從空中看，美國緬因州（Maine）是一片整齊劃一的綠色海洋：森林覆蓋了該州90%的面積。但在樹葉和泥土之下，是一系列更加多樣化的地質地形，它們由數億年前與北美大陸碰撞的火山島的遺跡形成。

從兩年前開始，美國地質調查局(USGS)的研究人員開始對這些地區(qū)進行調查，尋找珍貴的礦物。據美國《科學》雜志近日報道，研究人員最新在距離加拿大邊境50公里的彭寧頓山（Pennington Mountain），發(fā)現(xiàn)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礦藏。

(資料圖片僅供參考)

“這是一個完美的發(fā)現(xiàn)，”美國地質調查局退休科學家約翰·斯萊克(John Slack)說，他參與了這次調查，“我們認為整個阿巴拉契亞山脈（Appalachians）都有潛力。”

美國地質調查局(U.S. Geological Survey)正在資助阿拉斯加東部變質巖的測繪工作，那里可能蘊藏著包括稀土在內的多種重要礦物。

一、緣起

今年4月18日，美國聯(lián)邦政府《通貨膨脹削減法案》(Inflation Reduction Act)正式生效，其中的關鍵一項：對于電動汽車提供消費者購買稅收補貼，需滿足動力電池所包含的關鍵礦產原料的部分本土化要求。

然而，到底什么是關鍵礦產？

據介紹，“關鍵礦產”指的是50種已開采的礦物質。根據這份由美國地質勘探局在美國國會的指示下制定的清單，關鍵礦產不僅包括17種目前主要在中國生產的稀土元素，還包括用于生產鋼鐵的鋅和用于電動汽車電池的鈷等不太常見的材料。

但在過去十年中，當議員們向美國地質調查局詢問美國國內這些關鍵礦產的供應情況時，得到的回應令人不安：美國地質調查局甚至不知道該去哪里找。

幾十年來，美國的礦業(yè)公司一直在將采礦業(yè)務轉移到國外，部分原因是為了避開美國相對嚴格的環(huán)境法規(guī)。確定礦產資源的基本勘探工作停滯不前。上一次美國全國范圍的調查是為了尋找鈾，調查于上世紀80年代結束。

美國地質勘探局負責能源和礦產的副局長莎拉·賴克（Sarah Ryker）表示，與大多數發(fā)達國家相比，包括澳大利亞、加拿大，甚至愛爾蘭，“美國的地圖繪制不足，我們正處于一個尷尬的時刻。”莎拉·賴克說。

為了填補這一知識空白，美國地質調查局在2019年啟動了一項地球測繪資源計劃，也稱“地球核磁共振成像”計劃(Earth Mapping Resources Initiative，或稱為Earth MRI)。在每年1000萬美元的預算下，該機構開始與州地質調查局合作，將數據數字化，并委托實地調查，以詳細繪制最有希望的地質區(qū)域。

2021年，美國聯(lián)邦政府通過《兩黨基礎設施建設法》（Bipartisan Infrastructure Law），法案為該項目撥款3.2億美元，幾乎占美國地質調查局整個預算的三分之一，資金在5年內投入使用。

大規(guī)模的資金推動下，“全國各地的地質調查都在復興，”新墨西哥州地質和礦產資源局的經濟地質學家弗吉尼亞·麥克勒莫爾(Virginia McLemore)說。

與此同時，礦業(yè)公司也在擁抱“地球核磁共振成像”計劃。全球礦業(yè)巨頭力拓(Rio Tinto)的地球物理學家欣克斯(Donald Hinks)表示，他支持其他礦業(yè)公司與該項目合作并共享數據。力拓甚至資助了美國地質調查局在蒙大拿州的一些航班，以換取1年的獨家數據訪問權。欣克斯說:“在公共領域擁有這種高質量、大規(guī)模的數據將推動新想法和新發(fā)現(xiàn)。”

二、困難

在采礦史的大部分時間里，礦脈的起源故事顯得不那么重要——勘探者發(fā)現(xiàn)了它，礦工把它挖了出來。但美國地質勘探局的地球物理學家安妮·麥卡弗蒂(Anne McCafferty)說，到目前為止，大多數明顯的礦藏發(fā)現(xiàn)都不存在了。“最低處的果子已經摘了。”安妮·麥卡弗蒂說。

礦物的稀缺性促使地球磁共振成像計劃采用了一種“礦物系統(tǒng)”（mineral systems）方法，這種方法首先在澳大利亞首創(chuàng)，試圖根據礦物的形成過程來預測在哪里可能找到關鍵的礦物。

