Course Syllabus
Obiettivi
Introduzione alle risorse minerarie, dai minerali metallici (ore minerals) ai minerali industriali (industrial minerals), fino alle rocce ornamentali (dimension stones) ed agli aggregati (sabbie e ghiaie). Vengono forniti i concetti base per la descrizione di un giacimento, sia dal punto di vista geometrico - morfologico, sia genetico (giacimenti magmatici, idrotermali, sedimentari, metamorfici ed arricchimento supergenico), nonchè le tecniche di prospezione mineraria. Vengono infine descritte le principali metodologie di coltivazione mineraria di cave e miniere, a cielo aperto ed in sotterraneo, nonché le principali tecniche analitiche utili per caratterizzare ore ed industrial minerals.
Contenuti sintetici
- Ore ed
industrial minerals, concetto di giacimento minerario, tenore,
tonnellaggio e Clarke (tenore medio crostale).
- Estrazione e lavorazione dei minerali metallici ed industriali, ore dressing, problematiche ambientali connesse (es. AMD - acid mine drainage).
- Cave e miniere, normativa nazionale ed internazionale. Tecniche di coltivazione mineraria a cielo aperto ed in sotterraneo.
- Coltivazione mineraria con esplosivo, a cielo aperto ed in sotterraneo.
- Evoluzione della crosta terrestre dall'Archeano al Fanerozoico, principali eventi metallogenici.
- Le principali tecniche analitiche per la caratterizzazione chimica e mineralogica di ore ed industrial minerals: microscopia ottica in luce trasmessa e riflessa, XRF, ICP-AES, ICP-MS, NAA, SEM, TEM, microanalisi EDS e WDS, XRPD, spettroscopia Raman.
- Morfologia e natura dei corpi minerari in funzione delle rocce incassanti: filoni, pipes, mantos, pods, corpi stratiformi e stratabound.
- Tessiture degli ore minerals e della ganga, implicazione per il loro trattamento (ore dressing).
- Risorse e riserve minerarie, prospezione mineraria geochimica, geofisica, core-drilling, esempi.
- Giacimenti magmatici: cristallizzazione frazionata, liquazione, assimilazione magmatica. Esempi: solfuri massicci nelle komatiiti di Kambalda (Australia), livelli a cromite e PGE nel Bushveld complex (Sud Africa), solfuri massicci di Fe-Ni-Cu di Norilsk (Russia), kimberliti, carbonatiti, pegmatiti, greisen, skarn.
- Giacimenti idrotermali: fattori chiave nella loro genesi, tecniche di studio. Porphyry, VMS (volcanogenic massive sulphide), MVT (Mississippi Valley Type), SEDEX (Sedimentary Exhalative), IOCG (Iron Oxide Copper Gold), giacimenti ad U.
- Giacimenti sedimentari: placer, BIF (banded Iron Formations), evaporiti.
- Giacimenti metamorfici: talco, grafite, silicati di Al.
- Giacimenti residuali (es. Al, Ni) ed arricchimento supergenico.
- Rocce ornamentali: classificazione commerciale, tipologie, cave a cielo aperto ed in sotterraneo, principali metodologie di coltivazione, lavorazione dei materiali lapidei, impatto ambientale e relativa mitigazione.
- Prove tecniche (fisico-meccaniche) per la caratterizzazione dei materiali lapidei e degli aggregati.
Programma esteso
Ore minerals & industrial minerals, deposito minerario, minerali utili, ganga, cubaggio, tenore, tout-vènant, mercantile, clarke e clarke di concentrazione. Diagrammi tonnellaggi - tenore. Prezzi degli ore minerals e dei metalli, classificazione commerciale. Metalli "critici": REE e PGE. Import ed export delle materie prime, la produzione lombarda. Recupero e sottoprodotti, forma mineralogica del metallo, sostanze indesiderate, processi di smelting ed ore dressing, problematiche ambientali. Classificazione normativa delle materie prime: materiali di I e II categoria, cave e miniere.
Cenni alle relazioni tra tettonica e metallogenesi dall'Archeano al Fanerozoico.
