Geologia e Exploração de Minério de Ferro: Estratégias Comprovadas para Sucesso na Prospecção

Geologia, Prospecção e Exploração para Depósitos de Minério de Ferro

O ferro é conhecido desde a antiguidade. O ferro é ubíquo na litosfera como constituinte principal ou em quantidades traço. Em abundância, ocupa o quarto lugar atrás do oxigênio, silício e alumínio.

Minérios de ferro têm uma ampla gama de formação em tempo geológico, bem como ampla distribuição geográfica. Esses minérios são encontrados nas rochas mais antigas conhecidas na crosta da terra, com idade superior a 2,5 bilhões de anos, bem como em rochas formadas em várias idades subsequentes. De fato, minérios de ferro estão até se formando hoje em áreas onde óxidos de ferro estão sendo precipitados.

Vários milhares de ocorrências de ferro são conhecidas em todo o mundo. Variam em tamanho de algumas toneladas a várias centenas de milhões de toneladas. Depósitos de minério de ferro são distribuídos em diferentes regiões do mundo sob condições geológicas variadas e em diferentes formações geológicas. A maior concentração de minério é encontrada em formações ferríferas sedimentares bandadas de idade Pré-Cambriana. Estas formações constituem a maior parte dos recursos de minério de ferro do mundo.

Classificação dos Minérios de Ferro

Minérios de ferro ocorrem em uma ampla variedade de ambientes geológicos em rochas ígneas, metamórficas ou sedimentares, ou como produtos de intemperismo de vários materiais primários portadores de ferro. Minérios de ferro podem ser agrupados em tipos de ocorrência geológica, composição e estrutura semelhantes. A seguir, uma classificação simplificada baseada na gênese dos depósitos e ambiente geológico. Ela mostra os principais modos de ocorrência de minérios de ferro, bem como ilustra a geologia variada dos depósitos de minério de ferro.

• Minérios ígneos – Estes depósitos de minério de ferro são formados por cristalização a partir de materiais rochosos líquidos, seja como depósitos do tipo estratificado que possivelmente são o resultado de cristais de minerais pesados portadores de ferro assentando à medida que cristalizam para formar concentrações ricas em ferro, ou como depósitos que mostram relação intrusiva com suas rochas encaixantes. Estes depósitos de minério são tabulares ou irregulares e compostos largamente de magnetita com quantidades variáveis de hematita. Minérios ígneos são geralmente altos em teor de ferro e frequentemente altos em teor de fósforo ou titânio.
• Minérios de contato – Depósitos de minério de ferro formados em ou perto do contato entre rochas ígneas e rochas sedimentares são normalmente compostos de magnetita e hematita com carbonatos e pirita associados. Os depósitos de minério estão geralmente nas rochas sedimentares como corpos de substituição irregulares ou tabulares.
• Minérios hidrotermais – Estes são depósitos de minério de ferro formados por soluções quentes que transportaram ferro e substituíram rochas de composição química favorável com minerais de ferro para formar corpos de minério irregulares. Nestes depósitos, o ferro frequentemente ocorre como siderita (FeCO₃) ou às vezes como óxidos.
• Minérios sedimentares – Estes são: (i) minérios em camadas, (ii) minérios de siderita, (iii) minérios de placer, ou (iv) minérios de ferro de pântano. "Minérios de ferro em camadas" são frequentemente compostos de oólitos de hematita, siderita, silicato de ferro ou, menos comumente, limonita em uma matriz de siderita, calcita ou silicato. Estes minérios têm ampla distribuição geográfica associada com outras rochas sedimentares e frequentemente têm teor de fósforo razoavelmente alto. Os minérios podem ser auto-fundentes. "Minérios de siderita" consistem de camadas de siderita ou nódulos de siderita associados com xistos. São comuns nas medidas de carvão e frequentemente denominados argilas ferrosas ou argilas de banda preta. Estes minérios geralmente contêm sulfuretos associados e frequentemente têm teor de enxofre e fósforo razoavelmente alto. Óxidos de ferro, quando compactos, são geralmente resistentes a intemperismo e erosão e sob condições favoráveis podem formar "depósitos de placer" que, em poucas instâncias, constituem minérios de ferro. Depósitos de placer são de importância menor como fontes de ferro. "Minérios de ferro de pântano" ocorrem em muitas áreas pantanosas. Ocorrem normalmente como massas marrons escuras, celulares, ou partículas granulares ou finas de limonita. Estes minérios há muito deixaram de ser de importância comercial.
• Formações ferríferas metamorfoseadas – Estas incluem as rochas ferruginosas em camadas metamorfoseadas compostas geralmente de camadas finas alternadas de quartzo de grão fino e óxidos féricos. O ferro está normalmente presente na forma mineral de magnetita ou hematita, junto com quantidades menores de silicatos de ferro e carbonatos de ferro. Essencialmente todas as formações ferríferas sedimentares Pré-Cambrianas são deste tipo. Os tipos metamorfoseados também incluem aqueles em que a forma original dos minérios foi obscurecida por recristalização extensiva. Algumas destas formações ferríferas são importantes economicamente como minérios de ferro devido à sua amenabilidade a beneficiamento por moagem fina e concentração dos minerais de minério principalmente por métodos magnéticos.
• Minérios residuais – Estes minérios são geralmente produtos do intemperismo superficial de rochas, mas podem incluir minérios formados por oxidação e lixiviação hidrotermais. Minérios deste tipo foram formados extensivamente em formações ferríferas Pré-Cambrianas por lixiviação de sílica, que comumente constituía em excesso de 50% da rocha. Oxidação mudou carbonato de ferro, minerais silicatados e magnetita para hematita ou limonita.