例如，尋找稀土礦物可以從尋找一種不尋常的富含碳的巖石開始，這種巖石被稱為碳酸鹽巖。地質學家也可能會尋找富含黏土的巖石或沉積物，這些巖石或沉積物可以在水侵蝕源巖后捕獲稀土元素的濃縮物。

為了收集這些能說明問題的巖石的歷史，美國地質勘探局的科學家需要整合各種信息來源。其中一些已經存在，例如基于數十年野外工作的大規(guī)模地質圖，以及基于人工或自然地震的地震波反射的巖層深層結構調查。

而最新的地球核磁共振成像(Earth MRI)計劃也使用了全新的飛行器。飛行器的空中勘測飛行距離地表僅100米，能夠增加更多細節(jié)，并為新一代更清晰的地質圖提供信息。

在內華達州，一架牽引著感應線圈的直升機測量了地下電阻。

研究者們在飛機上使用的工具之一是磁力計（magnetometer），它可以探測富含鐵和其他磁性礦物的巖石。另一種是伽馬射線光譜儀（gamma ray spectrometer），它可以捕捉釷、鈾和鉀發(fā)出的輻射，這些元素經常出現(xiàn)在包含稀土礦物元素的火山巖里，并且經常被聚合到它們的晶體結構中。

在緬因州，地質學家攜帶傳感器測量巖石的放射性。

其他的工具包括激光高度計，可以繪制地表起伏圖，揭示地質歷史。美國宇航局開發(fā)的一種“高光譜”（hyperspectral）儀器可以根據礦物質吸收的特定波長的光來識別暴露在地表的礦物質。

在綜合數據中，“你可以看到下面的所有地質情況，”美國地質勘探局負責東海岸航空勘測的地球物理學家Anjana Shah說。“這是了解地球的一種非常有力的方式。”

一名研究人員校準了機載高光譜傳感器收集的數據。

三、尋找

在早期的嘗試中，地球核磁共振計劃的飛行器飛行在在北卡羅來納州和南卡羅來納州上空。在這些州的煙草農場下面，隱藏著沙灘化石，這些沙灘是過去兩次冰期之間溫暖時期留下的海岸線，當時海平面比現(xiàn)在高。

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，激光高度計捕捉到了這些海岸線和古河流的細微起伏。

古老的海灘上有黑砂沉積物，這些黑砂是由山脈侵蝕和河流沉積而成的，富含重金屬元素。法雷爾和她的同事們希望通過將收集到的新的空中數據與實地測繪和鉆孔取樣相結合，了解卡羅萊納州黑砂的起源。他們想了解沿海平原是如何隨著時間的推移而形成，為什么黑砂只在特定時期形成，以及這些砂來自上游的哪里。

這些問題的答案將有助于地質學家發(fā)現(xiàn)新的重金屬礦床，要知道，佛羅里達州北部的類似地點是美國為數不多的鈦的商業(yè)來源之一。

而在今年，一項覆蓋密蘇里州、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(qū)的地球核磁共振調查將探測另一個神秘的地震帶——里弗特裂谷(Reelfoot Rift)。

里弗特裂谷被埋在長達數公里的沉積物之下，它很可能是7.5億年前羅迪亞超大陸（Rodinia supercontinent）開始分裂時在大陸基巖上形成的一個裂縫。1811年和1812年，與這個裂谷有關的斷層引發(fā)了新馬德里地震，是美國落基山脈以東地區(qū)有史以來最大的地震。

里弗特裂谷和附近的基巖變形造成了危險，也為礦物質的形成創(chuàng)造了機會。這些裂口為巖漿提供了通道，使其在地質年代較晚的時期涌出，那時非洲大陸板塊與北美大陸板塊相撞，形成了阿巴拉契亞山脈。這種巖漿也形成了伊利諾斯州南部的螢石區(qū)，這里曾經產出了美國大部分的螢石——用于冶煉鋼鐵和制造氫氟酸。

不僅如此，這些巖漿可能也在形成希克斯巨蛋(Hicks Dome)的過程中發(fā)揮了作用。希克斯巨蛋位于伊利諾伊州鄉(xiāng)村上空1公里處，是該州最接近火山的地方。