Esplosivistica civile: principali tipi di esplosivo, deflagranti e detonanti, caratteristiche tecniche. Tiro a fuoco, elettrico e NONEL. Detonatori a fuoco, elettrici, elettronici, NONEL, booster, ritardati e microritardati, esploditori. L'uso dell'esplosivo negli scavi a cielo aperto, in cave di industrial minerals e di rocce ornamentali; scavi in sotterraneo.
Le principali tecniche analitiche per lo studio e la caratterizzazione di materiali geologici di interesse economico ed industriale. Analisi chimiche whole-rock: XRF, ICP-ES, ICP-MS, NAA, pregi e limiti. Microscopia ottica in luce trasmessa e riflessa, analisi modale. Analisi mineralogiche: diffrattometria a raggi-X su polveri (XRPD). Microscopia elettronica a scansione (SEM) ed in trasmissione (TEM), microanalisi chimiche in dispersione di energia (EDS) e di lunghezza d'onda (WDS). Cenni sulla spettroscopia Raman.
Natura e morfologia dei corpi minerari: singenesi ed epigenesi, corpi discordanti e concordanti. Corpi minerari tabulari (filoni, vene), tubulari (pipes, mantos), disseminazioni, ammassi, corpi di sostituzione (es. skarn), corpi stratiformi e stratabound. Principali tipologie di host rock e rapporti con le mineralizzazioni. Tessiture e strutture dei minerali metallici e di ganga, rapporti con ore dressing.
Risorse e riserve minerarie, cenni di prospezione mineraria: indagini geologiche di terreno, remote sensing, geochimica, geofisica, sondaggi, trattamento statistico dei dati.
Classificazione genetica dei giacimenti minerari, metallogenesi, ereditarismo, permanenza, trasformismo, zoning, metallotect, epoca metallogenica e paragenesi. Giacimenti magmatici: cristallizzazione magmatica (es. diamanti nelle kimberliti, cromiti nei complessi basici stratificati, feldspati nelle pegmatiti), segregazione magmatica (cristallizzazione frazionata, liquazione). Giacimenti idrotermali: origine dei fluidi idrotermali, leganti, trasporto, deposizione, giacimenti VMS (volcanic massive sulfide), SEDEX (sedimentary-exalative), MVT (Mississippi Valley Type). Giacimenti di uranio. Giacimenti legati a processi metamorfici. Giacimenti legati a processi sedimentari (BIF banded iron formations, Cu in arenarie, placer, evaporiti). Giacimenti legati a processi di alterazione meteorica: lateriti, bauxiti. Arricchimento supergenico.
Principali ore minerals (associazioni, ore assemblage, matrix assemblage, mining grade): Be, Cr, Cu, Au, Fe, Pb, Zn, Li, Mn, Hg, Mo, Ni, Co, Nb, Ta, PGE (platinum group elements), Ag, Sn, W, Ti, U, V, REE.
Rocce ornamentali: tipologie commerciali, ciclo produttivo di cava e problematiche ambientali. Varietà commerciali: marmi, pietre e graniti. Lavorabilità delle rocce ornamentali in funzione delle caratteristiche mineralogiche e tessiturali. Principali produttori mondiali, i bacini estrattivi italiani. Cave di rocce ornamentali: indagini geologiche preliminari, tipologie di cave rispetto alla morfologia, coltivazione a cielo aperto ed in sotterraneo. Metodi di coltivazione a progressione verticale ed orizzontale. Principali tecniche di coltivazione: filo elicoidale, filo diamantato, perforazione (con e senza esplosivo), tagliatrice a catena, flame-jet, water-jet, cementi espandenti. Lavorazione dei materiali lapidei: riquadratura, taglio, sega a telaio, finitura, lavorazioni speciali. Impatto ambientale: VIA (valutazione di impatto ambientale), misure di mitigazione, recupero ambientale.