Recursos e Reservas de Minério de Ferro

O potencial de minério de ferro conhecido por existir em uma área é chamado de recurso de minério de ferro. Recursos identificados incluem tanto reservas quanto outros materiais portadores de ferro que podem se tornar lucrativos para mineração sob condições econômicas futuras. Recursos identificados são aqueles cuja localização, teor, qualidade e quantidade são conhecidos ou estimados a partir de evidência geológica específica. Recursos identificados incluem componentes econômicos, marginalmente econômicos e subeconômicos, e, dependendo do grau de certeza geológica, cada uma dessas divisões econômicas pode ser subdividida em mensurados, indicados e inferidos. Reservas são definidas como aqueles recursos que podem ser economicamente minerados no momento de sua determinação.

Prospecção e Exploração

A exploração de depósito de minério de ferro existente é a parte mais fácil das operações de mineração. A parte mais difícil é encontrar novos depósitos de minério e definir sua extensão e teor de ferro (grau). Exploração é o processo pelo qual acúmulos de minerais de minério de ferro podem ser encontrados na crosta terrestre. Antes que os pesados investimentos necessários para estabelecer uma operação de mineração sejam feitos, a organização de mineração deve garantir que o depósito é economicamente viável e tem quantidades de minério que garantirão produção de minério por um período de tempo suficientemente longo. Mesmo após o início da produção, é necessário localizar e delinear quaisquer extensões da mineralização, e procurar novas perspectivas que possam substituir as reservas sendo mineradas. Investigar extensões e buscar novos depósitos são atividades vitais para uma organização de mineração.

Prospecção envolve buscar uma área para depósitos minerais com a visão de minerá-lo com lucro. Em outras palavras, transformar o depósito mineral em um depósito de minério. Um geólogo prospectando uma área está procurando exposição superficial de minerais, observando irregularidades em cor, forma ou composição da rocha. Sua experiência diz a ele onde procurar, para ter as maiores chances de sucesso.

Exploração, embora soe similar a prospecção, é o termo usado para exame sistemático de um depósito de minério. Não é fácil definir o ponto onde a prospecção se torna exploração. Após uma área interessante ser escolhida, uma aplicação para permissão de exploração é feita. Aprovação por autoridades é necessária antes que atividades de exploração possam começar.

