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2.5 铁矿石勘探与地质
拉尔夫·w·马斯登
铁矿石:类型和分类
铁矿床是一种具有足够大小、铁含量和化学成分的矿体，它具有物理和经济特性，在考虑经济可行性后，可以成为铁的来源。由于商业上可开采的铁矿床的物理和化学参数有相当大的可选范围，所以在尺寸、等级或矿物组成上并没有明确的限制，但地理位置、其他有竞争力的铁矿石资源、市场规模及位置、可采性、品位和/或集中性，对于确定特定的含铁矿床的经济可行性至关重要。
地壳元素组成中有5%的铁元素，是数百种矿物和岩石中常见的组成成分，同时，在小范围内几乎是普遍分布。铁在矿石中，通常以氧化物的形式出现在矿物赤铁矿（(Fe2O3），磁铁矿（Fe3O4），或针铁矿（Fe2O3·H2O）中，少量出现在磁赤铁矿(Fe2O3)，纤铁矿(Fe2O3bull;H2O)中。钛铁矿(FeTiO3)可能存在于钛含量较低的铁矿石中，在Michipicoten地区、安大约、加拿大，当其规模和品位足够时，少量铁副产品来源于去除贱金属和硫后的铁硫化物，如黄铁矿(FeS2)、白铁矿(FeS2)、磁黄铁矿(Fe1-xS)等，而氧化铁主要来源于硫化物矿床露头区。铁硅酸盐矿物通常含有超过25%的二氧化硅，所以一般不认为铁是矿物，尽管它们可能是一些铁矿的组成矿物，例如在磁铁矿以及法国的云长岩矿石中。含铁硅酸盐矿物通常是由形成残铁矿石的富铁岩石所产生的次生氧化物的主要来源。。
铁矿石存在于各种地质环境中，在不同形状、大小、起源的矿床中，本质上是不同的。在探索、评价和研究中，必须认识到铁矿石地质的多样性，最好遵循其发现和发展系统规律。一般而言，地质、难题和铁矿石的出现有着普遍的相似之处，这为每一种矿石类型的勘探、评价和发展规划提供了合理的基础。
表I中所示的铁矿石分类是基于地质和商业因素的结合，将铁矿床分为具有相似关系和特征的群体。这个分组强调地质和工艺因素。每个矿石类的一般描述如下所示。
表l铁矿床分类
I沉积和变质沉积物。
A)前寒武纪燧石铁矿
1.磁铁矿矿石角岩
2.碧玉铁质岩矿石
3.铁英岩矿石
4.菱铁矿矿石
B)铁矿石矿石
C)碎屑铁矿石
II岩浆矿床
A)基律纳矿石类型
B)Tltaniferous磁铁矿矿床
III接触交代矿石
IV块状铁形成的块状矿石。
V残余矿床
A)湖上类型的矿石。
B)OXIBIF矿石
C) Canga和河阶地矿石。
D)布朗矿石
E)红壤矿石
沉积岩和变质岩矿床
前寒武纪燧石铁：世界上最大和最广泛的铁矿石矿藏与前寒武纪的燧石铁形成有关。这些地层包括一组层状的富硅和富铁沉积岩和变质沉积岩，主要由燧石、细粒、石英颗粒和铁矿物组成，如氧化物、碳酸盐或硅酸盐，曾经在大量的文献中有讨论过这些燧石铁矿的起源和发生。全球重要的可以直接运输、销售的高品位矿床，大多是在1.8亿年前的太古宙和元古代岩石的前寒武纪地层中沉积或变质的含铁岩石，少部分是年轻的前寒武纪晚期/寒武纪碧玉铁质岩型矿石。在太古代的岩石中，燧石铁的形成与火山岩、火山和沉积带有关，它们的沉积物从几米长、几厘米厚到100米(328英尺)或更厚、几公里长。太古代沉积物呈现明显透镜状，与此相对，元古生代的铁元素在沉积盆地的沉积岩中经常发生广泛分布的现象，从50米(164英尺)到700米(2297英尺)的地层，以及几百公里长的地层。元古代铁的形成通常与碎屑、化学沉积岩、变质沉积岩有关，也可能有与之相关联的火山岩。