Caratterizzazione tecnica dei materiali lapidei e degli aggregati. Materiali lapidei ad uso ornamentale e strutturale: principali prove fisico-meccaniche per la caratterizzazione tecnica delle rocce ad uso ornamentale e strutturale, legami con la mineralogia e le microstrutture. Misura della porosità mediante porosimetria a Hg. Aggregati ad uso stradale e per calcestruzzi: principali prove tecniche per la caratterizzazione di aggregati impiegati in calcestruzzi o per conglomerati bituminosi (es. Los Angeles rattle test). Caratterizzazione mineralogica, minerali indesiderati, reazioni alcali-silice.
Prerequisiti
Conoscenze di base di mineralogia, petrografia e chimica.
Modalità didattica
4 CFU frontali, 1 CFU di laboratorio (tecniche analitiche), 1 CFU di didattica campus abroad (visite tecniche presso cave, miniere ed impianti di lavorazione). Erogato in italiano.
Nel periodo di emergenza COVID-19 le lezioni si svolgeranno in modalità mista: parziale presenza (laboratorio e campus abroad) e lezioni videoregistrate asincrone.
Materiale didattico
Testi generali introduttivi
Slide del corso (disponibili su e-learning), appunti e dispense distribuiti durante il corso, testi consigliati dal docente.
Neukirchen & Ries (2020) - The World of Mineral Deposits. A Beginner's Guide to Economic Geology. Springer, 371 pp.
Arndt & Ganino (2012) - Metals and Society. An introduction to Economic Geology. Springer, 160 pp.
Brigo & Montanari (2006) - Metalli e minerali industriali. Parametri geominerari ed economici. Aracne editrice, 394 pp.
Evans (1993) - Ore geology and industrial minerals. An introduction (III edition). Blackwell Publishing, 389 pp.
Marjoribanks (2010) - Geological methods in mineral exploration and mining. Second Edition. Springer, 238 pp.
Jackson (2019) - Earth Science for Civil and Environmental Engineers. Cambridge University Press, 458 pp.
Kesler & Simon (2015) - Mineral resources, economics and the environment (II edition). Cambridge University Press, 434 pp.
Primavori (1999) - Pianeta Pietra. Giorgio Zusi Editore, 326 pp.
Tecniche analitiche
Gualtieri (2018) - Introduzione alle tecniche analitiche strumentali. Applicazioni alla mineralogia e alla scienza dei materiali. Libreriauniversitaria.it Ed., 335 pp.
Mercurio, Langella, Di Maggio & Cappelletti (2019) - Analisi mineralogiche in ambito forense. Aracne editrice, 455 pp.
Prospezione mineraria
Dentith & Mudge (2014) - Geophysics for the Mineral Exploration Geoscientist. Cambridge University Press, 438 pp.
Moon, Whateley & Evans (2004) - Introduction to Mineral Exploration, II ed. Blackwell publishing, 481 pp.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
II semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Prova scritta preliminare, costituita da un test a risposte chiuse (10 quesiti) e 3 semplici esercizi.
La successiva prova orale consiste in un colloquio sugli argomenti svolti a lezione.
Orario di ricevimento
Lunedì dalle 10:30 alle 12:30 o su appuntamento (edificio U4, I piano, stanza 1027).
Aims
Introduction to mineral resources, from ore minerals to industrial minerals, up to dimension stones and aggregates (sands and gravels). The basic concepts for the description of an ore deposit are provided, both from a geometrical - morphological and genetic point of view (magmatic, hydrothermal, sedimentary, metamorphic and supergenic enrichment deposits), as well as mining prospecting techniques. Finally, the main methods of mining cultivation of quarries and mines, both open cast and underground, are described, as well as the main analytical techniques for the chemical and mineralogical characterization of ore and industrial minerals.
Contents
- Ore and industrial minerals, concept of mineral deposit, grade or tenor, tonnage and Clarke (mean crustal tenor).
- Extraction and processing of metallic and industrial minerals, mineral processing, related environmental problems (eg AMD - acid mine drainage).
- Quarries and mines, national and international legislation. Open and
underground mining techniques.
- Mining with explosives, both open cast and underground.
- Evolution of the Earth's crust from the Archean to the Phanerozoic, main metallogenic events.
- The main analytical techniques for the chemical and mineralogical
characterization of ore and industrial minerals: optical microscopy in
transmitted and reflected light, XRF, ICP-AES, ICP-MS, NAA, SEM, TEM, EDS and
WDS microanalysis, XRPD, Raman spectroscopy .
