentiel connu pour exister dans une zone est appelé ressource de minerai de fer. Les ressources identifiées incluent à la fois les réserves et d'autres matériaux porteurs de fer qui peuvent devenir rentables à exploiter sous des 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 incluent des composants économiques, marginalement économiques et sous-économiques, et selon le degré de certitude géologique, chacune de ces divisions économiques peut être subdivisée en mesurées, indiquées et inférées. Les réserves sont définies comme les ressources qui peuvent être économiquement exploitées au moment de leur détermination.

Prospection et exploration

L'exploitation d'un gisement de minerai de fer existant est la partie la plus facile des opérations minières. La partie la 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 minéraux de minerai de fer peuvent être trouvées dans la croûte terrestre. Avant que les investissements lourds requis pour mettre en place une opération minière ne soient faits, l'organisation minière doit s'assurer que le gisement est économiquement viable et qu'il a des quantités de minerai qui assureront la production de minerai sur une période suffisamment longue. Même après le début de la production, il est nécessaire de localiser et délimiter toute extension de la minéralisation, et de chercher de nouveaux prospects qui pourraient remplacer les réserves en cours d'exploitation. L'investigation des extensions et la recherche de nouveaux gisements sont des activités vitales pour une organisation minière.

La prospection implique la recherche d'une zone pour des gisements minéraux dans le but de l'exploiter avec profit. En d'autres termes, transformer le gisement minéral en gisement de minerai. Un géologue prospectant une zone recherche l'affleurement de minéraux à la surface, en observant les irrégularités de couleur, de forme ou de composition de la roche. Son expérience lui dit où regarder, pour avoir les plus grandes chances de succès.

L'exploration, bien qu'elle sonne de manière similaire 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 qu'une zone intéressante est choisie, une demande de permis d'exploration est faite. L'approbation par les autorités est nécessaire avant que les activités d'exploration puissent commencer.

Activités liées à la prospection et à l'exploration

La première étape dans les activités liées à la prospection et à l'exploration est de conduire une revue des données historiques et existantes, en particulier provenant des mines fermées et des carottes de forage et d'autres informations pertinentes disponibles d'explorations antérieures qui peuvent être consultées. Cela peut entraîner d'énormes économies en temps et argent requis pour de nouvelles activités. L'une des phases les moins coûteuses de l'exploration de zone est la préparation d'une carte géologique complète, détaillée et précise, qui commence souvent avec des instruments de base tels que ruban et boussole. La précision peut être améliorée en utilisant des photos aériennes pour aider à localiser les affleurements, les zones de failles majeures et le contrôle topographique de base. Chaque étape ajoute quelques coûts, mais améliore aussi la précision et les détails de la carte résultante.

Les terres recouvertes de sol sont inaccessibles au prospecteur, qui cherche d'abord un affleurement de la minéralisation. Lorsque le recouvrement du sol comprend une couche peu profonde de matériel alluvial, des tranchées sont généralement creusées à travers la zone minéralisée pour exposer le substratum rocheux (bedrock).

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 en surface, déterminer toute extension en profondeur est une question de conjecture qualifiée. Si les découvertes du prospecteur et sa théorisation sur l'existence probable d'un gisement de minerai sont sur un terrain solide, alors l'étape suivante est d'explorer les terres environnantes.

L'exploration est un terme embrassant la géophysique, la géochimie, et finalement les activités plus coûteuses, à savoir le forage dans le sol pour obtenir des échantillons de toute profondeur. La Fig. 1 montre la séquence générale d'activités en prospection et exploration d'un gisement de minerai. Une exploration efficace dépend de la production de cartes de plus en plus sophistiquées pour la planification et les routes d'accès, pour la cartographie géologique, géophysique, géochimique et structurale. Aujourd'hui, des cartes topographiques aériennes détaillées sont disponibles donnant à l'explorateur l'information de base pour déterminer où trouver des zones avec un bon potentiel de gisement de minerai.

Fig. 1 : Séquence générale d'activités en prospection et 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 en exploration géophysique. De grandes zones peuvent être efficacement couvertes en une courte période. Les cartes aérogéophysiques les plus courantes sont les cartes magnétométriques qui enregistrent les variations du champ magnétique terrestre avec un haut degré de 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 de la roche et des minéraux ferreux tels que le magnétisme, la gravité, la conductivité électrique, la radioactivité et la vitesse du son. Deux ou plusieurs méthodes sont souvent combinées dans un seul levé, pour acquérir des données plus fiables. Les résultats des levés sont compilés, et mis en correspondance avec l'information géologique de surface et les échantillons de rognons ou de carottes de tout forage de carottage antérieur, pour décider s'il vaut la peine de procéder à une exploration plus approfondie. Dans le cas où les résultats du levé pointent vers une exploration plus approfondie, alors l'information forme la base pour les activités de forage. Comme le levé géophysique est normalement conduit depuis les airs pour commencer, l'information des levés de surface est comparée et ajoutée à la cartographie aéroportée.