燧石层是由铁矿物和硅构成的，它们组成了90%以上的岩石成分。这些岩石都是带状的，并呈层状，具有交替的富铁和富硅层，厚度从1毫米(0.04英寸)到10厘米(4英寸)或更厚。铁含量范围从15%到50%，而定义上的燧石铁形成至少需要15%的铁含量。原始的铁和硅丰富的沉积物沉积在各种沉积环境中，从非常安静、不受干扰的环境到具有相当大波动和流动的区域。大多数铁的形成似乎都是在相对较浅的水域。如西澳大利亚州布罗克曼组的Dales峡谷成员有一个非常精细的微层，在广阔的区域不受干扰，表明沉积的环境非常安静。相对的，在Biwabik组的一些地层带，Mesabi Range，明尼苏达州有一个颗粒状的结构，呈透镜状和卵石层、碎屑层、交错层形成波形的层状结构。局部的铁层与火山岩、火山沉积物或粗碎屑沉积物相结合，在某些较为狭窄的地方，通常是局部地区，包含有薄层的钙质碳酸盐沉积物。因此在勘探、开发、生产和评价这些矿床的过程中，对燧石铁形成沉积环境的潜在可变性的认识是很重要的。
所有的铁层都是原始沉积物的成岩作用转化而来，大部分地区是由变质作用形成的。关于原生矿物的性质、铁和硅的来源以及沉积条件的争论至今仍在继续。但原始沉积物的特征、矿物学、层理特征以及铁、硅的分离程度，对目前的矿物学和铁、硅的分布有相当大的影响。
沉积后的进程，包括变形和变质，都是影响燧石铁矿潜在经济价值和商业可行性的重要变量。这些结构的重要性是显而易见的，因为岩石结构的复杂性可能决定了某一特定矿床的可用性和可采性，具有相对平坦的倾斜并且在相当大的区域上暴露厚度为30米(100英尺)的高质量可浓缩的铁结构，在很大程度上是有经济价值的，而分布在数公里长的急剧倾斜上的相同质量的铁矿并没有多少作为铁矿石资源的价值。
铁的变质史也可能是决定一个铁元素潜在价值的重要因素，在变质过程中，岩石的矿物学、纹理和晶粒大小可以发生显著的变化，从而大大提高或降低其可能的商业价值。商业燧石铁形成矿石是由铁氧化物和相关的燧石或石英和铁矿物组成的，而许多主要的铁沉积岩则主要由铁碳酸盐或铁硅酸盐矿物组成，其晶粒尺寸非常细，是一种亲密的混合或夹层细粒度石英。通过变质作用，主要碳酸盐和硅酸盐可能被改变为磁铁矿、石英、铁硅酸盐和晶粒，包括由此产生的增加矿石尺寸的氧化物矿物，使其能通过磨削更容易释放铁元素，从而将一颗没有价值的岩石转变成潜在的矿石。铁的形成有许多变质阶段，从低绿片岩、碳酸盐-硅酸盐-燧石岩石，到磁性岩石。这些磁性矿石中含少量相关的碳酸盐和铁硅酸盐矿物，主要是磁石-石英岩石，磁铁矿-赤铁矿石英岩，少量铁硅酸盐，和赤铁矿石英岩。大部分不同的变质铁形成类型，与各种乡村岩石有关，它们对铁层形成的微观研究在测定矿物元素和矿物间的关系中尤为重要，尤其是在对浓缩燧石铁矿床层进行评估时。这些研究进行同时包括薄的和抛光的部分，以及与该领域有关的地质学家、工作实验室方面。
燧石铁矿，是指形成于前寒武纪，可以开采并生产高品位产品的矿床。随着美国、加拿大、苏联、瑞典、挪威、塔斯马尼亚和中国的大规模开采和加工，这些高品位铁矿石矿正变得越来越重要。因为高盈利、高品位矿的本质特征是铁氧化物矿物在经过磨削后，能得到足够的高浓缩精矿，使其具有经济可行性。目前，正在开采的几种岩性类型的铁的形成，主要都集中在商业工厂中。
