國外研究機構關鍵礦產評價方法綜述

郭曉茜，李建武

(1.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037；2.中國地質科學院全球礦產資源戰略研究中心，北京 100037)

國外研究機構關鍵礦產評價方法綜述

郭曉茜1，2，李建武1，2

(1.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037；2.中國地質科學院全球礦產資源戰略研究中心，北京 100037)

關鍵礦產資源對一個國家的國土安全、經濟發展具有的意義。目前，國內并未發布關鍵礦產的研究報告和結論。國外一些政府組織和研究機構對選定的金屬和非金屬礦產進行了關鍵評價，制定了評價指標和評價方法，并且公布了的評價結果。但這些研究的評價指標和評價方法并不一致，得到的關鍵礦產評價結果差異較大。本文通過對4個主要研究機構的研究報告進行分析概述，剖析關鍵評價的理念、指標體系、評價方法和評價模型，比較不同研究的共同點及之間的差異。同時列舉了國外主要研究機構建立的關鍵礦產品目錄，以便為我國的關鍵礦產評價提供借鑒方法。

關鍵礦產資源；評價指標；評價方法

礦產資源是一個國家經濟發展的物質基礎，其安全供應問題普遍為各國家高度關注。在實際的生產生活中，有些種類的礦產資源由于其應用領域、在一國經濟中所占地位、供需形勢等原因，相比其他資源需要更多的關注，需要管理部門制定特殊的政策或措施促進其發展。

在不同國家，這類需要特別關注的資源性產品具有不同的名稱。在中國，我們通常稱之為“戰略性礦產”、“戰略性礦產資源”，近年又提出了“戰略性新興產業礦產資源”概念[1-3]。在美國和歐盟，這些需要特別關注的礦產資源通常被稱為“關鍵礦產”(Critical Minerals)，其中一部分稱為“戰略性礦產”(Strategic Minerals)。中外對于需要特別關注的這些礦產資源的認知有所不同。這種不同不僅僅體現于相關概念的名稱，更重要的是存在于概念的內涵以及所代表的管理理念和目標。

目前，建立關鍵礦產品目錄的國外機構主要有：①歐盟：歐盟成立了一個“確定關鍵原料特別工作小組”(Ad-Hoc Working Group on Defining Critical Raw Materials，以下簡稱為工作小組)，確立了歐盟關鍵礦產的評價方法和劃分標準，同時在2010年和2013年公布了兩份歐盟的評價報告；②美國：美國國家科學院(National Academy of Sciences，NAS)所屬國家研究會(National Research Council)2008年公布了關鍵礦產的評價方法以及相關目錄；美國國家科學技術委員會(National Science Technology Council，NSTC)2016年公布了新的關鍵礦產評價方法；③日本：日本新能源及工業技術發展組織(New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO)于2009年出版了相關的研究報告；④耶魯大學：Graedel等人的研究小組也公布了相關的研究報告，建立了關鍵礦產品的評價方法，并且發表了關于銅族礦產的研究報告。

本文著重于對不同國家和研究機構的戰略性礦產或關鍵礦產的研究成果進行總結，剖析關鍵礦產的評估理念、指標選取方法、指標體系和評價模型，分析不同研究機構的研究特點。同時梳理國外主要研究機構建立的關鍵礦產目錄，以便為我國的關鍵礦產評價提供借鑒方法。

1 歐盟關鍵礦產評價方法

2010年和2013年，歐盟發布了由工作小組提交的研究報告《Critical Raw Materials for the EU》。這是一項立足于國家和地區層面、具有實用價值的研究成果。歐盟的研究主要從經濟重要性(Economic Importance)和供應風險(Supply Risk)兩個維度對礦產資源產品關鍵程度進行評價[4-5]。本文主要介紹2013年歐盟工作小組的評價方法。

1.1經濟重要性

礦產資源的經濟重要性評價相對比較復雜，不僅涉及到的數據比較廣泛，而且在具體的評價指標和評價方法的選取上也有很大的困難。歐盟的工作小組基于已有的資料提出了一種比較實用的方法，用來評價礦產品的經濟重要性，具體的評價方法如圖1所示。

礦產品原材料的終端消費比例揭示了其在不同領域的重要性，特定的礦產品在一個領域的應用比例越大，表明該礦產品原料在這個領域的重要性越大。將這些礦產品歸類到不同行業的附加值(GVA)當中，最后用終端比例和增加值相乘，得出的數值就是該礦產品重要性的評價值。計算公式見式(1)。

