美國進行地質調查以發現對電池和微晶片至關重要的礦物

資料來源：https://www.science.org/content/article/major-us-geological-survey-aims-uncover-minerals-critical-batteries-microchips

美國地質調查局正在資助阿拉斯加東部的變質岩測繪，這些岩石可能蘊藏許多關鍵礦物，包括稀土。

「沒有採礦，我們就不可能擁有低碳未來和綠色技術，這不是一個選擇。這是必需品。這是必要的。」

從空中俯瞰，緬因州是一片統一的綠色海洋：森林覆蓋了該州90%的面積。但在樹葉和泥土下面，存在著一系列更多樣化的地質地形，它們是由數億年前與北美碰撞的火山島遺跡所構成的。

2021年時，裝有感測器的飛機開始勘察這些地球化學豐富的地形，尋找珍貴的礦物。研究人員發現，距離加拿大邊境50公里的彭寧頓山發出異常訊號。地質學家在造紙廠周圍的松樹林中叢林探險，採集岩石樣本。他們最終發現了含有數十億美元的鋯、鈮和其他對電子、國防和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，」參與緬因州這一發現的美國地質調查局(USGS)名譽科學家約翰·斯萊克(John Slack)說道。他期待更多類似的事情。「我們認為整個阿帕拉契山脈都有潛力。」

在華盛頓特區，很少有話題比美國需要找到「關鍵礦物」的可靠來源更能得到兩黨支持，「關鍵礦物」是50種開採物質的集合，目前大部分來自其他國家。該清單由美國地質調查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，還包含一些不太奇特的材料，例如用於生產鋼鐵的鋅和用於電動車電池的鈷。「這些商品對於一切都是必需的，」美國地質調查局能源和礦產副主任莎拉·賴克(Sarah Ryker)說。「它們也是衝突的爆發點。」

但上個十年，當立法者開始向美國地質調查局詢問美國供應情況時，得到的答案令人不安：該機構甚至不知道該去哪裡尋找。幾十年來，公司一直將採礦業務轉移到國外，部分原因是為了避開美國相對嚴格的環境法規。確定礦產資源和刺激企業利益所需的基本勘探已經陷入停滯。上一次全國範圍內的鈾礦勘探於20世紀80年代結束。賴克表示，與澳洲、加拿大甚至愛爾蘭等大多數已開發國家相比，美國對於國土資源的掌握仍然不足。「我們正處於一個尷尬的境地。」

為了開始填補這一知識空白，美國地質調查局於2019年啟動了所謂的「地球測繪資源計畫」或「地球MRI」。該機構每年預算只有1000萬美元，開始與州地質調查局合作，將數據數位化，並委託實地考察，詳細繪製最有前景的地形圖。

然後，到2021年，兩黨基礎設施法案向該計畫撥款3.2億美元(幾乎占美國地質調查局全部預算的三分之一)，將在5年內支出。這筆支出已經啟用了數百次勘測飛行，並且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，揭示地熱系統。「我們正在看到整個國家的復興，」新墨西哥州地質和礦產資源局的經濟地質學家維吉尼亞·麥克勒莫爾說。「為了達到這一點，我一生都在訓練。」

這些發現可能會刺激採礦熱潮，環保人士對此持謹慎態度。環境非營利組織世界資源研究所美國國際合作部主任梅麗莎·巴巴內爾(Melissa Barbanell)表示，如果美國地質勘探局發現有前景的礦石系統，公司就必須證明他們可以安全地開發這些系統，且對環境的影響最小。「它永遠不可能是零傷害，」她說。但是我們怎樣才能最大限度地減少傷害並將其保留在礦井本身？」

同時，礦業公司正在擁抱地球核磁共振成像。全球礦業巨頭力拓集團的地球物理學家唐納德·辛克斯(Donald Hinks)表示，他鼓勵其他礦工與該計畫合作並共享數據。力拓甚至資助了美國地質勘探局在蒙大拿州的一些航班，以換取為期一年的數據獨家訪問權。「在公共領域擁有這些高品質、大規模的數據將推動新想法和新發現，」辛克斯說。

在採礦史上的大部分時間裡，礦脈的起源故事並不是重點。探礦者發現了它，礦工們把它挖了出來。但美國地質勘探局地球物理學家安妮麥卡弗蒂(Anne McCafferty)表示，到目前為止，大多數明顯的發現都已經消失。「唾手可得的果實已經被摘下來了。」

這種稀缺性促使地球磁振造影採用了「礦物系統」方法，該方法首先在澳洲首創，試圖根據形成關鍵礦物的過程來預測關鍵礦物可能在哪裡。例如，尋找稀土礦物可能會從尋找一種不尋常的富含碳的岩石(稱為碳酸岩)開始，這種岩石通常含有從熔岩中結晶出來時形成的稀土礦。或者，地質學家可能會尋找富含黏土的岩石或沉積物，這些岩石或沉積物可以在水從源岩中侵蝕稀土後捕獲稀土的濃度。探礦者也會尋找這些礦石在億萬年中保存下來的跡象。