Atividades Relacionadas à Prospecção e Exploração

O primeiro passo nas atividades relacionadas à prospecção e exploração é conduzir uma revisão de dados históricos e existentes, especialmente de minas fechadas e amostras de testemunho e outras informações relevantes disponíveis de explorações anteriores que podem ser acessadas. Isso pode resultar em grande economia de tempo e dinheiro necessários para novas atividades. Uma das fases mais baratas de exploração de área é a preparação de um mapa geológico abrangente, detalhado e preciso, que frequentemente começa com instrumentos básicos como fita métrica e bússola. A precisão pode ser aprimorada usando fotos aéreas para ajudar a localizar afloramentos, zonas de falha maiores e controle topográfico básico. Cada passo adiciona alguns custos, mas também melhora a precisão e detalhes do mapa resultante.

Terreno coberto por solo é inacessível ao prospector, que primeiro procura um afloramento da mineralização. Onde a cobertura do terreno compreende uma camada rasa de material aluvial, valas são geralmente escavadas através da área mineralizada para expor o embasamento.

Um prospector identifica a descoberta, mede tanto a largura quanto o comprimento, e estima a área mineralizada. Amostras das valas são analisadas em laboratório. Mesmo quando minerais podem ser encontrados na superfície, determinar qualquer extensão em profundidade é uma questão de conjectura qualificada. Se as descobertas do prospector e sua teorização sobre a provável existência de um depósito de minério estão em terreno sólido, então o próximo passo é explorar a terra circundante.

Exploração é um termo que abrange geofísica, geoquímica e, finalmente, as atividades mais custosas, viz. perfuração no solo para obtenção de amostras de qualquer profundidade. A Fig. 1 mostra a sequência geral de atividades na prospecção e exploração de um depósito de minério. Exploração eficiente depende de produção de mapas cada vez mais sofisticados para fins de planejamento e rotas de acesso, para mapeamento geológico, geofísico, geoquímico e estrutural. Hoje, mapas topográficos aéreos detalhados estão disponíveis dando ao explorador informação básica para determinar onde encontrar áreas com bom potencial de depósito de minério.

Exploração Geofísica

Após sua introdução nos anos 1950, levantamentos geofísicos aerotransportados tornaram-se um primeiro passo comumente usado na exploração geofísica. Grandes áreas podem ser efetivamente cobertas em curto período de tempo. Os mapas aerogeofísicos mais comuns são mapas de magnetômetro que registram as variações no campo magnético da terra com alto grau de precisão. A seleção ótima de altitude e espaçamento, bem como escolha de instrumentação, são importantes em levantamentos geofísicos aerotransportados.

Da superfície, diferentes métodos geofísicos são usados para explorar formações subsuperficiais, baseados nas propriedades físicas de rochas e minerais portadores de ferro, como magnetismo, gravidade, condutividade elétrica, radioatividade e velocidade do som. Dois ou mais métodos são frequentemente combinados em um levantamento, para adquirir dados mais confiáveis. Resultados dos levantamentos são compilados e combinados com informação geológica da superfície e lascas ou amostras de testemunho de qualquer perfuração de testemunho anterior, para decidir se vale a pena prosseguir com exploração adicional. Caso os resultados do levantamento apontem para exploração adicional, a informação forma base para as atividades de perfuração. Como o levantamento geofísico é normalmente conduzido do ar para começar, informações dos levantamentos de superfície são comparadas e adicionadas ao mapeamento aerotransportado.

