矿业科技发展态势分析2021

人工智能等前沿技术发展促进矿产勘查发现

最近对过去30年矿产勘查技术的综述性研究表明，矿产勘查技术的发展可分为三类，一是经济地质学的理论进展，包括金属来源、金属从源到当前位置的运移机理、以及在当前位置形成可采矿石的成矿机理；二是发现和圈定矿床的方法或技术的重大突破，包括航空重力、航空重力梯度测量、多光谱到高光谱遥感、更深部的电磁测量、三维电法和电磁测量、二维到三维建模和反演、便携式矿物和地球化学分析仪、海底矿产资源勘探开发；三是关联和通用领域的显著进步，包括能够以较低成本带来更高计算能力的计算机技术、电子技术、用于定位和精确时间标记的全球导航卫星系统、地理信息系统的商业化、高分辨率卫星图像的商业化、分析技术的改进、人工智能、无人机和无人潜水器。

橄榄石是用于重建岩浆过程的最重要矿物之一，但对火成岩和矿床中富铁橄榄石的稀土元素成矿系统了解甚少。德国埃尔朗根-纽伦堡大学的科研人员通过激光烧蚀-电感耦合等离子体质谱法对南非Vergenoeg萤石矿岩石样品的分析，发现布什维尔德大火成岩省的古元古代Vergenoeg氟-铁-稀土元素矿床中的铁橄榄石拥有所有橄榄石记录中最高的重稀土元素含量，可达球粒陨石标准值的6000倍。铁橄榄石的高重稀土元素含量与其高模态丰度（>95 vol%）一致表明铁橄榄石是Vergenoeg矿床重稀土元素矿化的主要赋矿岩石。因此，认为铁橄榄石可能会成为重稀土元素勘探的潜在未来目标。

2021年2月，国际地学期刊《Ore Geology Review》发布“碳酸岩及其矿产资源勘查技术方法带来的启示：关键金属矿产资源（稀土元素）勘查面临的挑战”专刊。目前的研究认为，碳酸岩中稀土元素富集机制可能主要起源于岩浆作用过程。然而，稀土元素的岩浆富集过程并不是许多碳酸岩中稀土元素含量达到经济可采的关键因素。与碳酸岩侵位作用相关的热液事件以及与大气流体的混合作用，或者与沉积作用之后的过程相关的热液事件（如风化作用），都在碳酸岩的稀土元素富集过程中发挥了重要作用。该期专刊通过对不同国家和地区（坦桑尼亚、中国、加拿大、韩国、挪威、蒙古、俄罗斯、塔吉克斯坦和挪威）的碳酸岩/碳酸岩杂岩体开展的大量研究，旨在为碳酸岩及其作为关键金属来源的矿产资源潜力的现有认识提供一些新的信息。

2019年12月，美国地质调查局联合加拿大地质调查局和澳大利亚地球科学局启动“关键矿物地质填图倡议”合作研究计划，目的是为大学、工业界与研究机构之间的互动提供平台，以便整合各方地质专业知识和资源，推动对未探明矿产资源的发现，解决关键矿物供应安全问题。该计划将重点关注在采矿废石中发现关键矿物，从而预测未取样矿床中的关键矿物含量。例如，对美国磷酸盐矿床的地球化学指标分析表明，这些矿床可以在可预见的未来满足全球对重稀土元素的需求，这一发现促使澳大利亚开展了类似的评估工作。2021年6月，澳大利亚地球科学局联合美国地质调查局和加拿大地质调查局发布了可显示全球关键矿物分布情况的三维交互式在线地图平台，该平台是基于60多个国家的7000多个矿物样品构建的，涉及钴、锂和稀土元素等关键矿物，有助于圈定新的关键矿物勘查靶区。预计美加澳三国的这项合作研究计划可能会发现其他以前未曾考虑过的关键矿物来源。

图1  “关键矿物地质填图倡议”合作研究计划在线平台

地质矿产勘查工作产生了大量的报告、图件等数字化信息，仅凭人工检索和处理如此海量的数据已经难以满足矿产勘查行业高质量发展的需要。人工智能技术能够快速、精确地处理并分析大量数据，自动进行数据抽取、集成、分析建模，因此具有大幅提升勘探效率、缩小勘探范围、降低勘探成本、在数据较为匮乏的绿地勘探项目中圈定成矿远景区、以及发现一些被传统理论或方法忽视的找矿信息等优势。人工智能技术主要用于矿产勘查中的两个方面，一是利用人工智能技术对镜下和岩心照片等图像的快速分析来识别矿物、沉积构造等；二是利用机器学习算法和专家系统的大数据综合分析来开展数据建模和成矿远景区/找矿靶区预测。