Les techniques géophysiques actuelles et l'instrumentation, 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 principalement un outil de reconnaissance qui fournit de l'information qui doit subséquemment être complétée par la cartographie géologique, les études pétrographiques, le forage et l'évaluation des analyses de minerai et des tests 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 minéraux de minerai et les roches environnantes. Les propriétés physiques utilisées principalement sont le magnétisme (à la fois permanent et induit) et la densité. Les méthodes électriques (incluant la polarisation et l'électromagnétisme) et les études sismiques sont parfois utilisées en conjonction avec les levés magnétiques ou gravimétriques pour obtenir une meilleure définition des corps de minerai.

Magnétomètres

Les magnétomètres modernes ont une plus grande sensibilité et une commodité d'exploitation. Depuis les années 1950, ils ont éliminé d'autres méthodes telles que l'aiguille à dip et le super dip de l'emploi pratique dans l'exploration de minerai de fer. Les magnétomètres sont passés par plusieurs stades successifs de développement. Les formes principales, telles que connues, dans l'ordre de leur conception, sont les magnétomètres de type balance, de type torsion et à porte de flux (flux gate), suivis ces dernières années par des magnétomètres qui ont été conçus et développés dans le domaine de la physique atomique. Ces derniers instruments incluent 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 emplacement donné. Le champ terrestre est très faible, variant d'environ 0,7 oersted aux pôles magnétiques à environ 0,25 oersted à certains points sur l'équateur magnétique. Dans les études géomagnétiques, la force 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 montre des irrégularités régionales à grande échelle dues aux variations dans la forme et la composition de la croûte et du manteau supérieur de la Terre. Les variations à une échelle plus petite résultent de perturbations magnétiques causées par des concentrations de matériel magnétique près de la surface et ce sont ces variations locales qui sont recherchées quand on cherche des minerais de fer.

Levés magnétiques (Magnetic surveying)

Le levé magnétique mesure les variations du champ magnétique terrestre causées par les propriétés magnétiques des formations rocheuses souterraines. Le magnétomètre aéroporté est l'outil géologique principal utilisé dans la recherche de minerais de fer et de matériaux ferreux dans de grandes zones. La méthode de conduite d'un levé magnétique aéroporté consiste à installer un magnétomètre à porte de flux ou à précision de 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. Ces dernières années, il y a des améliorations dans la qualité des levés dues aux raffinements de l'équipement qui incluent une plus grande sensibilité et simplicité, l'enregistrement de données multicanaux, 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, les ordinateurs sont utilisés pour effectuer la réduction de données nécessaire et les exigences de traçage nécessaires pour les analyses et l'interprétation. Les données de ces enregistrements sont tracées sous forme de carte de contours, avec des lignes reliant les points d'intensité magnétique égale sur la carte. Les motifs formés par ces lignes indiquent les zones où les anomalies magnétiques (distorsions locales majeures du champ magnétique terrestre) se produisent. Les zones indiquées par les anomalies sur la carte magnétique sont alors investiguées plus en détail par des levés géologiques et par des mesures de gravité, des études électromagnétiques ou d'autres techniques géophysiques. Ces techniques géophysiques sont données ci-dessous.

• Levés électromagnétiques – 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.
• Levés 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 du recouvrement sur le substratum rocheux, ou pour localiser la nappe phréatique.
• Levés de polarisation induite – Conduits le long de lignes de grille avec des lectures prises aux électrodes réceptrices plantées dans la terre et déplacées de station en station. Les électrodes sont connectées à un récepteur et mesurent la chargeabilité (la capacité pour divers minéraux de s'accumuler une charge d'électricité) et les effets de résistivité sur le courant forcé dans le sol et le substratum rocheux.
• Levés gravimétriques – Mesurent de petites variations dans le 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 aux formations porteuses de pétrole. Le levé gravimétrique est également utilisé pour détecter les minéraux à haute densité tels que le minerai de fer.
• Mesures de radioactivité – 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 aide à localiser les gisements contenant des minéraux associés aux substances radioactives.
• Levés sismiques – Basés sur les variations de vitesse du son expérimentées dans différents strates géologiques. Le temps est mesuré pour le son de voyager d'une source en surface, à travers les couches sous-jacentes, et de nouveau vers le haut vers un ou plusieurs détecteurs placés à quelque distance en surface. La source de son peut être le coup d'une masse, un poids lourd tombé, un vibreur mécanique ou une charge explosive. Le levé sismique détermine la qualité du substratum rocheux et peut localiser la surface de contact de couches géologiques, ou d'un gisement minéral compact dans le sol.

