鉄鉱石地質と探鉱：プロスペクティング成功のための実証済み戦略

鉄鉱石鉱床の地質、プロスペクティングと探鉱

鉄は古代から知られています。鉄は主要構成元素として、または微量として、リソスフェア（岩石圏）に遍在しています。存在量では酸素、ケイ素、アルミニウムに次いで第4位です。

鉄鉱石は地質年代で幅広い形成期を持ち、地理的分布も広範です。これらの鉱石は、地殻最古の岩石（25億年以上前）から、その後の様々な時代に形成された岩石まで見つかります。実際、鉄酸化物が沈殿している地域では、今日でも鉄鉱石が形成されています。

世界中で数千の鉄鉱石産地が知られています。規模は数トンから数億トンまで多岐にわたります。鉄鉱石鉱床は、多様な地質条件下で、異なる地質構造の中で、世界の様々な地域に分布しています。最大の鉱石濃縮は、先カンブリア紀の縞状堆積鉄鉱層（BIF）で見つかります。これらの構造が世界鉄鉱石資源の大部分を構成しています。

鉄鉱石の地質的環境と分類

鉄鉱石は、火成岩、変成岩、堆積岩、または一次鉄含有物質の風化生成物として、多様な地質環境で発生します。鉄鉱石は、類似の地質的発生、組成、構造を持つタイプに分類できます。以下は、鉱床成因と地質環境に基づく簡略分類で、鉄鉱石の主要な産状様式と鉄鉱石鉱床の多様な地質を示しています。

• 火成鉱石 — 液状岩石物質からの結晶化で形成される鉄鉱石鉱床。重い鉄含有鉱物結晶が結晶化時に沈殿して鉄リッチ濃集を形成した可能性のある層状タイプ鉱床、または周囲壁岩と貫入関係を示す鉱床のいずれか。これらの鉱床は板状または不規則で、主に磁鉄鉱で構成され、変動する量の赤鉄鉱を含みます。火成鉱石は通常鉄含有量が高く、リンやチタン含有量が高いことが多いです。
• 接触鉱石 — 火成岩と堆積岩の接触部付近で形成される鉄鉱石鉱床。通常磁鉄鉱と赤鉄鉱で構成され、炭酸塩と黄鉄鉱を伴います。鉱床は通常、不規則または板状の置換鉱体として堆積岩中にあります。
• 熱水鉱石 — 高温溶液が鉄を輸送し、化学組成が有利な岩石を鉄鉱物で置換して不規則鉱体を形成した鉄鉱石鉱床。これらの鉱床では、鉄は菱鉄鉱（FeCO₃）として、または酸化物として産出することが多いです。
• 堆積鉱石 — (i)層状鉱石、(ii)菱鉄鉱鉱石、(iii)プレーサー鉱石、または(iv)沼鉄鉱石。「層状鉄鉱石」は、菱鉄鉱、方解石、ケイ酸塩マトリックス中に、赤鉄鉱、菱鉄鉱、鉄ケイ酸塩、または比較的稀な褐鉄鉱のオオライトで構成されることが多いです。これらの鉱石は他の堆積岩と関連して広い地理的分布を持ち、しばしばかなり高いリン含有量を持ちます。鉱石は自己溶融性の場合があります。「菱鉄鉱鉱石」は、頁岩と関連した菱鉄鉱層または菱鉄鉱ノジュールで構成されます。石炭層で一般的で、粘土鉄石や黒帯鉄石と呼ばれることが多いです。これらの鉱石は通常硫化物を伴う関連鉱物を含み、しばしばかなり高い硫黄とリン含有量を持ちます。鉄酸化物は緻密な場合、風化と侵食に耐性があり、好条件下では「プレーサー鉱床」を形成し、稀に鉄鉱石を構成します。プレーサー鉱床は鉄源としてはマイナーな重要性です。「沼鉄鉱石」は多くの湿地帯で発生します。通常、暗褐色の細胞状塊、または粒状・微粒子状の褐鉄鉱として産出します。これらの鉱石はとっくに商業的重要性を失っています。
• 変成鉄層 — 通常、微細石英と酸化鉄の薄層が交互に構成される変成層状鉄質岩を含みます。鉄は通常、磁鉄鉱または赤鉄鉱の鉱物形で、少量の鉄ケイ酸塩と鉄炭酸塩とともに存在します。本質的にすべての先カンブリア紀堆積鉄層はこのタイプです。変成タイプには、元の鉱石形態が広範な再結晶化で不明瞭になったものも含まれます。これらの鉄層の一部は、微細粉砕と磁気法による鉱物濃縮による選鉱適性により、経済的に重要な鉄鉱石となっています。
• 残留鉱石 — 通常、岩石表層風化の産物ですが、熱水酸化と浸出で形成された鉱石も含む場合があります。このタイプの鉱石は、岩石の50%以上を常に構成していたシリカ浸出により、先カンブリア鉄層で広範に形成されました。酸化により鉄炭酸塩、ケイ酸塩鉱物、磁鉄鉱が赤鉄鉱や褐鉄鉱に変化しました。