- Morphology and nature of ore bodies according to the host rocks: lodes,
veins, pipes, mantos, pods, stratiform and stratabound bodies .
- Textures and microstructures of ore minerals and gangue, implication for
their treatment (ore dressing).
- Mineral resources and reserves, geochemical and geophysical mineral
prospecting, core drilling, examples.
- Magmatic deposits: fractional crystallization, liquation, magmatic
assimilation. Examples: massive sulphides in Kambalda komatiites (Australia),
chromite and PGE seams in the Bushveld complex (South Africa), massive Fe-Ni-Cu
sulphides in Norilsk (Russia), kimberlites, carbonatites, pegmatites, greisen,
skarn.
- Hydrothermal deposits: key factors in their genesis, study techniques. Porphyry,
VMS (volcanogenic massive sulphide), MVT (Mississippi Valley Type), SEDEX
(Sedimentary Exhalative), IOCG (Iron Oxide Copper Gold), U deposits.
- Sedimentary deposits: placers, BIF (banded Iron Formations), evaporites.
- Metamorphic deposits: talc, graphite, Al silicates.
- Residual deposits (e.g. Al, Ni) and supergenic enrichment.
- Dimension stones: commercial classification, typologies, open pit and
underground quarries, main extraction methods, processing of stone materials,
environmental impact and relative mitigation.
- Technical (physical-mechanical) tests for the characterization of stone
materials and aggregates.
Detailed program
Ore minerals & industrial minerals, ore deposits, ore minerals, gangue, tonnage, tenor, tout-vènant, Clarke and concentration Clarke. Tonnage - tenor diagrams. Mineral and metal ore prices, commercial classification. "Critical" metals: REE and PGE. Import and export of raw materials, Italian and Lombard production. Recovery and by-products, mineralogical form of metals, unwanted substances, smelting processes and ore dressing, environmental problems. Regulatory classification of raw materials: I and II category materials, quarries and mines.
Evolution of
the Earth's crust, from the Archean to the Phanerozoic eon.
Mining and
quarrying with explosives: main types of explosives, deflagrants and detonants,
technical characteristics. Fire, electric, electronic and NONEL detonators,
boosters. Detonating cord. The use of explosives in open pit mines and
quarries, dimension stone quarries and underground excavations.
The main
analytical techniques for the chemical and mineralogical characterization of
geological materials of economic and industrial interest. Whole-rock geochemical analysis: XRF,
ICP-ES, ICP-MS, NAA, merits and limits. Optical microscopy in transmitted and
reflected light, modal analysis. Mineralogical analysis: X-ray powder
diffraction (XRPD). Scanning electron microscopy (SEM) and transmission
electron microscopy (TEM), EDS and WDS microprobe. Overview of Raman
spectroscopy.
Nature and
morphology of ore bodies. Syngenesis and epigenesis, discordant and concordant
ore bodies. Tabular bodies (lodes and veins), tubular bodies (pipes and
mantos), disseminations, stockwork, replacement (e.g. skarn), stratiform and
stratabound bodies. Main types of host rocks and relationships with ore bodies.
Textures and microstructures of ore and gangue minerals, attitude to ore
dressing and processing.
Mineral
resources and reserves; mineral prospecting: geological surveys, remote
sensing, geochemistry, geophysics core drilling, statistical data processing.
Genetic classification of mineral deposits, metallogenesis, inheritance, permanence, transformation, zoning, metallotect, metallogenic epoch and paragenesis. Magmatic deposits: magmatic crystallization (e.g. diamonds in kimberlites, chromites in stratified basic complexes, feldspars in pegmatites), magmatic segregation (fractional crystallization, liquation). Hydrothermal deposits: origin of hydrothermal fluids, ligands, transport, deposition, VMS (volcanic massive sulfide) deposits, SEDEX (sedimentary-exhalative), MVT (Mississippi Valley Type). Uranium deposits. Deposits linked to metamorphic processes. Deposits linked to sedimentary processes BIF (banded iron formations), Cu in sandstones, placers, evaporites. Deposits linked to weathering: laterites, bauxites. Supergene enrichment.