為了總結這些有說服力的岩石歷史，美國地質勘探局的科學家需要整合各種資訊來源。其中一些已經存在：基於數十年野外工作的大型地質圖，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。

地球MRI的機載勘測(飛行高度僅距地表100公尺)將增加更多細節，並為新一代更清晰的地質圖提供資訊。飛機上安裝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捉釷、鈾和鉀發出的輻射。這些元素與稀土礦物一樣常見於相同的火山岩中，並且經常被納入其晶體結構中。其他飛機攜帶雷射高度計，可以繪製地表地形圖以揭示地質歷史。美國太空總署開發的一種開創性的「高光譜」儀器可以根據礦物吸收的特定波長來識別暴露在表面的礦物。在綜合數據中，「你可以看到下面的所有地質情況，」領導該機構東海岸機載勘測的美國地質調查局地球物理學家安佳娜莎阿(Anjana Shah)說。「這是了解地球的一種非常有效的方式。」

四處探詢

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野外活動，以識別可能含有對再生能源和電子產品至關重要的礦物(如鋰和稀土元素)的岩石。這項名為「地球測繪資源計畫」(地球MRI)的活動是近半個世紀以來對該國礦產財富的首次重大評估。它根據每個地區的地質情況部署不同的技術。

在早期的嘗試中，地球核磁共振飛機縱橫穿梭於北卡羅來納州和南卡羅來納州，追蹤了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期之間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)表示，雷射高度計地圖捕捉到了海岸線和分割海岸線的古河流的微妙起伏。「沿海平原比任何人想像的都要多。」

古老的海灘上沉積著黑色的沙子，這些沙子是由山脈侵蝕和河流沉積而成的，富含重元素。透過將莎阿收集的新機載數據與現場測繪和為深層沉積物取樣而鑽探的鑽孔相結合，法雷爾和她的同事希望了解卡羅萊納州沙子的起源。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。這些答案應該有助於指導地質學家尋找新的重金屬礦床；佛羅裡達州北部的類似地點是美國少數的鈦商業來源之一。

莎阿補充道，南卡羅來納州的空降活動還有另一個好處：他們飛越查爾斯頓，收集磁力數據，透過識別地下岩石的位移和偏移，揭示1886年一場7級地震中隱藏的地震斷層。這樣的地震如果今天再次發生，將造成數十億美元的損失。

2023年，一項涵蓋密蘇裡州、肯塔基州、田納西州、阿肯色州、伊利諾伊州和印第安納州部分地區的地球核磁共振調查將探測另一個神秘的地震帶。裡爾富特裂谷(Reelfoot Rift)埋藏在數公里厚的沉積物之下，該大陸基岩上的一道裂縫很可能是約7.5億年前羅迪尼亞超大陸開始分裂時形成的。1811年和1812年，與這條裂谷相關的斷層引發了新馬德里地震，這是美國洛磯山脈以東有史以來規模最大的地震。但儘管有潛在危險，人們對斷層帶仍然知之甚少。

裡爾富特裂谷和附近的基岩變形會造成危險。它們也為礦物的形成創造了機會。當非洲與北美碰撞形成阿帕拉契山脈時，這些裂谷為岩漿在地質年代後期湧出提供了通道。人們認為這種岩漿排出的氣體流入石灰石，使它們發生化學變化。其中一個成果是伊利諾州南部的螢石地區，該地區曾經生產全國大部分的螢石，用於冶煉鋼鐵和製造氫氟酸。

這些岩漿注入可能在希克斯圓頂的形成過程中發揮了作用，希克斯圓頂高出伊利諾州鄉村一公里，是該州最接近火山的地方。伊利諾州地質調查局關鍵礦產負責人賈里德·弗賴堡(Jared Freiburg)稱其為「一個瘋狂的岩漿隱火山爆發結構」。它在美國地質調查局機載數據中顯示為磁異常，從穹頂鑽出的岩心富含稀土礦物。來自岩心的地球化學示蹤劑表明，穹頂深處的沉積物是由碳酸岩形成的，這是與世界上最好的稀土礦床相關的不尋常的火山岩。「它就像一個廚房水槽，裡面裝有重要的礦物質，」麥卡弗蒂說。

中部大陸的調查還可以幫助地質學家評估另一種資源：天然氫，一種清潔燃燒的燃料。目前，所有氫氣都是製造出來的，但一些研究人員認為，與傳統觀點相反，地球產生並儲存了大量的氫氣。裡爾福特富含鐵的火山岩正是能夠產生氫氣的火山岩。科羅拉多礦業學院地球物理學家Yaoguo Li正在製定一項能源部 (DOE)撥款提案，利用美國地質調查局的數據勘探氫源岩。「我們還沒有做任何事情，」他說。但我看到我們能做的還有很多。」

除了確定要開採的資源外，調查還可以帶來其他好處。他們正在精確定位經常洩漏溫室氣體的廢棄油氣井的鋼套管。它們將有助於識別以斷層為界的多孔岩石儲層，這些儲層可以容納從煙囪捕獲的二氧化碳，使其遠離大氣。他們還可以繪製出釋放氡氣的放射性岩石的變化圖，氡氣對健康有害。

