欧盟“地平线2020”计划矿产勘查研发项目概览

1 引言

欧盟“地平线2020”计划资助开展的相关项目开发了一系列用于寻找金属和工业矿物的创新型勘探技术。这些技术将帮助欧盟向具有竞争力且可持续的资源节约型经济体转变，同时也将帮助欧洲应对环境和气候挑战。本报告重点介绍了帮助欧盟实现上述转变的6个前沿项目。

保障自然资源供给是实现《欧洲绿色协议（European Green Deal）》的最重要战略安全问题之一。《欧洲绿色协议》的目标是至2050年，欧洲将成为全球第一个实现碳中和的大洲。

金属和工业矿物等原材料，尤其是稀土金属等关键原材料（CRM）的可持续利用是实现上述转变的重要前提之一，这些原材料在工业价值链中发挥着非常重要的作用，对能源、交通和国防以及可再生能源、电动车辆和手机等的生产尤其重要。

应用新策略

随着原材料需求的不断增长，“地平线2020”计划资助开展的欧盟研究和创新项目将帮助提高金属和工业矿物的供应能力，同时优化整个欧洲金属和工业矿物的消耗及改进开采条件。

矿产资源勘探的目的是为矿业行业寻找具有商业开采可行性的金属和工业矿物矿床。矿业行业属于资本密集型产业，因此必须非常精确地评估矿床的规模。

可持续的金属和工业矿物创新型勘探策略包括采用自主作业设备勘探和测量被水淹没的矿山和海底地形，从而提供可靠识别矿体所需要的高分辨率信息。另一项策略是提高地质模型和矿床经济评价的准确度。

另外，降低高昂的勘探成本和从勘探一开始就鼓励民间组织介入相关工作，将提高当地社区和其他利益相关者对勘探项目的认识和信任。推广应用最具前景的技术以及将这些技术推向市场将提高欧盟勘探企业的竞争力。

聚焦欧盟研究

欧盟研发信息服务机构（CORDIS）编制的这份报告主要介绍了“地平线2020”计划资助开展的相关项目取得的创新成果。这些项目旨在研发勘探技术，以确保原材料的可持续供应。

HiTechAlkCarb项目将欧洲和非洲的合作伙伴聚集在一起，大大改进了高科技矿物勘探采用的地质模型，这些矿物包括与碱性岩和碳酸盐岩伴生的稀土金属。ROBUST项目开发了一种自主作业的机器人勘探系统，用于识别和分析深海海底多金属结核。UNEXMIN项目开发了一种非常尖端的机器人，用于勘探和测量被水淹没的矿山、采集地质数据以及进行水质分析和矿山边坡稳定性分析。SOLSA项目将声波钻探、分析仪器和信息科学相结合，以提高矿山的运营效率。INFACT项目旨在开发创新的、非侵入式的且被社会认可的矿产资源勘探技术，以帮助在新的和已开发的勘探区发掘尚未被发现的资源潜力。Smart Exploration项目开发的具有成本效益且环境友好的深部矿产资源勘探解决方案，将适用于棕地（废弃的老矿区）和绿地（从未被开发过或进行过项目建设的地区）项目的勘探。

2 在欧洲寻找高科技矿物矿床和消除生产瓶颈

新的地球物理模型将帮助提高铌、钽以及稀土元素钕和钪等高科技矿物的开采量，为先进和绿色技术的发展提供原材料保障。

铌、钽以及稀土元素钕和钪等高科技原材料对消费电子产品、可再生能源和低碳交通等领域越来越重要。目前，欧盟在这些技术领域所需的特种金属几乎全部依赖进口，而且常常从一至两个国家的少数几座矿山进口。因此，这些金属的供应面临中断风险。碱性火成岩和碳酸盐岩是许多高科技矿物的重要容矿岩石。目前欧盟正在寻找这些类型的矿床。

欧盟资助的HiTechAlkCarb项目将非洲和欧洲的13个合作伙伴聚集在一起，其中包括中小企业、地质调查机构、大学和博物馆，其目的是提供寻找这些矿床所需要的地质模型。

两全其美的解决方案

与人们更熟悉的铜和金等金属相比，碱性岩和碳酸盐岩中的稀土金属、铌和钽的勘探才刚刚开始。正如项目协调员Frances Wall所解释的，“地球物理方法（基于磁场和电磁场等地球内部物理场进行研究的方法）对地质勘探非常重要。我们首先必须学会如何显著提高对这些与目标矿物和金属相关的地球物理信息的认识。我们也需要将环境和社会因素融入我们的地质模型，因为目前这些因素在勘探和采矿的各个阶段都变得非常重要。”