Técnicas geofísicas atuais e instrumentação, métodos de amostragem, procedimentos de perfuração e alguns métodos de investigação geológica, conforme aplicáveis para minério de ferro, são descritos abaixo. Geofísica, aplicada a explorações de minério de ferro, é primariamente uma ferramenta de reconhecimento que fornece informação que deve subsequentemente ser complementada por mapeamento geológico, estudos petrográficos, perfuração e avaliação de análises de minério e testes de tratamento. As técnicas geofísicas usadas na busca por minérios de ferro, como na maioria do mapeamento geofísico, baseiam-se na presença de contrastes mensuráveis de propriedades físicas entre os minerais de minério e as rochas circundantes. As propriedades físicas usadas principalmente são magnetismo (tanto permanente quanto induzido) e densidade. Métodos elétricos (incluindo polarização e eletromagnetismo) e estudos sísmicos são usados às vezes em conjunto com levantamentos magnéticos ou gravimétricos para obter melhor definição dos corpos de minério.

Magnetômetros

Magnetômetros modernos têm maior sensibilidade e conveniência de operação. Por causa disso, desde os anos 1950, eles eliminaram outros métodos como agulha de inclinação e super inclinação do emprego prático na exploração de minério de ferro. Magnetômetros passaram por vários estágios sucessivos de desenvolvimento. As formas principais conhecidas, na ordem de sua concepção, são tipo balança, tipo torção e magnetômetros de fluxo de porta (flux gate), seguidos nos últimos anos por magnetômetros que foram concebidos e desenvolvidos no campo da física atômica. Estes últimos instrumentos incluem magnetômetros de vapor de rubídio, précessão de próton e absorção óptica.

Magnetômetros são usados para determinar a força do campo magnético da terra ou seu componente vertical em uma dada localização. O campo da terra é muito fraco, variando de cerca de 0,7 oersted nos polos magnéticos a cerca de 0,25 oersted em alguns pontos no equador magnético. Em estudos geomagnéticos, a força do campo é medida em uma unidade muito menor que o oersted, que é o gamma (igual a 0,00001 oersted). A forma do campo magnético da terra não é uniforme, mas mostra irregularidades regionais de grande escala devido a variações na forma e composição da crosta e manto superior da terra. Variações em menor escala resultam de distúrbios magnéticos causados por concentrações de material magnético perto da superfície e são estas variações locais que são buscadas quando minérios de ferro são procurados.

Levantamento Magnético

O levantamento magnético mede variações no campo magnético da terra causadas por propriedades magnéticas de formações rochosas subsuperficiais. O magnetômetro aerotransportado é a ferramenta geológica primária usada na busca por minérios de ferro e materiais portadores de ferro em grandes áreas. O método de conduzir um levantamento magnético aerotransportado é instalar um magnetômetro de fluxo de porta ou próton de precisão em um avião que percorre a área alvo em altitude fixa e ao longo de linhas de voo predeterminadas. O magnetômetro mede a magnitude do campo magnético da terra. Os dados são registrados eletronicamente junto com a posição do avião e sua altitude. Nos últimos anos, houve melhorias na qualidade dos levantamentos devido a refinamentos no equipamento que incluem maior sensibilidade e simplicidade, gravação de dados de múltiplos canais, miniaturização de instrumentos e capacidade de posicionamento mais precisa. Devido à apresentação e registro dos dados em forma digital, computadores são usados para realizar a necessária redução de dados e requisitos de plotagem necessários para análises e interpretação. Dados destes registros são plotados como mapa de contorno, com linhas conectando pontos de igual intensidade magnética no mapa. Os padrões formados por estas linhas indicam áreas onde anomalias magnéticas (grandes distorções locais do campo magnético da terra) ocorrem. As áreas indicadas por anomalias no mapa magnético são então investigadas em maior detalhe por levantamentos geológicos e por medições de gravidade, estudos eletromagnéticos ou outras técnicas geofísicas. Estas técnicas geofísicas são dadas abaixo.

Levantamentos eletromagnéticos baseiam-se em variações de condutividade elétrica na massa rochosa. Um transmissor é usado para criar um campo eletromagnético alternado primário. Corrente induzida produz um campo secundário na massa rochosa. O campo resultante é rastreado e medido, revelando assim a condutividade das massas subterrâneas.