鉄鉱石資源と埋蔵量

ある地域に存在することが知られている潜在的鉄鉱石を鉄鉱石資源と呼びます。識別資源には、埋蔵量と、将来の経済条件下で採掘が採算性を持つ可能性のあるその他の鉄含有物質が含まれます。識別資源とは、特定の地質的証拠から、その位置、品位、品質、量が知られている、または推定されているものです。識別資源には、経済的、限界経済的、非経済的要素が含まれ、地質的確実性の程度に応じて、これら各経済区分はさらに測定、推定、推論に細分できます。埋蔵量とは、その決定時点で経済的に採掘可能な資源と定義されます。

探鉱とプロスペクティング

既存鉄鉱石鉱床の開発は鉱山操業の容易な部分です。難しいのは、新しい鉱床を見つけ、その範囲と鉄含有量（品位）を定義することです。探鉱とは、鉄鉱石鉱物の地殻内蓄積を発見するプロセスです。鉱山操業立ち上げに必要な多額投資を行う前に、鉱山組織は鉱床が経済的に採算性があり、十分長期間にわたる鉱石生産を保証する鉱量があることを確認する必要があります。生産開始後も、鉱化延伸の位置特定と画定、採掘中の埋蔵量に代わる新規有望区画の探索が必要です。 延伸調査と新規鉱床探索は、鉱山組織にとって不可欠な活動です。

プロスペクティングとは、利益を得て採掘する目的で、ある地域を鉱物鉱床探索することです。つまり、鉱物鉱床を鉱石鉱床に変えることです。ある地域をプロスペクティングする地質学者は、色、形、岩石組成の不規則性を観察して、鉱物の地表露頭を探します。彼の経験が、成功確率を最大化するためにどこを見るべきかを教えてくれます。

探鉱はプロスペクティングと似ていますが、鉱石鉱床の体系的調査に用いられる用語です。プロスペクティングがどこで探鉱になるかを定義するのは容易ではありません。興味深い地域が選定された後、探鉱許可申請を行います。役人の承認が必要で、承認後に探鉱活動を開始できます。

プロスペクティングと探鉱関連活動

プロスペクティングと探鉱に関連する活動の第一歩は、特に閉山鉱山とコアサンプル、以前の探鉱から入手可能なその他関連情報など、歴史的・既存データのレビューを実施することです。これにより、新規活動に必要な時間とコストを大幅に節約できます。地域探鉱の最も安価なフェーズの一つは、包括的で詳細かつ正確な地質図作成で、テープとコンパスなど基本機器から始まることが多いです。精度は航空写真を用いて露頭、主要断層帯、基本地形制御を特定することで向上できます。各ステップでコストは増加しますが、結果として得られる地図の精度と詳細も向上します。

土壌で覆われた土地はプロスペクターにとってアクセス不能で、まず鉱化露頭を探します。土地被覆が浅い堆積物層で構成される場合、鉱化帯を横切ってトレンチを掘り、基盤岩を露出させるのが一般的です。