(1)

式中：s代表不同行業；i代表不同原材料；Ais是對應的行業附加值GVA；Sis是礦產品原材料i的終端消費比例。

以鋁為例，表1列舉了經濟重要性的計算方法，最終得出的鋁的經濟重要性評價值為137.985。最終再除以歐盟GDP統計數值，得到的就是鋁的經濟重要性權重。

圖1 歐盟關鍵礦產重要性評價方法

表1 鋁經濟重要性的計算方法

數據來源：歐盟鋁工業協會和歐盟 NACE分類表。

1.2供應風險

供應風險的評價是對初級礦產品而言，可供性作為其評價標準。可供性是通過集中指數(HHI)來評價的，并且通過世界銀行發布的政府管理指數(WGI)對HHI指數進行改進。在歐盟2013年的報告中，對鋰的評價使用了WGI指數取代2010年所使用的環境評價指數(EPI)。因此，鋰被劃分為非關鍵礦產品。但是如果礦產品可以被其他礦產品替代，或者本身的回收利用率較高，那么這個礦產品的供應來源就會變得很廣泛，供應風險會大大降低。

圖2展示了礦產品供應分析的“過濾器”，可回收利用性和可替代性是降低礦產品供應風險的過濾器，經過這兩個參數的過濾，可以得出礦產品最終的供應風險評價值。其中，回收利用性主要指金屬的回收利用，而可替代性參數值設置在0～1之間，1表示替代性較低。因此供應風險的計算公式(式(2))分為三大部分，回收利用、替代性和WGI指數。

供應風險=

(2)

式中：Pi是回收礦產品產量占礦產品總量的比例，Ais是礦產品原材料i在行業S中的比例，σis是原材料i在行業S中的替代率，Pic是國家c的原材料產量i占世界礦產品原材料總產量的比值。

1.3評價結果

2013年的評價方法和分界點指標值并未更改，只是在評價范圍和評價指數上有所不同，前后兩次的關鍵礦產評價結果對比如圖3所示。其中2010年和2013年的關鍵礦產評價結果有部分重合，但鉭是2010年選中的關鍵礦產品，硼、鉻、焦煤、菱鎂礦、磷礦和硅則是2013年特有的關鍵礦產品。

圖2 歐盟礦產供應風險可視化過濾器

2 美國NSTC關鍵礦產評價方法

美國在關鍵礦產的評價方法上做了大量的工作，其中2008年NAS公布的二維矩陣評價方法是經典的關鍵礦產評價方法[6-7]。歐盟在2010年和2013年的評價過程中也使用了相同的評價體系。但是，這個方法也面臨著參數指標選取難度較大，各個指標獨立性較小等缺點。2016年，美國國家科學技術委員會建立了新的關鍵礦產評價方法。該方法是針對非燃料礦產進行的，首先通過預警篩查，分析潛在的關鍵礦產品，從而列出觀察名單，發布關鍵報告，進行物質流分析。數據每年更新，每年都會對所有的非燃料礦產品進行預警篩查。圖4給出了美國關鍵礦產的評價流程[8]。

目前，根據美國國家科學技術委員會公布的資料顯示，關鍵礦產的評價已經完成了預警篩查階段。本文主要介紹初始的預警篩查階段關鍵礦產的評價方法。評價權重的計算方法主要由三個因子組成：供應風險(R)，產量增長率(G)，市場動態(M)，最終評價權重(C)的計算公式見式(3)。

(3)

2.1供應風險(R)

供應風險是關鍵礦產評價的第一個參數，供應風險高值的礦產品代表其供應安全性較低，因此供應風險是關鍵礦產評價不可或缺的一個指標，計算公式見式(4)。

(4)

式中：m代表某種礦產品；S代表礦產品份額；t代表年份；r是上標；Г代表政府指數。

政府指數基于6個WGI指數，每個WGI指數首先進行歸一化處理，使各個指數在0～1之間，0代表高管理指數低風險，1代表低管理指數高風險。得出原始的R之后，可以利用歸一化處理，將R的數值限定在0～1之間。

由于每年世界銀行都公布相關的WGI指數，因此，可以對每種礦產品每年的風險指數進行評價，得到風險指數動態變化曲線。如圖5所示，每個礦產品的供應風險都是隨時間變化的。