Levantamentos elétricos medem ou o fluxo natural de eletricidade no solo, ou corrente galvânica levada ao solo e controlada com precisão. Levantamentos elétricos são usados para localizar depósitos minerais em profundidade rasa e mapear estruturas geológicas para determinar a profundidade do sobrecarga ao embasamento, ou localizar o lençol freático.

Levantamentos de polarização induzida são conduzidos ao longo de linhas de grade com leituras tomadas em eletrodos receptores plantados no solo e movidos de estação para estação. Os eletrodos são conectados a um receptor e medem a carregabilidade (a capacidade de vários minerais de construir uma carga de eletricidade) e efeitos de resistividade em corrente forçada no solo e embasamento.

Levantamentos gravimétricos medem pequenas variações no campo gravitacional causadas pela atração de massas rochosas subjacentes. A variação na gravidade pode ser causada por falhas, anticlinais e domos de sal que são frequentemente associados com formações portadoras de óleo. Levantamento gravimétrico também é usado para detectar minerais de alta densidade como minério de ferro.

Em regiões onde formações rochosas contêm minerais radioativos, a intensidade de radiação é consideravelmente maior que o nível de fundo normal. Medir níveis de radiação ajuda a localizar depósitos contendo minerais associados com substâncias radioativas.

Levantamentos sísmicos baseiam-se em variações de velocidade do som experimentadas em diferentes estratos geológicos. O tempo é medido para o som viajar de uma fonte na superfície, através das camadas subjacentes, e subir novamente para um ou mais detectores colocados a alguma distância na superfície. A fonte de som pode ser o golpe de um martelo, um peso pesado caído, um vibrador mecânico ou uma carga explosiva. Levantamento sísmico determina a qualidade do embasamento e pode localizar a superfície de contato de camadas geológicas, ou de um depósito mineral compacto no solo.

No caso de minérios de ferro, o estudo magnético detalhado de áreas anômalas pode envolver uso de magnetômetro em helicóptero, ou levantamentos de solo empregando magnetômetros portáteis de mão ou outros. Uma nova técnica de prospecção eletromagnética conhecida como AFMAG (magnetismo de frequência de áudio) tem sido usada em áreas onde anomalias magnéticas foram detectadas para tentar diferenciar entre depósitos enterrados de vidro vulcânico ou intrusivos portadores de ferro de baixo grau e depósitos com alta magnetização remanescente que representam corpos de minério potenciais. O magnetômetro de vapor de rubídio, similarmente, torna possível a rejeição de depósitos não econômicos por diferenciar entre depósitos magnéticos, altos em suscetibilidade magnética e condutividade elétrica, e vidro vulcânico enterrado e intrusivos portadores de ferro de baixo grau não condutores de baixa suscetibilidade que, no entanto, são capazes de produzir anomalias magnéticas atrativas.

Amostragem e Perfuração

No período inicial de descoberta de minério de ferro, a maior parte da exploração de corpos de minério potenciais foi feita por poços de teste e poços. Hoje em dia, correlação e avaliação dos dados detalhados de magnetômetro ou outros levantamentos é geralmente seguida por um programa de perfuração cuidadosamente elaborado para fornecer amostras que, através de estudos geológicos e mineralógicos, estabeleçam o tipo, qualidade e extensão de minério que pode estar presente, e a natureza e quantidade do sobrecarga ou formações rochosas associadas com o minério.

Considerável atenção é dada hoje para o melhoramento de métodos de perfuração de testemunho para fornecer melhores amostras. A amostra de perfuração mais completa e não perturbada possível a um custo razoável é o objetivo final. Perfuradoras de diamante são empregadas especialmente em formações duras. O uso de lamas de perfuração com perfuradoras de diamante foi adotado onde amostras da mais alta qualidade de material alternadamente duro e mole bandado são desejadas. Perfuradoras rotativas de fundo de poço e perfuradoras de circulação reversa de vários tipos podem fornecer taxa rápida de penetração com recuperação de amostra satisfatória em algumas aplicações de amostragem. Perfuração de linha de cabo (wire line) é empregada em cerca de metade das operações de perfuração de testemunho em algumas partes do mundo. A avaliação estatística dos resultados de perfuração de exploração é feita para fornecer guias para planejamento de programas de perfuração, especialmente com relação ao espaçamento mais econômico de furos e o mais desejável grau de recuperação de testemunho que forneceria amostragem adequada ao menor custo.