燧石铁的形成类型可以很容易地组合成磁铁矿角岩矿石，碧玉铁质岩矿石，或铁英岩矿石。它们被三种不同的浓度系统所集中，所以矿石按铁形成岩性和适用的浓度系统进行分组。每一种矿石类型的描述，对它们的研究、评价和处理有着重要的影响，同时对它们的探索，发展和评价提供可行方案。
磁铁矿——磁铁矿是一种以铁为原料，经精细研磨后，通过磁性分离方法加工成高品质的运输产品。磁铁矿铁石是首选的术语，因为在明尼苏达的Mesabi范围内，在不考虑矿物学或浓度的可能性下，这个术语的起源，包括了所有类型的铁的形成，。其中部分矿石经磁选后可能需要进行精细的筛选或浮选，处理方法是依靠磁系统磁选，主要矿石矿物为磁铁矿，大多数其他的铁和脉石矿物无法筛选。
磁铁矿是一种由磁铁矿、燧石或细粒、石英颗粒组成的带状、层状沉积岩或变质沉积岩，具有不同数量的铁硅酸盐矿物、含铁碳酸盐或其他铁氧化物。这些矿石包括大量的铁层岩石，其中主要铁矿是磁铁矿。根据铁形成的变质等级，确定了在Mesabi范围内的磁铁矿的矿物含量范围。Biwabik铁形成变质等级从该地区西部和中部的绿片岩相到东部地区的角闪石和辉石岩相。绿片岩相磁石(magnetetaconite)由磁铁矿、石英和石英颗粒组成，具有变化量的绿钠石、明尼苏达酸盐、二氯硅烷(stilpnomelane)、硅铁矿(siderite)、铁矾石(ankerite)，以及次要的绿泥石和鲕绿泥石(chamosite)。角闪石矿是由磁铁矿、石英颗粒和不同数量的康明松、角闪石、铁白云石、方解石等组成。辉石岩相磁铁矿是由磁铁矿、中颗粒[0.1 ~ 3.0 mm(0.004 ~ 0.12英寸)]石英和不同数量的海登柏石、铁红、康明石、角闪石和法亚石组成，其方解石、阿尔曼丁和安德拉蒂特石榴石的含量较少。变质相之间存在着相互关系。一系列复杂交织的磁铁矿角岩矿石类型的岩性过渡区域可能是1-2公里(0.6到1.2英里)或更多。
即使在Mesabi范围内的磁铁矿塔土矿中有相当多的岩性类型，但它们不包括这些矿石的所有可能矿物相。例如，在俄罗斯库尔斯克地区的磁铁矿塔土中，有一种绿色的黑云母，而在密达西的密州矿，有磁铁矿、赤铁矿、石英石、菱铁矿、方解石、绿泥石、衲闪石、雷贝石、利皮多石、高岭土和铁滑石。
在磁铁矿中观察到的这些矿床的重要特征包括以下特征。
- 大多数矿床的形成都是指从1000米到数十公里不等的板状物体，以及数十或几百米的厚度。在复杂折叠的区域，独特的矿床可能有不同的形状，并非仅仅板状。
- 所有的沉积物都是磁性的，可以用磁性的方法来研究，但是由于残留的磁化，对磁性信息的解释有时是困难的。
- 在一定的地质条件下，重力法可用于提供关于磁铁矿岩矿床的潜在大小和发生的有价值的信息。
- 磁铁矿体的风化会导致磁铁矿的氧化作用，有时也会影响到针铁矿。在某些地区，氧化带可能延伸超过100米(328英尺)。氧化作用是在研究矿体时需要考虑的一个重要因素。由于在水平和垂直的情况下风化带一般都有不规则的图案，有必要对磁铁矿岩矿床的地表区域进行了仔细的评估，以确定氧化材料的性质和数量以及混合磁铁矿-赤铁矿带物质的数量。对氧化带的研究通常需要钻孔，尽管可以使用测试坑、竖井、坑道和隧道，但这些研究必须与仔细取样和实验室测试的程序相联系。