Main ore
minerals (associations, ore assemblage, gangue, mining grade): Be, Cr, Cu, Au, Fe,
Pb, Zn, Li, Mn, Hg, Mo, Ni, Co, Nb, Ta, PGE (platinum group elements), Ag, Sn,
W, Ti, U, V, REE (rare earth elements).
Dimension stones: commercial varieties (marbles, granites and stones), quarry production cycle and environmental problems. Workability of ornamental rocks according to mineralogical and textural characteristics. Main world producers, the Italian extraction basins. Quarries of ornamental stones: preliminary geological investigations, types of quarries with respect to the morphology, open and underground cultivation. Quarrying methods with vertical and horizontal progression. Main quarrying techniques: helicoidal wire, diamond wire, drilling (with and without explosives), chain cutting machine, flame-jet, water-jet, expanding cements. Processing of stone materials: framing, cutting, frame saw, finishing, special processing. Environmental impact: EIA (environmental impact assessment), mitigation measures, environmental recovery.
Technical characterization of stone materials and aggregates. Stone materials for ornamental and structural use: main physical-mechanical tests for the technical characterization of rocks for ornamental and structural use, links with mineralogy and microstructures. Measurement of porosity by Hg intrusion porosimetry (MIP). Aggregates for road use and for concrete: main technical tests for the characterization of aggregates used in concrete or for bituminous conglomerates (e.g. Los Angeles rattle test). Mineralogical characterization, undesired minerals, alkali-silica reactions.Prerequisites
Basic knowledge in mineralogy, petrography and chemistry.
Teaching form
4 credits of lectures, 1 credit of laboratory (analytical techniques), 1 credit of campus abroad teaching (technical visits at quarries, mines and processing plants). Held in Italian.
During the COVID-19 emergency period, lessons will take place in a mixed mode: partial presence (laboratory and campus abroad) and asynchronous recorded lessons.
Textbook and teaching resource
Introduction to ore geology
Course slides (available on e-learning), notes and schemes distributed during the course, recommended books and texts.
Slide del corso (disponibili su e-learning), appunti e dispense distribuiti durante il corso, testi consigliati dal docente.
Neukirchen & Ries (2020) - The World of Mineral Deposits. A Beginner's Guide to Economic Geology. Springer, 371 pp.
Arndt & Ganino (2012) - Metals and Society. An introduction to Economic Geology. Springer, 160 pp.
Brigo & Montanari (2006) - Metalli e minerali industriali. Parametri geominerari ed economici. Aracne editrice, 394 pp.
Evans (1993) - Ore geology and industrial minerals. An introduction (III edition). Blackwell Publishing, 389 pp.
Marjoribanks (2010) - Geological methods in mineral exploration and mining. Second Edition. Springer, 238 pp.
Jackson (2019) - Earth Science for Civil and Environmental Engineers. Cambridge University Press, 458 pp.
Kesler & Simon (2015) - Mineral resources, economics and the environment (II edition). Cambridge University Press, 434 pp.
Primavori (1999) - Pianeta Pietra. Giorgio Zusi Editore, 326 pp.
Analytical techniques
Gualtieri (2018) - Introduzione alle tecniche analitiche strumentali. Applicazioni alla mineralogia e alla scienza dei materiali. Libreriauniversitaria.it Ed., 335 pp.
Mercurio, Langella, Di Maggio & Cappelletti (2019) - Analisi mineralogiche in ambito forense. Aracne editrice, 455 pp.
Mineral exploration
Dentith & Mudge (2014) - Geophysics for the Mineral Exploration Geoscientist. Cambridge University Press, 438 pp.
Moon, Whateley & Evans (2004) - Introduction to Mineral Exploration, II ed. Blackwell publishing, 481 pp.
Semester
II semester
Assessment method
Preliminary written test with closed answers (10 questions) and 3 simple exercises.
The oral exam consists of an interview about the topics covered in class.
Office hours
Monday from 10:30 to 12:30 AM or by appointment (building U4, I floor, room 1027).