プロスペクターは発見を特定し、幅と長さを測定し、鉱化区域を推定します。トレンチからのサンプルを実験室で分析します。鉱物が地表で見つかっても、深度方向延伸を決定するのは適格な推測の問題です。 プロスペクターの発見と、鉱石鉱床の可能性のある存在についての理論化が確固たる根拠に基づいていれば、次のステップは周辺土地の探査です。

探鉱は、地球物理学、地球化学、そして最終的により高コストな活動、すなわちサンプル採取のための地中掘削を包含する用語です。図1に鉱石鉱床のプロスペクティングと探鉱における一般的活動順序を示します。効率的な探鉱は、計画目的とアクセスルート、地質、地球物理、地球化学、構造マッピングのために、ますます高度な地図作成に依存します。今日、詳細な航空地形図が利用可能で、探鉱者に鉱床の良いポテンシャルを持つ地域を決定する基本情報を提供します。

地球物理探鉱

1950年代の導入以来、航空地球物理調査は地球物理探鉱の一般的な第一歩となっています。広大な地域を短期間で効果的にカバーできます。最も一般的な航空地球物理図は磁力計図で、地球磁場変動を高精度で記録します。航空地球物理調査では、最適な高度と間隔選択、計器選択が重要です。

地表からは、岩石と鉄含有鉱物の物理的特性（磁気、重力、電気伝導度、放射能、音速）に基づき、様々な地球物理手法で地下構造を探査します。2つ以上の手法を1回調査で組み合わせ、より信頼性の高いデータを取得することがよくあります。 調査結果はまとめられ、地表地質情報と過去のコア掘削からのチップまたはコアサンプル地質情報と照合し、更なる探鉱を進める価値があるか判断します。 調査結果が更なる探鉱を示唆する場合、その情報が掘削活動の基礎となります。 地球物理調査は通常、最初に航空から実施されるため、地表調査情報は航空マッピングと比較・追加されます。

鉄鉱石探鉱に適用可能な現在の地球物理技術と計器、サンプリング方法、掘削手順、地質調査方法の一部を以下に説明します。 鉄鉱石探鉱に適用される地球物理学は、主に偵察ツールであり、その後地質マッピング、岩石記載学的研究、掘削、鉱石分析と選鉱試験評価によって補完される情報を提供します。 鉄鉱石探査に使用される地球物理技術は、ほとんどの地球物理マッピングと同様、鉱石鉱物と周囲岩石間の物理的特性の測定可能なコントラスト存在に基づいています。 主に使用される物理的特性は磁気（常磁性と誘導磁気）と密度です。 電気的方法（分極と電磁気を含む）と地震調査は、磁気または重力調査と併用して、鉱体のより良い定義を得るために使用されることがあります。

磁力計

現代磁力計は感度と操作利便性が向上しています。このため、1950年代以来、ディップニードルとスーパーディップなど他の方法を、鉄鉱石探鉱実務から排除してきました。 磁力計はいくつかの連続した開発段階を経てきました。 主要形式は、着想順に、天秤型、捩れ型、フラックスゲート磁力計、そして近年では原子物理学分野で着想・開発された磁力計です。 これら後者の計器には、ルビジウム蒸気、陽子進動、光吸収磁力計が含まれます。

磁力計は、与えられた地点での地球磁場強度またはその垂直成分を決定するために使用されます。 地球磁場は非常に弱く、磁極で約0.7エルステッド、磁気赤道上の一部地点で約0.25エルステッドの範囲です。 地磁気研究では、エルステッドよりはるかに小さな単位、ガンマ（0.00001エルステッドに等しい）で磁場強度を測定します。 地球磁場形状は均一ではなく、地殻と上部マントルの形状・組成変化による大規模地域的不規則性を示します。 小スケール変動は、地表付近の磁性物質集中による磁気擾乱から生じ、鉄鉱石探査時に求められるのはこれら局所変動です。

