【韓退之專欄】明日巨星「電池」掀起採礦熱

保羅·沃森 (Paul Voosen)，一位報導地球和行星科學的專家說，美國地質調查局正在資助繪製阿拉斯加東部變質岩的地圖，這些變質岩可能含有許多重要的礦物，包括稀土。他發表在《科學》期刊上的<尋寶> (TREASURE HUNT)指出，這是一代人以來的第一次美國全國地質調查可能會揭示急需的關鍵礦物供應(The first U.S. nationwide geological survey in a generation could reveal badly needed supplies of critical minerals) 為的是明日巨星「電池」。

在華盛頓特區，沒有什麼話題比美國需要找到「關鍵礦物」的可靠來源更能吸引兩黨的支持了，「關鍵礦物」是 50 種開採物質的集合，現在主要來自其他國家，包括一些不友好或不穩定的物質。該清單由美國地質勘探局在國會的指導下制定，不僅包含主要在中國生產的 17 種稀土元素，還包含用於生產鋼鐵的鋅和用於電動汽車電池的鈷等稀有材料。「這些商品對於一切都是必需的，」USGS 能源和礦產副主任 Sarah Ryker 說。「它們也是衝突的導火索。」

文 / 韓退之 綜合報導

從空中看，緬因州是一片均勻的綠色海洋：森林覆蓋了該州 90% 的面積。但在樹葉和泥土下面是一系列更加多樣化的地質地形，由數億年前與北美碰撞的火山島遺跡建造而成。兩年前，裝有傳感器的飛機開始調查這些地球化學豐富的地形，尋找珍貴的礦物。研究人員發現了從距離加拿大邊境 50 公里的彭寧頓山流出的異常信號。地質學家穿過造紙廠周圍的松樹林，採集岩石樣本。他們最終發現了含有價值數十億美元的鋯、鈮和其他對電子、國防和可再生能源技術至關重要的元素的礦床。「這是一個完美的發現，」參與緬因州發現工作的美國地質調查局 (USGS) 名譽科學家約翰·斯萊克 (John Slack) 說。他期待更多這樣的事情。「我們認為整個阿巴拉契亞山脈都有潛力。」

但在過去十年，當立法者開始向美國地質勘探局詢問美國供應情況時，得到的答復令人不安：該機構甚至不知道去哪裡尋找。幾十年來，公司一直在將採礦業務轉移到國外，部分原因是為了避開相對嚴格的美國環境法規。確定礦產資源和激發企業興趣所需的基本勘探已經停滯不前。上一次全國性的鈾勘探調查於 1980 年代結束。Ryker 表示，與大多數發達國家（包括澳大利亞、加拿大，甚至愛爾蘭）相比，美國的情況「欠缺」。「我們正處於一個尷尬的時刻。」

「我們正在整個國家看到復興」

用代表磁數據的顏色覆蓋的地形圖。 顏色範圍從深藍色到綠色再到紅色。 地圖的大部分是綠色的，有小塊的藍色和大片的紅色。密蘇里州東南部地下的磁異常揭示了 14 億年前形成的氧化鐵礦床。美國地質調查局為了開始填補這一知識空白，美國地質勘探局在 2019 年啟動了所謂的地球測繪資源計劃或地球 MRI。憑藉 1000 萬美元的適度年度預算，該機構開始與州地質調查局合作，對數據進行數字化處理，並委託實地工作人員詳細繪製最有希望的地形圖。

然後，在 2021 年，兩黨基礎設施法向該計劃撥款 3.2 億美元——幾乎佔整個 USGS 預算的三分之一——將在 5 年內花費。這筆支出已經使數百次調查飛行成為可能，它正在開啟經濟地質學的黃金時代。它也是基礎科學的福音——填補地質歷史的空白，識別未知的地震斷層，以及揭示地熱系統。「我們正在整個國家看到復興，」新墨西哥州地質和礦產資源局的經濟地質學家 Virginia McLemore 說。「為了達到這一點，我一生都在訓練。」這些發現可能會刺激大量的採礦活動，環保主義者對此持謹慎態度。如果 USGS 發現有前途的礦石系統，公司將必須證明他們可以安全地開發它們，並且對環境的影響最小，環境非營利組織世界資源研究所美國國際參與主任梅麗莎巴巴內爾說。「它永遠不可能是零傷害，」她說。「但我們如何才能最大限度地減少危害並將其留在礦山本身？」

地球 MRI 採用一種「礦物系統」方法

與此同時，礦業公司正在擁抱地球 MRI。全球礦業巨頭力拓 (Rio Tinto) 的地球物理學家唐納德·欣克斯 (Donald Hinks) 表示，他鼓勵其他礦工與該計劃合作並共享數據。力拓在全球擁有數十家工廠，但在美國只有幾家。力拓甚至資助了美國地質勘探局在蒙大拿州的一些航班，以換取 1 年的數據獨家訪問權。「在公共領域擁有這種高質量、大規模的數據將推動新想法和新發現，」欣克斯說。