圖4 美國關鍵礦產評價流程

2.2產量增長(G)

由于在評價的過程中使用的是礦產品的初始產量，G反應了市場對地質資源依賴性的變化，計算公式見式(5)。礦產品的初始產量增加越快，代表其對地質資源的依賴程度越高，則G值越大。反過來，由于需求量降低或者是二次資源供應量的增加導致一次資源對地質資源的依賴程度降低，那G值也會比較小。

式中：t代表現在時間；t′代表初始時間；Q代表礦產品的全球一次產量。在產量計算過程中，時間域的取值范圍在5年之內，這樣可以減少數據的雜亂性。最后對產量增長因子(G)進行歸一化處理，在0～1之間。

圖6給出了選定礦產品的產量增長因子隨時間的變化情況，選取的時間段是1996～2013年。以鍶(Sr)為例，產量在初期增長比較平穩，隨著時間的進行，由于資源替代以及市場供需的影響，產量增長逐漸下降。

圖5 美國關鍵礦產供應風險評價結果

圖6 美國關鍵礦產產量增速評價結果

2.3市場動態(M)

市場動態可以直觀的反應出礦產品的變化情況，主要用價格來衡量市場動態情況。價格變化可能有很多因素引起，包括供需關系、市場預期的變化等等因素，計算公式見式(6)。

(6)

式中：Pm，t是礦產品年均價格；Pm，t：t′是礦產品在特定時間(t-t′)內的年均價格。

M是計算平均價格的標準方差得出的。礦產品價格是以1998年基準年美元不變價換算而得出的。同時，對得出的M也要進行歸一化處理。

圖7給出了市場動態的變化情況，和其他兩個評價因子一樣，市場動態因子也是隨時間變化的變量?？梢跃_反應不同時間節點市場動態的變化情況。

2.4評價結果

在對礦產品進行評價之后，得出的關鍵因子C。使用加權歐式距離來界定關鍵因子C的臨界值，最終選定的臨界值的標準是0.335。2013年有17種礦產品的評價值大于0.335，這些礦產品被認為是潛力較大的，分別是銠(Rh)、釕(Ru)、汞(Hg)、獨居石、鎢(W)、硅錳、鉬鐵(FoMo)、釔(Y)、稀土、云母、銥(Ir)、菱鎂礦、鍺(Ge)、釩(V)、鉍礦(Bi)、銻(Sb)和鈷(Co)。

以上的17個礦產品只是在初步篩查階段篩查得出的，關鍵礦產品的具體評定還需要進一步的深度分析。圖8展示了這些礦產品的評價結果。

3 日本關鍵礦產評價方法

2009年，日本New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO)對日本的關鍵礦產進行了評價，并發布了研究報告《Trend Report of Development in Materials for Substitution of Scarce Metals》。

日本的此項研究與美國和歐盟的相關研究有所不同。日本的研究報告定義為“重要性礦產品”，評價體系較為簡單[9-10]。首先，在評價方法上，采用了單純指標評價的方式，選取了5類12個指標(表2)，對39種礦產品資源產品進行了評價，最終評價結果為一數值。其次，其評價范圍僅限于稀有金屬。這些指標的數值被定義為0、1、2、3四個數值，例如對耗竭時間來說，3代表耗竭時間不足50年，0代表耗竭時間超過100年。通過這樣的打分方法，可以對每個指標進行評價，綜合每個指標的權重值，可以得出特定礦產品的評價值。

圖7 美國關鍵礦產市場動態評價結果

注：橫線多少代表值的高低，閾值是0.335，空白則代表并未收集到相關的數據圖8 美國關鍵礦產品評價結果

4 耶魯大學關鍵礦產評價方法

耶魯大學的Graedel等建立了一種新的關鍵礦產的評價方法，不同于以往的評價方法，Graedel等引入了“環境影響”這個維度，將關鍵礦產的評價方法由二維引申至三維，考慮到了人類健康以及生態環境在評價系統中的作用[11]。在耶魯大學的報告中，關鍵性礦產的評價由供應風險、環境影響和供應限制三個評價指數組成，其中供應風險和供應限制的評價體系分別如圖9和圖10所示。

4.1供應風險(SR，supply risk)