磁気探査

磁気探査は、地下岩石構造の磁気特性による地球磁場変動を測定します。 航空磁力計は、広大な地域での鉄鉱石と鉄含有物質探索の主要地質ツールです。 航空磁気探査方法は、フラックスゲートまたは陽子精密磁力計を飛行機に搭載し、目標地域を固定高度と所定飛行ラインで横断させます。 磁力計は地球磁場強度を測定します。 データは飛行機位置と高度とともに電子的に記録されます。 近年、より高感度と簡素化、マルチチャネルデータ記録、計器小型化、より正確な位置決定能力など、機器改良により調査品質が向上しています。 データがデジタル形式で提示・記録されるため、コンピュータで必要なデータ縮約と分析・解釈用プロット要件を実行します。 これらの記録データは、地図上で等磁気強度点を結ぶ線として等高線図としてプロットされます。 これらの線が形成するパターンは、磁気異常（地球磁場の主要局所歪み）が発生する地域を示します。 磁気図上の異常で示される地域は、地質調査と重力測定、電磁気調査、または他の地球物理技術でより詳細に調査されます。 これらの地球物理技術は以下の通りです。

電磁気探査は、岩石塊内電気伝導度変動に基づきます。 送信機で一次交流電磁場を生成します。 誘導電流が岩石塊に二次場を生成します。 結果場をトレース・測定し、地下塊伝導度を明らかにします。

電気探査は、地中自然電流流動、または地中に導入し正確に制御したガルバニ電流を測定します。 電気探査は、浅深度鉱物鉱床位置特定、地質構造マッピングによる基盤岩までの覆土深度決定、地下水位位置特定に使用されます。

誘導分極探査は、グリッドラインに沿って実施し、地中に植えられた受信電極で測定値を取得し、ステーション間で移動します。 電極は受信機に接続され、帯電率（様々な鉱物が電気電荷を蓄積する能力）と、地中・基盤岩に強制された電流への抵抗率効果を測定します。

重力探査は、基盤岩石塊の引力による重力場微小変動を測定します。 重力変動は、断層、背斜、塩ドームによって生じることがあり、これらはしばしば産油構造と関連します。 重力探査は、鉄鉱石など高密度鉱物検出にも使用されます。

岩石構造に放射性鉱物を含む地域では、放射線強度が通常背景レベルより著しく高くなります。 放射線レベル測定は、放射性物質関連鉱物を含む鉱床位置特定に役立ちます。

地震探査は、異なる地質層で経験される音速変動に基づきます。 地表音源から、下層を通って、地表に配置された1つ以上の検出器まで、音が伝わる時間を測定します。 音源は、スレッジハンマー打撃、重り落下、機械式バイブレーター、爆薬装薬などです。 地震探査は基盤岩品質を決定し、地質層接触面や地中緻密鉱床を位置特定できます。

鉄鉱石の場合、異常領域の詳細磁気研究には、ヘリコプター搭載磁力計や、手持ち型やその他携帯型磁力計による地表調査が関与することがあります。 AFMAG（音響周波数磁気法）として知られる新しい電磁気プロスペクティング技術が、磁気異常検出地域で、埋没火山ガラスや低品位鉄含有貫入岩と、潜在的鉱体を表す高残留磁化を持つ鉱床を区別するために使用されています。 ルビジウム蒸気磁力計も同様に、磁気感受率と電気伝導度が高い磁性鉱床と、埋没火山ガラスや低感受性非伝導性低品位鉄含有貫入岩（しかし魅力的な磁気異常を生成できる）を区別することで、非経済的鉱床を除外可能にします。

サンプリングと掘削

鉄鉱石発見初期には、潜在鉱体探査の大部分は試掘坑と坑道で行われました。 現在では、磁力計や他調査からの詳細データ相関・評価に続き、慎重に計画された掘削プログラムでサンプルを採取し、地質学的・鉱物学的研究を通じて、存在し得る鉱石の種類、品質、範囲、鉱石に関連する覆土や岩石構造の性質と量を確定します。