2021年2月，Minerva Intelligence公司宣布利用其开发的基于人工智能技术的矿产勘查软件TARGET为Giga Metals公司位于巴西Parnaiba盆地的铜矿项目编制了远景预测报告，认为该项目取得勘探成功的可能性很大，促使Giga Metals决定申请新的勘探许可证。同年6月，Minerva Intelligence宣布与Clarity黄金公司签订了一项服务合同，拟将其DRIVER人工智能分析技术用于勘探Clarity位于加拿大东南部Abitibi绿岩带内的Destiny金矿项目。该技术通过交叉引用各种数据以及将其与类似的地质异常区进行比较，可以从钻探结果中识别出非常重要的多元素区带，圈定勘查靶区，提供不受人为偏倚影响的高质量分析结果。该技术的主要优势包括：①不仅可以评价具有直接经济价值的元素，也可以从空间分布上评价实验室通常测定的所有元素；②快速完成已发现的地球化学勘探方向与包含全球数百座过去和当前矿山信息的数据库的比较，如果采用人工分析，这将是一项极为费时且复杂的工作；③通过比较获得的相似性排序，可以提供可靠且可解释的模型，地质学家可以基于这些模型制定勘探策略。

同年8月，Triumph黄金公司宣布通过Minerva Intelligence的DRIVER技术对其位于加拿大育空地区的Freegold Mountain矿区的大量勘查数据的分析，圈定出了一些先前未探明且可以提升矿产资源量的目标靶区，位于该矿区Revenue矿床和Nucleus矿床之中及周边区域。DRIVER技术在Nucleus矿床识别出了目前矿产资源模型中没有描述的具有金和铜成矿作用的新赋存矿体，在Revenue矿床还圈定出了一些准备进行钻探的目标靶区，这与Triumph基于所建立的岩石岩性模型得到的分析结果高度一致。

2021年5月，瑞典铁矿石开采企业LKAB公司与岩心扫描仪研发企业Minalyzer公司和人工智能技术研发企业Sentian公司启动建立联合体，旨在利用人工智能技术使地质学家能够以一种完全不同于以往的方式更深入地了解矿石的形成过程和蚀变形式，以及利用各种矿化指示确定是否已接近矿体并确定其位置，以加快勘探性钻探的分析过程及扩展其分析范围。目前，该联合体正在利用Sentian的人工智能算法在LKAB的矿床钻探孔的岩性编录中对岩层进行填图，从而将岩心评价所需时间从数周缩短至数分钟，并可提高评价结果的准确度。

2021年6月，GoldSpot公司与Critical Elements锂业签订了一项协议，拟将其专有的机器学习技术应用于Critical Elements在加拿大魁北克省的锂矿资源勘查工作。此次合作的目标是根据地质和地球化学数据以及Critical Elements近期勘探获得的地球物理数据，在发现了多处锂矿化点以及镍、铜和金矿化的勘探项目中识别和优化具有潜力的勘查靶区。GoldSpot的标准工作流程是在广泛收集所有可用和公开地质资料的基础上，利用GoldSpot的人工智能工具分析所有的相关数据，包括构造、地质、变质作用、热液分布、地球物理和遥感信息，圈定现场勘查的高优先级靶区，确定用于申请勘探许可的区域范围。

地球化学分析技术正向高精度、多元素、实时分析持续发展。目前的地球化学分析仪器和技术可为地质学家快速且低成本地提供各种化学元素、化合物和矿物的分析结果。过去10年里，便携（手持）式X射线荧光光谱仪已成为野外地质学家使用的最具创新性的工具之一。便携式荧光光谱仪的应用面临的一项挑战是其分析结果并不总是与实验室分析结果一致，偏差通常是由样品制备差异引起的，例如分析模式和参数、保护膜、样品的几何形状和密度、元素之间的分析干扰、基质的物理效应和样品条件等。近期的研究表明，使用便携式荧光光谱仪进行现场测量无法与最先进的实验室分析的准确性相匹配，因为仪器结构和样品制备都需要对移动性需求做出妥协。但是，如果对样品制备和质量保证程序给予同等程度的重视，便携式荧光光谱仪的数据质量可以接近于实验室水平。

便携式荧光光谱仪的广泛使用产生了大量光谱数据，但无法直接使用这些数据，需要对获得的矿物学信息进行标准化。IMDEX公司在其2021年1月举行的IMDEX Xploration技术会议上，介绍了该公司为处理便携式近红外荧光光谱仪数据开发的人工智能光谱矿物学数据解释系统aiSIRIS。该系统通过来自全球超过1000个矿业项目的200多万份真实光谱数据进行训练，每份数据都经过了世界级光谱专家的详细解释。据IMDEX表示，aiSIRIS的输出结果实现了标准化，能够为每份光谱数据提供与光谱专家水平相当的解释结果，但是与光谱专家相比，aiSIRIS的解释速度更快。同年7月，IMDEX表示通过其地球科学分析技术ioGAS与aiSIRIS的综合，可提供功能强大的解决方案，以综合分析光谱矿物学数据与地球化学和其他地质学数据集，所获分析结果可应用于从勘探到矿山开采再到矿物加工的整个矿业价值链。该解决方案的主要工作流程是：①利用aiSIRIS实现光谱数据解释的自动化；②通过将自动解释得到的矿物学数据输入ioGAS，利用ioGAS从这些数据中快速发现规律，以深度挖掘矿物学信息中的更好价值。