Graedel等對于供應風險的評價分為長期和中期兩個不同層次，區別在于長期評價涉及經濟儲量、邊際經濟儲量和次經濟儲量，而中期評價只涉及經濟儲量。其中中期的供應風險主要從三個方面進行評價，每個方面有不同的指標體系，指標體系的具體分布情況如圖9所示。供應風險主要包括地質、社會、地緣政治三個方面，每個方面的權重值均為1/3，各個方面選取的指標權重均為1/2，供應風險的最終評價值是由分層次的指標權重計算得出的。

圖9 耶魯大學中長期供應風險評價指標體系

圖10 耶魯大學企業層面供應限制評價體系

4.1.1 從地質、技術、經濟方面

礦產資源的可供性是限定在一定的時間范圍內考慮的，主要依據消耗時間的計算獲得。評價時間范圍的不同對礦產品的可供性評價過程也不一樣。從短期來看，消耗時間的計算主要涉及當前的經濟儲量；從長期來看，消耗時間的計算主要涉及儲量基礎(RB)，儲量基礎包括經濟儲量、邊際經濟儲量和次經濟儲量。

消耗時間的定義公式見式(7)。

(7)

式中：R代表礦產儲量；ρ代表礦產品的產量；t0是礦產品的初始生產時間；tf是礦產儲量被消耗為零的時間。

在DT的實際計算過程中，需要考慮礦產資源的需求量(ψ)、尾礦和礦渣(τ)、礦產利用的平均壽命(μ)以及壽命分布的標準方差(σ)。經過數據迭代，消耗時間的最終計算公式見式(8)。

(8)

計算得出的DT需要轉換成標準DTtransformed，其值限定在0～100之間。

4.1.2 社會和法律方面

從全球范圍內來看，國家的經濟政策，包括稅收和土地租賃政策，會影響礦產品的供應形勢。通過政治潛力指數(PPI)對一個國家的政治影響進行綜合評價。特定礦產品的PPI指數是通過礦產資源產量的加權平均值獲得的。

此外，由聯合國發展中心公布的人類發展指數(HDI)，這個指數是基于人類健康、教育和生活水平三個方面進行綜合打分的。在耶魯的研究中，PPI和HDI都是蒙特卡羅方法歸一化的數據，每個國家的PPI和HDI都在0～100之間。

4.1.3 地緣政治方面

WGI的范圍在0～100之間，其中，得分越高代表一個國家的政治穩定性較高。

霍夫曼指數(HHI)是用來表示礦產品集中度的指數，范圍在0～10 000之間。在耶魯大學的研究中，將霍夫曼指數轉化為全球供應集中度GCS，計算公式見式(9)。

GCS=17.5×ln(HHI)-61.18

(9)

4.2環境影響評估(EI，environmental implications)

環境影響評價(EI)在本次研究中作為一個獨立的參數，從數據的便捷性出發，本次環境評價中使用的數據來自于ReCiPe終點數據方法。得到的ReCIPE數據通過式(10)轉換成為0～100之間的EI指數。

EI=log10(ReCIPEpoints+1)×20

(10)

4.3供應限制 (VSR，vulnerability to supply restriction)

供應限制對不同級別的研究機構評價標準有所不同，在耶魯大學的研究中，分別以國家和企業作為評價級別，設置不同的評價標準。對企業來說，供應限制性主要從三個大的方面進行表述，具體指標如圖10所示。供應限制主要包括重要性、可替代性和革新能力三個方面，每個方面的權重值均為1/3，各個方面選取的指標權重列在指標前端，供應限制的最終評價值是由分層次的指標權重計算得出的。

主要包括以下三個方面：①重要性：包括營業額占比；成本轉嫁能力(PT)：由于原材料的增加，企業可以通過提高銷售價格來轉嫁風險；戰略性：商品在未來的產業中可能具備的戰略重要性；②替代性：包括替代效率，替代能力，環境影響以及價格；③創新能力：這個指標主要用來評價企業或者國家的創新能力，一些企業或者國家能夠在很快的調整技術和策略，適應替代資源的能力比較強。

對國家來說，主要從以下三個方面進行評價：①重要性：主要從兩個指標來衡量。首先是經濟重要性，通過表征礦產品占國家GDP的總量得出；其次是使用人數占比(PPU)，通過使用人數占比來表征產品的重要性；②可替代性：評價方法和企業一致，但是“價格比率”卻要替換成“純進口依賴比率”；③創新能力：國家創新能力一般都要高于企業，因此國家創新能力使用“國家創新能力指數”來評價。