Dans le cas de minerais de fer, l'étude magnétique détaillée des zones anomales peut impliquer l'utilisation d'un magnétomètre dans un hélicoptère, ou des levés au sol employant des magnétomètres portatifs ou autres portables. Une nouvelle technique de prospection électromagnétique connue sous le nom d'AFMAG (audio frequency magnetics) a été utilisée dans les zones où des anomalies magnétiques ont été détectées pour tenter de différencier entre les dépôts enfouis de verre volcanique ou d'intrusifs ferreux de bas grade et les dépôts avec une aimantation rémanente élevée qui représentent des corps de minerai potentiels. Le magnétomètre à vapeur de rubidium, de même, rend possible le rejet des gisements non économiques en différenciant entre les gisements magnétiques, à haute susceptibilité magnétique et conductivité électrique, et le verre volcanique enfoui et les intrusifs ferreux de bas grade non conducteurs de faible susceptibilité qui, cependant, sont capables de produire des anomalies magnétiques attractives.

Échantillonnage et forage

Dans la période initiale de découverte de minerai de fer, la plupart de l'exploration de corps de minerai potentiels était faite 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 par un programme de forage soigneusement élaboré pour fournir des échantillons qui, par 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 du recouvrement ou des formations rocheuses associées au minerai.

Une attention considérable est accordée de nos jours à l'amélioration des méthodes de forage de carottage pour fournir de meilleurs échantillons. L'échantillon de forage le plus complet et le moins perturbé possible à un coût raisonnable est l'objectif ultime. Les foreuses à diamant sont employées surtout dans les formations dures. L'utilisation de boues de forage avec les foreuses à diamant a été adoptée là où des échantillons de la plus haute qualité à partir de matériel en bandes alternativement dur et tendre sont désirés. Les foreuses rotatives à fond de trou (rotary down hole drills) et les foreuses à circulation inverse (reverse circulation drills) de plusieurs types peuvent fournir un taux de pénétration rapide avec une récupération d'échantillon satisfaisante dans certaines applications d'échantillonnage. Le forage à ligne de câble (wire line drilling) est employé dans environ la moitié des opérations de forage de carottage dans certaines parties du monde. L'évaluation statistique des résultats du forage d'exploration est faite 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 de récupération de carotte le plus souhaitable qui fournirait un échantillonnage adéquat au coût le plus bas.

La prochaine et la plus coûteuse partie de la séquence d'exploration est le forage. Pour un foreur, toutes les autres méthodes d'exploration sont comme battre la brousse. Le forage pénètre profondément dans le sol et remonte 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. La dépense pour le forage comprend environ la moitié des coûts totaux d'exploration. Il y a deux méthodes principales de forage d'exploration : le forage de carottage (core drilling) et le forage à percussion (percussion drilling).

Le forage de carottage produit un échantillon cylindrique solide du sol à une profondeur exacte. Le forage à percussion produit un échantillon broyé, comprenant des débris d'une profondeur assez bien déterminée dans le trou. Au-delà de cela, le trou de forage lui-même peut fournir une quantité d'information complémentaire, particulièrement par le logging en utilisant des dispositifs pour détecter des anomalies physiques, similaires aux levés géophysiques mentionnés ci-dessus.

Le forage de carottage est utilisé pour définir la taille et les limites exactes de la minéralisation. Cela est important pour déterminer les teneurs de minerai manipulées, et vital pour calculer les réserves du minerai. Un forage de carottage souterrain stratégiquement placé peut également intersecter de nouveaux corps de minerai dans le voisinage. La carotte est un échantillon intact de la géologie souterraine, qui peut être examinée minutieusement pour la détermination de la nature exacte de la roche et de toute minéralisation. Les échantillons d'intérêt particulier sont envoyés à un laboratoire pour analyse pour révéler la teneur en fer dans le minerai.

Les carottes du forage d'exploration sont stockées dans des boîtes spéciales et conservées dans des archives pour une longue période. Les boîtes sont marquées pour identifier de quel trou, et à quelle profondeur, l'échantillon a été prélevé. L'information recueillie par le forage de carottage est importante.

Pour obtenir une information géologique rapide à moindre coût, les méthodes de circulation inverse sont parfois utilisées. Au lieu d'échantillons de carotte, le géologue a accès aux débris de forage (chips) sur toute la longueur du trou qui sont vérifiés et cartographiés pour la teneur en minéraux après analyses en laboratoire. Le forage à circulation inverse devient rapidement populaire pour les applications de forage en surface. Les foreuses dans la méthode de circulation inverse sont montées sur camion et restreintes aux terrains accessibles et aux meilleures conditions de route comparées à l'équipement de forage de carottage, qui est facilement démontable.

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. À chaque étape de la procédure, l'information en main est examinée, pour décider si la continuation des efforts d'exploration est nécessaire. L'objectif est d'être raisonnablement 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 économiquement exploitée et transformée en un produit vendable.

Avant qu'un gisement minéral ne puisse être étiqueté comme un corps de minerai, une connaissance complète est requise sur la minéralisation, la technologie minière proposée et les méthodes de traitement. Les impacts environnementaux de l'exploitation minière et du traitement des minéraux doivent être soigneusement étudiés et nécessitent une approbation. Une condition préalable pour investir dans l'opération minière est la confiance nécessaire pour la 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 autres éléments essentiels. Basée sur toute la documentation géologique et l'étude, l'organisation minière obtient une bonne idée de comment exploiter le gisement.