A próxima e mais cara parte da sequência de exploração é a perfuração. Para um perfurador, todos os outros métodos de exploração são como bater no mato. A perfuração penetra profundamente no solo e traz amostras de tudo o que encontra em seu caminho. Se há qualquer mineralização em pontos dados bem abaixo da superfície, a perfuração pode dar uma resposta direta e pode quantificar sua presença naquele ponto particular. O gasto para perfuração compreende cerca de metade dos custos totais de exploração. Existem dois principais métodos de perfuração exploratória: perfuração de testemunho e perfuração de percussão.

A perfuração de testemunho rende um cilindro sólido em forma de amostra do solo em uma profundidade exata. A perfuração de percussão rende uma amostra triturada, compreendendo recortes de uma profundidade razoavelmente bem determinada no furo. Além disso, o próprio furo de perfuração pode fornecer uma quantidade complementar de informação, particularmente por registro (logging) usando dispositivos para detectar anomalias físicas, similar aos levantamentos geofísicos mencionados acima.

A perfuração de testemunho é usada para definir o tamanho e os limites exatos da mineralização. Isso é importante para determinar os teores de minério sendo manuseados, e vital para calcular as reservas do minério. Uma perfuração de testemunho subterrânea estrategicamente colocada também pode intersectar novos corpos de minério na vizinhança. O testemunho é uma amostra intacta da geologia subterrânea, que pode ser examinada completamente para determinação da natureza exata da rocha e qualquer mineralização. Amostras de interesse especial são enviadas a um laboratório para análise para revelar o teor de ferro no minério.

Testemunhos de perfuração de exploração são armazenados em caixas especiais e mantidos em arquivos por longo período de tempo. Caixas são marcadas para identificar de qual furo e a que profundidade a amostra foi tomada. A informação reunida por perfuração de testemunho é importante.

Para obter informação geológica rápida a menores custos, métodos de circulação reversa são às vezes usados. Em vez de amostras de testemunho, o geólogo obtém acesso a recortes de perfuração (chips) ao longo do comprimento do furo que são verificados e mapeados para conteúdo mineral após análises de laboratório. Perfuração de circulação reversa está rapidamente se tornando popular para aplicações de perfuração de superfície. As sondas no método de circulação reversa são montadas em caminhões e restritas a terreno acessível e melhores condições de estrada comparadas com equipamentos de perfuração de testemunho, que são prontamente desmontáveis.

Da Prospecção à Mineração

Para a quantificação da mineralização, e para definir a forma, tamanho e teor de metal do depósito, procedimento passo a passo é necessário nas atividades de exploração. Em cada passo do procedimento, a informação em mãos é examinada, para decidir se a continuação dos esforços de exploração é necessária. O objetivo é estar razoavelmente certo de que o depósito é economicamente viável, fornecendo conhecimento detalhado da geologia do depósito. Minério é um conceito econômico, definido como concentração de minerais, que pode ser economicamente explorado e transformado em produto vendável.

Antes que um depósito mineral possa ser rotulado como corpo de minério, conhecimento completo é requerido sobre a mineralização, tecnologia de mineração proposta e métodos de processamento. Os impactos ambientais da mineração e processamento mineral devem ser cuidadosamente estudados e precisam de aprovação. Um pré-requisito para investir na operação de mineração é a confiança necessária para a lucratividade sustentada por um longo período de tempo. Neste estágio, um estudo de viabilidade abrangente é realizado cobrindo requisitos de capital, retornos sobre investimento, período de retorno e outros essenciais. Baseado em toda documentação geológica e no estudo, a organização de mineração obtém uma boa ideia de como minerar o depósito.