HiTechAlkCarb项目已完成多个示例研究，尤其从形成于1800万年前的德国Kaiserstuhl火山获得了非常深刻的认识。该场地没有经济价值，却极具研究价值，在这里出露了可形成矿床的火山熔岩和火山“根部”（火成侵入体）。

Wall表示：“我们的纳米比亚合作伙伴带来了环境和社会影响评估（ESIA）方面的经验。在Kaiserstuhl现场工作期间，我们采纳了这项‘纳米比亚最佳实践’。”这些研究工作的最终成果是建立了一个Kaiserstuhl火山杂岩体三维模型，其中结合了地质信息与地球物理信息。项目合作伙伴Lancaster勘探公司在其位于马拉维的正处于勘探阶段的Songwe Hill项目现场继续了这项研究。他们的科学家获得了最有效的地球物理测量数据，以改进他们的地质模型。

机动灵活和影响深远的应用

将一种被称为“矿物系统”的地质模拟方法首次应用于碳酸盐岩和碱性岩，已经取得令人振奋的成果。这种方法一直用于研究已知的矿床、预测新的勘探靶区以及识别其他类型的小型复杂矿床。研究结果将可免费使用，从而为公营、私营和研究机构提供信息支持。中小企业合作伙伴正在通过各种方式拓展业务，包括增加融资，扩展知识、技能和服务，以及改进地质模型。

该项目也制作了一个特别的网上课程，现已向公众开放，以确保扩大该项目在全球的影响力。Wall总结道，“我们整合了世界各地的技术经验来建立新的地质模型。我们举办了来自20个国家的60名专家参加的研讨会。数百人亲自参加或在网上参加了在伦敦召开的项目总结会。我们现在对碱性岩和碳酸盐岩矿床有了更深入的认识，准备在欧洲和全球范围内进行更有效的勘探。HiTechAlkCarb项目已经积累了进行这些勘探所需的技术经验和信息。”

3 利用高科技潜水机器人分析海底矿产资源丰度

在水深达6千米的海底，形成了分布广泛的富含珍贵矿物和金属的岩层。不久的将来，全球首台深海自主探矿机器人将通过原位鉴别和分析来详细地勘查这些矿床，从而研究这些资源在电动汽车和其他领域的应用潜力。

深海海底是一个未被勘探开发的巨大资源宝库，包含钴结壳、锰结核和海底多金属块状硫化物。这些矿产资源有可能在很大程度上满足电子产品和技术领域对金属的需求，目前，这些产品和技术主要依赖于稀有且昂贵的金属。2020年，全球深海采矿的市场规模为6.5亿美元，至2030年将有望增加至153亿美元。欧盟资助的ROBUST项目已成功开发了一款自主作业的机器人勘探和分析系统，该系统将为上述预期的市场规模增长提供技术支撑，并保护海洋环境。该系统也将是对海洋科学考察非常有用的一种工具。

激光器、摄像头和作业方式

目前，多金属结核的深海勘探方法是将一台遥控无人潜水器（ROV）系于勘探船，用该潜水器从海底采集原始样品。然后，将样品输送至海面以用于分析。分析过程时间长、成本高且效率低。ROBUST项目旨在使深海采矿变得具有成本效益且对环境友好。

铁锰结壳和锰结核富含工业上重要的镍、铜、钴、锂、钼和锰。在富含铜、锌、铁、金和银的海底硫化物矿床中，存在丰富的稀土元素和海底块状硫化物。项目协调员Graham Edwards解释道，“我们通过一台无人无缆潜水器（AUV）将一个定制的激光系统部署于海底，该系统能在300米深的海底识别锰结核。我们也开发了一种基于激光诱导击穿光谱（LIBS）方法的系统，该系统能自动识别原位的铜、锰和锌结核，同时还集成了海底块状硫化物探测功能。因此，这个功能强大的LIBS系统能在水下识别极为重要的原位开采目标。”

这些系统不仅采用高科技，还必须适合在极端的海底环境作业。ROBUST系统通过在海底移动，利用由水下声学仪器、激光扫描仪和摄影测量仪获得的各种数据生成三维地图。项目主管James Essien解释道，“卷积神经网络模式识别算法可以实时探测锰结核。当AUV与勘探靶区的距离在数米以内时，机载摄像头触发潜水器的精确定位系统。”

一旦AUV位于勘探靶区上面，该潜水器将定位其水下操纵系统，以使集成的LIBS系统进行基于光学方法的实时非接触式原位化学分析。采用了一个双脉冲激光器来提高信号强度。Essien解释道，“第一个脉冲形成一个气腔，第二个脉冲使待测物处于温度更高、时间更长的激发态，然后通过获得的谱线识别结核。”