磁铁矿岩矿床的勘探通常始于一项利用400米(0.25英里)线间距和低地形间隙进行的航空磁测量。磁测可能先于地质测绘，但如果磁测数据已经可用，测绘通常更有效。地质测绘通常伴随着地磁测量，对潜在有利的区域进行精确的磁控，以便在选择钻孔位置时使用。在前寒武纪的铁矿地层中，残余磁化现象很普遍，这常常限制了磁测量结果对磁铁矿的物理边界的评价，如位置、范围，以及矿床的结构。磁测量可以提供设计核心钻井程序所需的信息，该项目将对矿床进行取样，确定其详细的地质、品位、浓度和可采性，并允许对矿床进行经济评价。
碧玉铁质岩矿：碧玉铁质岩矿石包括由交替细至中细粒、赤铁矿层和燧石组成的细粒、小伴生磁铁矿和其他铁矿物组成的细晶石英石层。这些岩石在颜色上由红色到红棕色，并伴随钢灰色赤铁矿层。它们是与碎屑沉积、火山、火山沉积岩相关联的沉积或变质构造。碧玉铁质铁矿的地质年龄范围从太古代到晚前寒武纪/寒武纪。
碧玉铁质矿石，又称密歇根碧玉矿石，是1954年在Humboldt矿的商业基础上首次生产，1956年在密歇根州马奎特山脉的共和国生产。精磨后的浮选集中为泡沫浮选。密歇根的市售碧玉铁质岩矿矿石是结晶的，其中一些矿石释放的赤铁矿以大约0.21 mm(65目)释放。细粒的矿石并没有商业上的集中，但是一些矿床已经被发掘，并对它们的效益进行了大量的研究。
碧玉铁质矿石的合适勘探方法包括地质填图、航空和地磁测量、以及重力测量。碧玉铁质岩矿的铁层可能含有足够的磁铁矿来提供一种可识别的磁场特征，显示它的大小，形状和范围。其中岩心钻进是确定矿床性质、获取样品进行分析、进行实验室浓度试验的主要跟踪方法。
Itabirite ores（铁英岩）：铁英岩矿石包括重结晶、燧石铁形成的商业矿床，通常由粒状石英、晶质赤铁矿和含有大量磁铁矿的褐铁矿组成。富含铁的氧化物层是由细到中、粗粒的石英与或多或少相关的铁硅酸盐矿物组成的。颗粒的大小从一毫米到几毫米不等。这些岩石典型的是颗粒状岩石，因为它们的结构，通常被称为石英岩。它们最常见的地质环境是颗粒岩相岩，一般为花岗质片麻岩。
在加拿大的魁北克拉布拉多地区，在火湖、莱特山、Wabush湖和拉布拉多市，都有大量的铁英岩矿石被开采。魁北克开采的第一个矿床，在珍妮湖，现在已经枯竭了。其矿石成分由结晶赤铁矿和粗晶组成，含少量铁硅酸盐的水晶石英石、磁铁矿和赤铁矿的矿石、少量相关的铁硅酸盐，如角闪石、辉石、小方解石。在加拿大的魁北克-拉布拉多地区，有大量的铁英岩型矿石。在巴西、委内瑞拉、在利比里亚和塞拉利昂、西非，以及可能在这一地区的其他区域，北至毛里塔尼亚，南至安哥拉，存在有类似的铁英岩矿床。这些矿石的重要特征是它们简单的矿物学特性，中到粗粒度，易于释放，容易集中。
铁英岩的高品位提取方法主要以磁力法、电气法以及重力法为主。在魁北克，火湖和Mt. Wright，矿石集中主要使用螺旋法，在Wabush，主要采用重力法，其次是磁选法或高强度的电气法。
铁英岩的沉积通常是板状的，与高品位变质岩或片麻岩形成地层。尽管沉积物可能只含有少量的磁铁矿，但通常可以成功地利用磁性测量方法来补充
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