如今，沒有什麼礦物比鋰更重要了，鋰用於手機和電動車電池，驅動著世界上越來越多的電子。然而，美國內華達州只有一處鋰礦，其原料鋰被送到國外進行加工。內華達州地質學家James Faulds表示，該州有潛力蘊藏更多的鋰，並可能成為國際鋰「震央」。

鋰通常存在於火成岩中－在地殼中結晶的岩漿或在地表冷卻的熔岩。許多已知的鋰礦藏都位於該州北部的麥克德米特火山口，這是一個1600萬年前由目前為黃石公園提供燃料的地球深部熱點形成的火山口。火山口內的雨水或來自下方的熱水將火山口粘土沉積物中的鋰濃縮到了黃石熱點其他火山噴發中未曾見過的水平。「為什麼會發生這種礦化？」內華達大學裡諾分校的地質學家卡羅萊納·穆尼奧斯·薩伊茲問道。她和她的合作者正在研究鋰和黏土的地球化學，以查明該元素是否是在火山爆發期間由過熱水形成和濃縮的，或者是隨著水滲透到火山口富含火山灰的岩石中而後來發生濃縮的。這個答案可能會讓地質學家發現其他同樣豐富的礦藏。

地球核磁共振成像已經表明，鋰勘探者不必拘泥於破火山口。野外地質學家在以構造隆起的地殼塊為界的盆地中發現了似乎富含鋰的岩石。福茲說，內華達州以其「盆地和山脈」地形而聞名，有許多類似的地方。更好的是，這些盆地往往擁有熱鹽水系統，這是地熱能的潛在來源——美國地質調查局地球物理學家喬納森·格倫說，這也是美國能源部資助該州調查的原因之一。

在內華達州以南，美國能源部也同樣投資了美國地質勘探局在加州索爾頓海上空的飛行，該海因北美和太平洋構造板塊的運動而被拉開，導致地殼又薄又熱。「溫度真的很高，」格倫說。「地熱潛力巨大。」除了繪製潛在的鋰礦床和地熱地點地圖外，調查還在聖安地列斯南端發現了新的斷層，以及索爾頓海下方似乎埋藏著火山。「這是全新的東西，」格倫說。「我們對此一無所知。」

這些見解來自於磁力計、輻射測量和雷射高度計飛行。但地球核磁共振成像也計劃進行高光譜調查，掃描沒有樹木的乾旱地表，尋找有價值的土壤。例如，鋰和稀土元素具有很強的光譜反射；和其他特徵可以揭示與鋰或其他礦物相關的鐵或粘土礦物。除了勘探之外，這些數據對於發現火山災害也很有價值。美國地質調查局遙感地質學家伯納德·哈伯德說，其中包括火山側面的岩石，這些岩石因融雪和熱量而變成了軟黏土。「它們變得不穩定——然後崩潰。」

除了識別可能蘊藏礦藏的岩層外，地球MRI還加速了美國地質勘探局(USGS) 探測廢棄銅礦或鐵礦尾礦中留下的寶貴資源的努力。過去十年，莎阿在紐約州邁恩維爾的一個小村莊的此類稀土堆中發現了獨特的放射性特徵。美國地質調查局正在與國家地質機構合作編制國家礦山廢棄物場資料庫，以及研究人員評估廢棄物礦產潛力的方法。「如果你能重新開採岩石，那麼在地上再挖一個洞還有什麼意義呢？」美國地質調查局地球核磁共振計畫協調員達西‧麥克菲問道。

這些揮之不去的尾礦堆提醒人們採礦可能對環境造成破壞。幾十年來，美國透過將採礦業外包給其他國家來避免有關採礦業的環境論點。賴克說，新的共識是工作應該在這裡進行。「但這意味著我們必須處理衝突。」該調查將揭示新資源。但剩下的就取決於我們了，她說。「我們應該發展多少？這是一個更複雜的問題。」

這些問題現在正在逐州展開。內華達州的鋰勘探正在蓬勃發展，原因是《通貨膨脹減少法案》規定電動車必須使用一些來自美國的礦物，買家才能獲得稅收抵免。但在緬因州，立法者於2017年頒布了嚴格的採礦法，當時該州最大的土地所有者、加拿大林業公司JD Irving考慮開採其土地上發現的金、銀和銅儲量。在彭寧頓山發現稀土礦床和該州其他地方發現鋰礦後，立法者現在正在考慮修改法律，允許負責任的採礦。

巴巴內爾說，考慮到綠色技術的需求和降低碳排放的必要性，許多環保組織正在軟化他們對關鍵礦產開採的立場。她補充說，這種剝削不必永遠持續下去。與燃燒時必須無限期開採的煤炭不同，用於電池和風力渦輪機的礦物幾乎總是可以回收——只要政策制定者推動它們的再利用。

美國地質調查局(USGS)名譽科學家約翰·斯萊克也歡迎一些挖礦活動。他退休後前往緬因州欣賞這裡的自然風光，但在回收能夠滿足社會需求之前，關鍵的礦產開採需要在某個地方進行。「沒有採礦，我們就不可能擁有低碳未來和綠色技術，」他說。「這不是一個選擇。這是必需品。這是必要的。」