4 从欧洲的废弃矿山寻找尚未发现的矿产资源

仅欧洲就有约30000座已废弃的和被水淹没的矿山，其中某些矿山的重新开采可能具备盈利能力。一个创新的机器人勘探平台已准备投入使用，旨在探明哪些矿山值得重新开采。

在人类历史发展过程中，为了支持创新，人们一直在从地壳中开采矿物和金属。随着时间的推移，采矿、选矿和冶炼技术的进步降低了采矿成本，人类的需求创造了新的市场，例如满足绿色技术需求的稀土金属市场。

虽然许多废弃矿山可能隐藏着我们的经济发展所需要的重要资源，但是矿山被水淹没使得勘探工作变得困难，甚至变得不可能。欧盟资助开展的UNEXMIN项目开发了一种安全、环境友好且具有成本效益的非传统勘探设备——UX-1型机器人。这种自主作业的水下机器人将能识别具有资源潜力的矿山。重新开采这些矿山将促进欧盟的经济发展，缓解对关键原材料的进口依赖。

探矿机器人可实现自动导航并在被水淹没的矿山中分析矿石品位

UNEXMIN项目开发了一个先进的多机器人平台，用于勘探被水淹没的矿山和采集地质数据。通过多台机器人的团队作业，可以实现两个关键目的：由多台机器人分担载荷，从而降低能量消耗；延长每台机器人的作业时间并提高可靠性。此外，团队作业可以通过同时勘探多条进路和巷道来加快数据获取速度。

项目团队成员Luis Lopes解释道，“实时定位、测量和导航能力与感知和测量软件的结合，使UX-1型机器人能在复杂且危险的水下环境进行自主勘探和分析。”UX-1型机器人呈圆球状，直径约60厘米。一台UX-1重约112千克，最长可工作5个小时。项目协调人Norbert Zajzon补充道，“在每次任务结束后，利用专门开发的软件处理获取的数据，以形成三维地图和矿山环境模型以及水质化学分析和矿山边坡稳定性地质分析的结果。UX-1型机器人实现了导航系统和科学仪器的装载，这在如此小的甚至更大的机器上都前所未见。”

进入深部，应对挑战

UNEXMIN项目在5个实验场地截然不同的复杂环境下测试了UX-1型多机器人平台，这些场地包括斯洛文尼亚的一处被联合国教科文组织认定的遗址和匈牙利的一个大型地热洞穴系统。据Lopes称，“在已关闭150年以上的英国Ecton矿，获得了最令人兴奋的发现。这些发现让我们对该地区的成矿作用、构造运动和构造地质有了新的认识，也让我们了解了该矿山在18世纪和19世纪是如何开采的。”总的来说，UX-1型机器人潜入水下50次，在98个小时内对共计5000米长的竖井和巷道进了勘查，采集了约9太字节（TB）的数据。

广泛应用和不断演化的优势

UX-1型机器人不仅能服务于矿业企业，也能为公共机构和私营企业提供许多其他用途。Zajzon解释道，“地质调查机构、政府机构和大学可以将这些数据用于教育目的。供水企业可以利用这些数据评估其供水管道状况，环境保护企业可以利用这些数据评估水下环境风险，旅游企业甚至可以利用这些数据向潜在的游客进行推销。”该团队已经从欧洲创新与技术研究院原材料研究中心获得了进一步研究的经费，该中心是全球最大的原材料联合体。与此同时，该项目孵化的UNEXMIN GeoRobotics公司将使现有的UNEXMIN技术实现商业化应用。

5 新型钻探技术提高矿业行业的可持续性

在欧盟的资助下，研究人员开发了一款开创性的专业钻探系统样机，该系统将声波钻探、分析仪器和信息科学集于一体，提高了矿山生产作业的效率。

近年来，矿业行业因其生产活动对环境和人类的有害影响而屡次遭到批评。采矿作业可能严重影响矿山所在社区的空气、水和土地，造成的污染会一直影响几代人。在绿色环保技术的研究与创新方面，欧盟付出了巨大努力来改变矿业行业的声誉，使其从环境污染型产业转变为可持续且具有高能源效率的产业。

数字技术指出明确的转型方向

数字创新和技术创新有可能彻底转变矿业行业的关键领域。矿山可以利用这些创新更详细地了解具有经济价值的矿物的富集状况，可以利用自动化技术提高运营效率，实时监测工艺流程和优化物料流。

欧盟资助开展的SOLSA项目开发了一种稳健的专家系统。该系统能加快和优化矿产资源开发的三个主要阶段（矿物勘探、开采和加工）。这个新开发的系统由三个不同的子系统组成，分别是实时采集样品并同时测定不同参数的声波钻探系统、在取样地点分析土壤取心样品化学组成的现场实验室以及将所有可用的分析数据汇集于数据库的软件解决方案（数据库可实现自动更新）。