在大部分採礦史中，礦脈的起源故事都無關緊要。探礦者發現了它，礦工們把它挖了出來。但到目前為止，大多數明顯的發現都消失了，美國地質勘探局地球物理學家安妮·麥卡弗蒂 (Anne McCafferty) 說。「唾手可得的果實已經摘下來了。」

這種稀缺性促使地球 MRI 採用一種「礦物系統」方法，該方法首先在澳大利亞開創，該方法試圖根據形成關鍵礦物的過程來預測可能在何處發現關鍵礦物。例如，尋找稀土礦物可能首先要尋找一種不尋常的富含碳的岩石，稱為碳酸岩，這種岩石通常含有從熔岩中結晶出來的稀土元素。或者，地質學家可能會尋找富含粘土的岩石或沉積物，這些岩石或沉積物可以在水從源岩中侵蝕後捕獲稀土的濃度。探礦者還會尋找這些礦石岩石被保存了億萬年的跡象。

機上磁力計可以檢測磁性礦物的岩石

為了匯集這些有說服力的岩石歷史，美國地質調查局的科學家需要整合各種信息源。有些已經存在：基於數十年實地考察的大型地質圖，以及基於人工或自然地震的地震波反射的岩層深層結構調查。

Earth MRI 的機載調查，飛行距離地面僅 100 米，將增加更多細節，並為新一代更清晰的地質圖提供信息。固定在飛機上的一種工具是磁力計，它可以檢測富含鐵和其他磁性礦物的岩石——這通常是它們含有關鍵礦物的線索。另一種是伽馬射線光譜儀，它像蓋革計數器一樣可以捕獲釷、鈾和鉀發出的輻射。這些元素經常出現在與稀土礦物相同的火山岩中，並且經常被納入它們的晶體結構中。其他飛機攜帶激光測高儀，可以繪製地表地形圖以揭示地質歷史。美國宇航局開發的開創性「高光譜」儀器可以根據礦物吸收的特定波長的光來識別暴露在地表的礦物。在綜合數據中，「你可以看到下面的所有地質情況，」領導該機構東海岸空中勘測的美國地質勘探局地球物理學家 Anjana Shah 說。「這是了解地球的一種非常有效的方式。」

國會撥款 3.2 億美元支持「高空狩獵」

在國會撥款 3.2 億美元的支持下，美國地質調查局正在資助空中和實地活動，以確定可能含有對可再生能源和電子產品至關重要的礦物的岩石，例如鋰和稀土元素。這項名為地球測繪資源倡議 (Earth MRI) 的活動是近半個世紀以來對該國礦產資源的首次重大評估。它根據每個地區的地質情況部署不同的技術。配備磁力計的低空飛行飛機可以探測隱藏在淺層地球中的含鐵岩石。伽馬射線能譜儀尋找稀土元素的放射性特徵。Earth MRI 正在幫助完成高分辨率地形機載激光高度計或激光雷達。這些數據對於地質填圖至關重要，可以揭示古代地貌的表面表現。在乾旱的西部，樹木不會阻擋視線，使用 NASA 高光譜儀器的飛行將在數百個反射光通道中尋找標誌性礦物質。該機構正在讚助州地質學家的野外測繪活動。它還資助對舊礦山廢料堆中遺留下來的礦產資源進行更廣泛的地球化學調查和研究。

美國地質調查局的地球測繪資源倡議

在早期的探索中，地球核磁共振成像飛機縱橫交錯地穿過北卡羅來納州和南卡羅來納州，追踪這片土地的古老根源。隱藏在各州煙草農場下方的是化石海灘，這些海灘標誌著過去冰河時代之間的溫暖時期留下的海岸線，當時海平面高於今天。北卡羅來納州地質調查局的地貌學家凱瑟琳·法雷爾 (Kathleen Farrell) 說，激光測高儀地圖捕捉到了那些海岸線和切割它們的古河流的微妙浮雕。「沿海平原比任何人想像的都要多。」

古老的海灘蘊藏著黑沙沉積物，這些黑沙由山脈侵蝕和河流沉積而成，富含重元素。通過將 Shah 收集的新機載數據與實地測繪和為深層沉積物取樣而鑽探的鑽孔相結合，Farrell 和她的同事希望了解卡羅來納州沙地的起源。他們想知道沿海平原是如何隨著時間的推移而形成的，為什麼重沙只在特定時期形成，以及這些沙子來自上游的哪裡。答案應該有助於指導地質學家尋找新的重金屬礦床；佛羅里達州北部的類似地點是美國為數不多的鈦商業來源之一