近年、より良いサンプル提供のためコア掘削方法改良に相当な注意が払われています。 合理的コストで可能な限り完全で擾乱のないドリルサンプル取得が究極目標です。 ダイヤモンドドリルは特に硬い地層で使用されます。 ダイヤモンドドリルでの掘削泥使用は、交互に硬軟帯状物質から最高品質サンプルが望まれる場合に採用されています。 ロータリーダウンホールドリルとリバースサーキュレーションドリルのいくつかのタイプは、一部サンプリング用途で満足できるサンプル回収率で高速貫入率を提供できます。 ワイヤラインドリルは、世界一部地域でコア掘削操業の約半分で採用されています。 探鉱掘削結果の統計的評価は、掘削プログラム計画指針、特に最も経済的な孔間隔と、最低コストで適切サンプリングを提供する最も望ましいコア回収度に関して、ガイドを提供するために実施されます。

探鉱シーケンスで次の最も高コストな部分は掘削です。 掘削業者にとって、他のすべての探査方法は藪をつついているようなものです。 掘削は地中深く貫入し、通過したものすべてのサンプルを持ち上げます。 与えられた地点の地表深くに鉱化があれば、掘削は率直な回答を与え、その特定地点での存在を定量化できます。 掘削支出は総探鉱コストの約半分を占めます。 探鉱掘削には主に2つの方法があります：コア掘削と打撃掘削。

コア掘削は、正確な深度での地中円柱形固体サンプルを生成します。 打撃掘削は、孔内かなり正確な深度からのカッティングで構成される破砕サンプルを生成します。 それ以上に、ドリル孔自体が補完的情報量を提供でき、特に物理異常検出デバイスを用いたロギングにより、前述の地球物理調査と類似の情報が得られます。

コア掘削は、鉱化の規模と正確な境界を定義するために使用されます。 これは扱われる鉱石品位決定に重要で、鉱石埋蔵量計算に不可欠です。 戦略的に配置された地下コア掘削は、近隣の新規鉱体とも交差できます。 コアは地下地質の完全なサンプルで、岩石の正確な性質と鉱化を徹底的に調べることができます。 特別な関心サンプルは実験室に送られ、鉱石中鉄含有量を明らかにする分析を受けます。

探鉱掘削コアは特殊ボックスに保管され、長期間アーカイブされます。 ボックスにはどの孔から、どの深度でサンプル採取されたかを識別するマークが付けられます。 コア掘削で収集される情報は重要です。

より低コストで迅速な地質情報取得のため、リバースサーキュレーション法が使用されることがあります。 コアサンプル代わりに、地質学者は孔全長のドリルカッティング（チップ）を入手し、実験室分析後に鉱物含有量をチェック・マッピングします。 リバースサーキュレーションドリルは、表面掘削用途で急速に普及しています。 リバースサーキュレーション法リグはトラック搭載で、コア掘削設備（容易に分解可能）と比較して、アクセス可能地形とより良い道路条件に制限されます。

プロスペクティングから採掘へ

鉱化定量化と、鉱床形状、サイズ、金属含有量定義のため、探鉱活動ではステップバイステップ手順が必要です。 手順の各ステップで、手元情報を検討し、探鉱努力継続が必要か判断します。 目的は、鉱床地質の詳細知識を提供することで、鉱床が経済的に採算性があることをかなり確実にすることです。 鉱石は経済概念で、経済的に開発可能で販売可能製品に変換できる鉱物濃縮と定義されます。

鉱物鉱床を鉱体としてラベル付けする前に、鉱化、提案採掘技術、選鉱方法について完全な知識が必要です。 採掘と鉱物処理の環境影響を慎重に研究し、承認を得る必要があります。 鉱山操業投資の前提条件は、長期間にわたる持続的収益性への信頼です。 この段階で、資本要件、投資収益率、回収期間、その他必須事項をカバーする包括的実現可能性調査を実施します。 すべての地質ドキュメントと調査に基づき、鉱山組織は鉱床採掘方法について良い見通しを得ます。