在美國地質勘探局的航空數據中，這是一個磁異常區(qū)域，從穹頂上鉆出的巖心富含稀土礦物。來自巖心的地球化學示蹤劑暗示，圓頂深處的沉積物是由碳酸鹽巖形成的——這種不尋常的火山巖與世界上最好的稀土礦床有關。

加州的帕斯山是美國唯一生產稀土元素的礦山。美國地質調查局希望地球資源測繪計劃能夠鼓勵更多的采礦活動。

四、鋰礦

如今，沒有哪種礦物比鋰更重要。

鋰被用于手機和電動汽車電池中，驅動著世界上越來越多的電動產品。然而，美國只有一個鋰礦，位于內華達州，其未經加工的鋰原礦被送往國外進行加工。內華達州地質學家詹姆斯·福爾茲(James Faulds)說，該州有潛力儲藏更多的鋰礦，并可能成為國際鋰資源“震中”。

鋰通常存在于火成巖中——在地殼中結晶的巖漿或在地表冷卻的熔巖。許多已知的鋰礦床都在該州北部的麥克德米特火山口，這是一個1600萬年前由地球深部熱點形成的火山口，也為黃石公園提供燃料。火山口內的雨水或下面的熱水將火山口粘土沉積物中的鋰濃縮到黃石公園其他火山熱點地區(qū)。

“為什么會出現(xiàn)這種礦化？”內華達大學里諾分校的地質學家Carolina Mu?oz-Saez問。她和她的合作者正在研究鋰和鋰黏土的地球化學，以確定鋰元素是在火山噴發(fā)期間由過熱的水集中的，還是在火山噴發(fā)之后，隨著水滲透到火山口富含火山灰的巖石中的。問題答案可能會引導地質學家尋找其他同樣豐富的礦藏。

地球核磁共振成像(Earth MRI)也已經表明，鋰探礦者不必拘泥于火山口。野外地質學家已經在構造隆起的地殼塊圍成的盆地中發(fā)現(xiàn)了似乎富含鋰的巖石。詹姆斯·福爾茲說，以“盆地和山脈”地形而聞名的內華達州有很多這樣的地方。

美國地質勘探局的地球物理學家喬納森·格倫表示，不僅如此，這些盆地往往擁有熱鹽水系統(tǒng)，這是地熱發(fā)電的潛在來源。

地球核磁共振計劃也在規(guī)劃高光譜調查，掃描沒有樹木的干旱地表，尋找含礦土壤。例如，鋰和稀土元素具有很強的光譜反射；其他特征可以揭示與鋰或其他礦物相關的黏土礦物。

除了識別可能含有礦藏的巖層外，地球核磁共振成像還加速了美國地質勘探局探測廢棄銅礦或鐵礦尾礦中遺留的寶貴資源。美國地質勘探局正在與各州地質機構合作，編制一個關于礦山廢料場地的國家數據庫，并為研究人員提供了評估廢棄礦山潛力的方法。“如果你能挖到巖石，在地上再挖一個洞有什么意義?”美國地質勘探局地球核磁共振項目協(xié)調員達西·麥克菲問道。

用于制造電池的銻礦。

受美國聯(lián)邦政府新政的影響，在內華達州，鋰勘探正在蓬勃發(fā)展，但在緬因州，立法者于2017年頒布了一項嚴格的采礦法，當時該州最大的土地所有者、加拿大林業(yè)公司J.D.歐文(J.D. Irving)考慮開采其土地上發(fā)現(xiàn)的金、銀和銅儲藏。最新的情況是，在彭寧頓山(Pennington Mountain)發(fā)現(xiàn)稀土礦床，并在該州其他地方發(fā)現(xiàn)鋰礦后，立法者正在考慮修改法律，允許放寬一些負責任的采礦。

非營利環(huán)境組織世界資源研究所(World Resources Institute)美國-國際合作部主任梅麗莎·巴巴內爾(Melissa Barbanell)說，考慮到綠色技術的需求和降低碳排放的必要性，許多環(huán)保組織正在軟化對關鍵礦物開采的立場。她補充說，跟煤炭的燃燒不一樣，用于電池和風力渦輪機的礦物幾乎總是可以回收利用的——只要政策制定者推動這些礦物的再利用。

美國地質調查局退休科學家約翰·斯萊也支持挖礦，他退休后去了緬因州。在他看來，在資源回收能夠滿足社會需求之前，關鍵的礦產開采仍然需要進行。他說:“沒有礦業(yè)，我們就無法擁有低碳的未來和綠色科技。這不是一個選擇，而是一個至關重要的必須。”