4.4評價結果

根據上述三維的評價結果，關鍵礦產品的最終權重公式見式(11)。

關鍵性權重=

(11)

Graedel等根據此種方法對銅族的礦產品進行了評估，評估結果展示在一個空間之中，而不是一個二維矩陣當中，評價結果如圖11所示[12-13]。根據各個指標距離零點的距離來判斷關鍵權重。

圖11 耶魯大學銅族金屬關鍵評價結果

5 評價方法總結和建議

通過對這4個主要研究機構的關鍵礦產進行梳理發現，目前各個研究機構對關鍵礦產的指標參數和評價方法都不相同，并未形成統一的研究方法和研究體系。

從評價范圍來看，關鍵礦產的評價涉及國家層面、企業層面或者特定領域，評價的時間跨度也分為長期和中短期。

從評價體系來看，目前關于關鍵礦產品的量化體系主要分為三大類：①單一指數評價體系：如日本和美國NSTC2016年的評價方法，使用單一指數來劃分關鍵礦產品，評價指標依據單一的評價值；②經典的二維矩陣評價體系：如美國2008年NSC的評價方法和歐盟的評價方法，使用供應風險和供應限制性以及經濟重要性作為不同維度參與評價，評價結果是基于二維數據的權重區間來劃分關鍵礦產品；③三維矩陣評價體系：如耶魯大學的研究，引入環境因子作為第三維，考慮環境問題對關鍵礦產品評價的影響結果。在以上三種評價體系中，二維矩陣使用較多，評價體系較為完善。但是環境因子評價也受到越來越多人的重視，如何建立完善的環境評價指標也是需要進一步思考的問題。

從評價指標上看，對比較重要的15項研究成果進行匯總分析發現，評價指標共有21個，其中出現頻率最高的為“國家集中度”12次，其次為“國家風險”10次，第三為“耗竭時間”9次。有11個指標只出現了1次(表3)[14-15]。

表4展示了不同研究機構關鍵礦產品的評價結果，其中耶魯只是對銅族金屬進行了評價，并沒有給出其他礦產品的評級。從評價結果上看，各個機構的關鍵礦產品評價結果并不一致。這與各個研究機構選取的礦產品種類、評價方法和體系以及評價指標都有關系。

綜上所述，在關鍵或戰略性礦產的評價方面，如何建立關鍵評價體系，選擇相關評價指標和指標權重是關鍵的問題。我國的關鍵礦產品評價體系尚處在探索階段，因此，要從國家的戰略發展層面出發，針對特定礦產的特點進行評價，建立關鍵礦產的評價體系，深化相關政策研究才是我國關鍵礦產評價亟需解決的問題。

表3 15項成果中供應風險評價指標與出現頻次

表4 不同研究機構關鍵礦產品的評價結果

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Anoverviewofcriticalmineralresourceevaluationbyforeigninstitutions

GUO Xiaoqian1，2，LI Jianwu1，2

(1.Institute of Mineral Resource，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing100037，China；2.Global Mineral Resource Strategy Research Center，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing100037，China)

Critical mineral resource is of significant importance to the national security and economic development.Researches and conclusions about critical mineral resource are not published in China.Several government institution and working groups around the world have made criticality evaluation for metallic and non-metallic mineral resource.Relevant indexes and methods index are established and criticality of evaluation mineral resource are ranked and published.However，the evaluation index and methods on critical mineral resources evaluation are variable and therefore the criticality evaluation are heterogeneous.In this paper，11reports and articles from4different institutions are analysed.The critical concept，evaluation index，methods and model during criticality assessment are summarized to compare the differences and similarities.And the critical mineral resource lists from these institutions are also shown to give a reference for critical mineral resource evaluation in China.

critical mineral resource；evaluation index；evaluation method

2017-05-07責任編輯：宋菲

“戰略性新興礦產資源安全跟蹤與動態評價”子項目資助(編號：DD20160084)

郭曉茜(1988-)，女，博士后，主要研究方向為能源礦產資源戰略，E-mail：xiaoqianGuo88@163.com。

李建武 (1967-)，男，研究員，工學博士，主要研究方向為礦產資源戰略，E-mail: jeli67@126.com。

F416.1

：A

：1004-4051(2017)09-0025-08