美、加、澳三國聯合地質調查以促進關鍵礦產資源的安全性

● 趙文靜 康泰瑋 姚姿淇/文

關鍵礦物是維持21世紀經濟發展的關鍵礦產資源。例如，現代風力發電機中的稀土用量約為1噸；一架F-35噴氣式飛機的稀土用量約為半噸;一輛電動汽車用電池中鋰的用量為60公斤;一臺臺式電腦需要用到75種不同的關鍵礦物。同時，每年有2.4億噸磷酸鹽礦石被加工成磷肥，用于農業來養活世界人口。

如今，世界經濟并沒有準備好滿足對關鍵礦產激增的需求。在這些關鍵礦產資源中有很大一部分直到不久以前都還沒有什么經濟價值。而現在，它們可用來促進對全世界社會經濟發展至關重要的技術和工業的廣泛傳播。但是，關鍵礦產資源由于自然稀缺性、地緣政治問題和貿易政策等各種復雜因素而面臨供應短缺的風險。

鎵、銦和稀土等關鍵礦物質對運行計算機和顯示數據的電子設備是不可或缺的。其他的關鍵礦物，如含有磷和鉀的肥料、甚至是含有活性成分的藥物都對不斷增長的全球人口至關重要。用關鍵礦物制備的新型金屬合金可用來生產更輕、更堅固的材料，可提高車輛的燃油效率。輕型車輛正在改變我們的運輸系統，其中許多車輛采用關鍵礦物(如鋰、鈷、鎳)生產的新型電池材料。關鍵礦物對于開發向非碳能源轉變的相關新能源技術尤為重要。

包括軍事和國防在內的幾乎所有工業部門都越來越依賴關鍵礦物，這也加劇了全球尋找新資源并建立穩定、長期供應鏈的競爭。由于技術進步的加速，新資源的尋找工作變得異常復雜，因為我們很難預測未來需要什么樣的關鍵礦物，需要的數量是多少。

2019年12月，“關鍵礦產測繪計劃”(CMMI)在加拿大渥太華召開了首次會議，這個計劃由三個國家的科學家合作完成，包括加拿大地質調查局、澳大利亞地球科學局和美國地質調查局的代表。計劃的主旨是利用這些國家的專業地質知識來解決全球自然資源的脆弱性問題。

什么是關鍵礦物？

隨著維持21世紀經濟所需的關鍵礦產科學的快速發展，化學元素周期表不再僅僅是科學專家和化學專業學生的工具，在表格中添加注釋，可表明哪些元素對工業企業、生產制造、社會經濟、國防和軍工來說至關重要(圖1)。

圖1 化學元素周期表中的關鍵礦率元素

圖1中帶有紅色底紋的元素表示由于特定的國家問題、全球供應風險和潛在的供應限制問題而被認定為關鍵礦物的元素。(底紋顏色最輕的元素表示只出現在了一個國家的重要礦物清單上；底紋顏色逐漸加深表示出現在了2～3個國家的重要礦物清單上。)該圖還顯示了20世紀80年代、90年代和21世紀以來，高速發展的、大容量集成電路所需的關鍵礦物的動態演變，并以此為例還可以說明科技發展如此迅速而很難預測未來所需的關鍵礦物。美國地質調查局的《礦物年鑒》包含了90種關鍵礦物的信息和統計數據。

市場波動激發了“臨界性”的概念，它包括供應風險、環境影響和供應限制的潛在后果。在這種情況下，關鍵礦物被定義為對經濟和國家安全至關重要的金屬、非金屬元素和化合物，但其供應可能因地質稀缺、地緣政治問題、貿易政策或其他與開采、提煉和運輸相關的因素而面臨風險。(“礦物”在這里的用法與該詞科學意義有些不同，它的科學意義是指具有確定成分和晶體結構的天然固體。而“關鍵礦物”包括那些符合礦物科學定義的材料以及元素，如稀土元素，也包括那些不符合科學定義的化合物)。因此，許多國家都制定了關鍵礦物清單。

盡管這些清單因國而異，但從圖1可以看出，不同國家的重要礦物清單有很大的重疊部分。技術創新、冶金和采掘技術的進步、地緣政治和經濟貿易緊張都決定了這些重要礦產清單可以不斷演變，唯一可以確定的是清單中的礦物在不斷增加。例如，20世紀80年代，高速發展的、大容量集成電路中只含有12種礦物，但到了21世紀則含有60多種礦物。手機中含有約75種礦物材料，包含了化學元素周期表約三分之二的元素。

分布不均勻和供應的不對稱性

許多問題交織在一起，威脅著關鍵礦產的穩定供應，但其核心的本質則反映了物理稀缺性(礦物豐度)和經濟稀有性之間復雜的相互作用。

物理稀缺性是主要問題，很大程度上是因為關鍵礦物在地球上分布不均勻(圖2)。沒有哪個國家在滿足其所有礦產資源需求方面完全自給自足，關鍵礦產資源的不對稱分布加劇了與主要供應國的貿易緊張、政治動蕩和資源民族主義相關的供應可靠性問題。

圖2 2019年世界關鍵礦產元素分布圖

稀土危機就是一個很好的例子，它說明了經濟稀缺性是如何導致供應鏈的脆弱性。稀土元素中的七種被稱為重稀土元素(見圖1)，對于新技術來說是不可或缺的，尤其是在綠色能源、國防和電子應用領域。目前，幾乎所有的重稀土都來自中國南方的離子吸附型稀土礦。

已經發現但尚未開發的、與火成巖相關的碳酸巖礦床已被發現是輕稀土的又一來源，但經濟上可行的其他重稀土來源仍不清楚，實際應用中重稀土元素的替代品也尚未確定。最近的研究已經確定，有應用潛力的、非常規的重稀土元素來源包括富含稀土元素的深海泥漿和富含稀土元素的沉積磷酸鹽礦床。但是這些資源需要幾年甚至幾十年的時間來開發。