地球化学成像是揭示岩石和矿物复杂地质历史的强有力工具。由于常规仪器的成本和尺寸、较长的分析时间以及某些方法所需的大量样品制备，其应用一直局限于实验室环境中的地质研究。便携式激光诱导击穿光谱仪成为对岩石和矿物进行快速、定性地球化学成像的新方法，能够以最少的样品制备或无需样品制备揭示野外岩石和矿物的复杂地质历史。加拿大地质调查局和美国SciAps公司近期对来自加拿大Jericho和Muskox金伯利岩的岩心的一组幔源包体的完整分析表明，便携式激光诱导击穿光谱仪的地球化学成像分辨率足以绘制沿交代矿物分布的矿脉和颗粒边界。此外，便携式激光诱导击穿光谱仪对于绘制具有低原子序数的元素（例如锂和钠）的微观分布特别灵敏，尽管这些轻元素很难用其他便携式技术进行低浓度检测，但却是热液和岩浆过程的重要地球化学示踪剂。

由于经济和环境方面的原因，南非已经逐渐放弃传统的主动源地震勘探方法。因此，南非威特沃特斯兰德大学地球科学学院地震研究中心牵头研发了高性价比、绿色环保型地震勘探技术，旨在促进南非矿产勘查工作的可持续发展。该技术结合了主动源和被动源地震勘探方法，使用创新仪器在300~3500米深度的多噪近矿山环境中进行勘探。目前，该技术已获得用于南非地下金矿和铂矿的许可，根据现有数据选择了测试场地，在对现有数据进行验证的同时也将勘探新的成矿远景区。此外，该项创新技术使用了多种便携设备，更容易在空间有限且条件恶劣的矿井内进行小规模地震调查。无线记录系统相比有线系统更易于操作，同时需要的现场后勤保障工作更少。

加拿大采矿技术初创企业Ideon Technologies公司与全球顶级铀生产企业之一的法国Orano集团正在后者位于加拿大萨斯喀彻温省的McClean Lake铀矿合作部署全球首个用于行业标准钻孔的宇宙射线μ介子探测器。Ideon Technologies的μ介子断层扫描解决方案可以提供地表以下1千米范围内类似X射线的图像，结合反演技术和人工智能技术可生成勘查靶区的高分辨率三维密度图。Orano的成像目标是位于300米深度处的致密铀矿床。多个μ介子探测器以连接的顺序部署于单个钻孔中，以在整个勘查过程中提供渐进式成像结果。Orano和Ideon Technologies自2016年就开始合作，当时Ideon Technologies在加拿大萨斯喀彻温省的McArthur River铀矿部署了第一代大幅面探测器，此后Ideon Technologies致力于该探测器的小型化，目前研发形成的新一代μ介子探测器从尺寸上缩小了50倍，符合行业标准钻孔（直径小于10厘米）要求，具有低功率、零维护、适合在极端环境条件下运行的优点。相比于传统勘探方法，该技术能够更好地圈定和刻画深部高品位矿床的空间分布。

图2  未采用和采用μ介子断层扫描解决方案的对比

团队介绍

中国地质调查局地学文献中心矿业科技跟踪与分析研究团队 依托文献中心扎实的地质科技情报工作基础，旨在开展矿业勘探和开发相关科技领域跟踪分析及专题研究， 一是形成矿业科技动态跟踪与发展态势分析产品 ，服务矿业行业及时、全面了解矿业科技新动向、新进展和新趋势， 二是形成矿业前沿技术专题研究产品 ，服务矿业企业及相关市场主体深入、系统了解典型前沿技术领域研发应用进展。通过团队2年多的努力和积累，现已初步形成集《 矿业科技动态 》、 发展态势分析报告 和 专题研究报告 等为一体的服务产品体系，一是填补国内需求服务空白，开展矿业科技动态跟踪，形成《矿业科技动态》服务产品，及时跟踪、仔细遴选和精准报道矿业勘探和开发相关科技领域的新动向、新进展和新趋势，目前设置有“深度关注”、“矿业科技发展”、“矿产资源勘查”、“矿山开采运营”、“选冶综合利用”、“矿物创新应用”6个专栏，二是基于动态跟踪成果，探索性地开展矿业科技发展趋势分析，形成年度态势分析报告服务产品，三是结合动态跟踪和态势分析成果，开展典型前沿技术领域研发应用进展研究，形成前沿技术专题研究报告服务产品，如《基于先进传感器的矿石拣选技术研发应用进展与发展展望》报告。