關鍵礦物帶來的另一個令人生畏的挑戰是，它們主要作為幾種常規礦床類型的附屬商品出現，并且是這些礦床加工過程中的副產品。此外，與礦石加工后得到的常規初級商品相比，關鍵礦物回收產生的收入通常很少，市場規模也不大。人們對礦石中所含關鍵礦物的分布情況知之甚少，礦山規劃時也很少考慮這種分布。因此，目前關鍵礦物的供應不太可能增加并滿足日益增長的需求。

此外，隨著數百年來為了易于開發現有地表和近地表礦床而研發的傳統勘探方法近乎用盡，這些技術在發現新礦床方面變得越來越沒有效果。例如，在2003年至2013年期間，用于尋找新銅礦的勘探支出提高了一個數量級，這是由于輸電和發電應用(如建筑布線、電信、電動汽車和電子產品)對銅的需求接近指數級增長所引發的。然而，自2008年以來并沒有新發現重要的銅資源，也沒有在過去的25年中發現一個新的巨型礦床(見圖3)?？碧綌盗肯陆档挠绊戇€延伸到硒、碲、鉬、鈷和錸等關鍵礦物的供應，因為銅礦也是這些元素的主要來源。

圖3 1900年以來發現的銅礦以及維持現代經濟所需的銅的產量增長速度和總礦產勘探支出

因此，尋找新的關鍵礦物來源非常重要。然而，勘探目標非常具有挑戰性，因為人們對富含這些關鍵礦物的礦床的產狀和地質形成過程知之甚少。

美國促進關鍵礦產穩定供應的進程

中國一直是美國關鍵礦產的主要供應商之一，隨著全球新能源電動汽車等清潔技術行業的發展與需求上漲，美國對中國在全球供應鏈中的主導地位越來越擔憂。近年來，美國一直在努力減少對國外礦產品進口的依賴，并鼓勵國內開發礦山項目、加強礦產品提煉新術的研發。

2019年6月20日，美國總統特朗普和加拿大總理特魯多會面后發表的聲明稱，將責成官員擬定一份美加在“關鍵礦物”方面合作的計劃。

據此前英國《金融時報》報道，美國商務部發表了一份報告，研究了35種重要礦物，發現其中29種進口礦物占美國國內需求50%以上，14種占100%。在這至關重要的35種礦物和金屬中，加拿大被確定為13 種礦物的主要進口來源。

2019年9月初，澳大利亞率先響應號召，計劃將推出15個稀土和關鍵礦產開發項目，以滿足美國的稀土需求。但隨后該國專家提出了疑惑，稱這些項目風險不小，澳大利亞可能會折本。于是，美國轉而和加拿大討論了稀土供應計劃。2020年1月9日，美國和加拿大共同宣布，他們已完成《加拿大-美國關鍵礦物合作聯合行動計劃》，旨在增進兩國在確保制造業，通訊技術，航空航天和國防以及清潔技術方面合作。

2020年6月，美國國務院提出了擴大戰略性礦產計劃，以確保電池、風能和太陽能等關鍵金屬的供應鏈。加拿大、澳大利亞、巴西、博茨瓦納、秘魯、阿根廷、剛果民主共和國、納米比亞、菲律賓和贊比亞等10個國家已加入美國，組成了能源資源管理倡議（ERGI）。能源資源管理倡議的戰略目標是讓資源豐富的國家參與負責任的能源礦產治理，支持彈性供應鏈，滿足對清潔能源技術的預期需求，最終擺脫對中國等礦產品主導國家的依賴。

表1 2017年美國需依賴進口的關鍵礦產資源（節選）

利用地質知識和數據

鑒于問題的廣泛性和緊迫性，美國、加拿大和澳大利亞三國聯合啟動了“關鍵礦產測繪計劃”，綜合三個國家的地質知識和數據，確定關鍵礦物的新來源。

在“關鍵礦產測繪計劃”的首次會議上，參會者為確定一個系統的研究策略以實現這一目標做出了貢獻。第一步工作是建立一個公共的在線地球化學數據庫，記錄三個國家的關鍵礦物數據。這個數據庫記錄了從以前開采的礦床中提取存檔樣品的關鍵礦物數據和現代礦山的關鍵礦物數據。這些數據將得到其他國家地球化學數據集的補充，以無縫覆蓋三個國家。

系統地描述不同礦床類型中的關鍵礦物含量將有助于評估三個國家以前開采的礦床中存在的關鍵礦物及其數量。歷史上開采的大多數礦床在勘探時并沒有考慮關鍵礦物的情況，因為當時這些礦物或者沒有商業價值，或者難以分析，或者在某些情況下尚未被發現。這項工作還將凸顯在遺留的采礦廢棄物中發現關鍵礦物的機會，并能夠預測未取樣礦床中的關鍵礦物濃度。預計，三年聯合測繪行動可能會發現其他之前沒有考慮到的關鍵礦物的新來源。

更重要的是，對不同礦床類型的關鍵礦物特征進行指紋識別也將提供經驗數據，支持最前沿的礦物研究。將這些新的地球化學數據與地質年代學、礦物學、同位素研究以及地質和地球物理測繪及實地觀測相結合，將增加對關鍵礦物在地殼中堆積的復雜物理、化學和地質過程的理解。

圖4 加拿大關鍵礦產資源

通過不斷的努力，關鍵礦產測繪計劃將整合三個國家地質調查的科學專業知識，并幫助推進關鍵礦物科學的發展；減輕澳大利亞、加拿大和美國的供應風險；并保障供應以支持聯合國的可持續發展目標。

圖5 澳大利亞關鍵礦產資源