声波钻探的工作原理

项目协调员Monique Le Guen解释道，“声波钻探是一项土壤穿透技术。可造成土壤液化、惯性效应和土壤孔隙度暂时降低，从而降低土壤作用于钻具上的摩擦力。”与传统的钻探技术相比，由于作用于钻具上的摩擦力降低，声波钻探作业减少了能量消耗。声波钻探的这一独特功能可防止扭力作用于钻具。

应用高频声波的另一项优势是，容易从钻孔取回钻具，即使在快速膨胀的粘土层或砾石层及恶劣条件下钻进也是如此。钻探人员可以更快速和更容易地从钻孔取出所有钻杆、套管和钻头。钻机头部结构中的其他旋转和振动部件帮助操作人员更好地控制钻进所需要的力，从而优化在土壤和基岩层中的钻进。

SOLSA系统第一次采用无损检测传感器来检测岩心。这些传感器基于的是X射线荧光、X射线衍射、振动光谱和三维成像。该系统也集成了用于矿物填图的表面粗糙度测量仪、RGB摄像头和红外摄像头。自动化的综合分析可准确提供岩心的矿物组成和化学组成信息。

SOLSA系统颇具应用潜力

目前，SOLSA系统尚处于测试阶段。钻机已运至新喀里多尼亚，将用于在红土镍矿进行现场测试。这些红土镍矿因其非均质性、难以钻进和取样而闻名。SOLSA系统将扩大数据采集范围、降低钻探成本和缩短取样分析时间，从而显著提高勘探效率。

Le Guen总结道，“SOLSA系统可提供多种创新技术，因此能可持续地满足不断增长的矿物和金属需求，也能帮助优化金属生产，确保提高采矿作业的能源效率和减少对环境的负面影响。”

6 利益相关者参与和技术进步帮助实现勘探4.0

尽管欧洲对矿产资源的需求不断增长且原材料对清洁生产技术的应用非常重要，但是矿产资源勘探仍然面临许多障碍。欧盟资助的INFACT项目旨在开发对环境影响较小的技术，并通过大规模的实际现场工作向社会进行推广，从而提供可促进和支持可持续的矿产资源勘探的面向社会、法律和技术问题的解决方案。

研究人员正在研究澳大利亚和加拿大等在矿产资源勘探领域更为活跃的国家的最佳实践，制定适合在欧洲实施的指南。他们也正在致力于制定符合欧洲情况的策略，鼓励利益相关者参与欧洲的矿产资源勘探。项目协调员Leila Ajjabou表示，“INFACT项目的目标还包括向矿业行业的所有利益相关者提供相关信息，以使他们基于这些信息作出合理的决策。这些利益相关者包括公众、工业界、国家和欧盟机构。”

技术进步

INFACT项目的另一个目标是评估非侵入式技术的效果以及影响公众认可度的因素。事实上，科学协调员Richard Gloaguen在报告中表示，“该项目推动了无人机地球物理勘探和高光谱成像技术的发展以及全张量磁力梯度测量技术的进步。”

为可持续勘探奠定基础

目前，INFACT项目正在德国Saxony、西班牙Andalusia和芬兰Lapland建立三个试验场地。在这些场地，将从法律、环境、社会和应用方面评估这些技术。Gloaguen解释道，“选择这些欧洲试验场地的目的是获得丰富且多样化的勘探数据，包括广泛的钻孔数据库和地球物理数据库。这些场地涉及广泛的地质、社会和气候条件，以确保能够评价各种勘探挑战的影响。

迈向勘探4.0

不管怎样，INFACT项目决定推动勘探4.0的实现。Gloaguen将勘探4.0定义为“具有高技术效率且被接受的矿产资源勘探”。该项目已经朝这个方向迈出了步伐。因此，在三个试验场地建立的矿产资源勘探卓越中心将提高勘探的透明度和商业吸引力。另外，INFACT项目的影响力已显现，欧盟内外的多家技术提供商和相关机构多次请求参与该项目。

7 高科技和历史数据为深部矿产资源勘探开辟新途径

在以前开发过的老矿区（棕地）或具开发潜力的新勘探区（绿地）进行深部矿产资源勘探面临挑战。欧盟资助的Smart Exploration项目正在将各种解决方案应用于这两类勘探靶区。

项目协调员、瑞典乌普萨拉大学地球科学系教授Alireza Malehmir在介绍该项目时表示，“Smart Exploration项目的主要目标是为棕地和绿地勘探靶区的深部矿产资源勘探开发具有成本效益且环境友好的解决方案。”该欧盟资助开展的项目重点开发了5个系统原型以及改进了6种三维成像和建模方法。Malehmir报告说，“通过系统原型与新方法的结合，我们可以根据新采集的数据更好地了解更深部的勘探靶区及其地质特征。”

矿化填图

GPS时间同步系统（用于不能使用GPS的环境，例如地下矿）和宽带频率电能震源（E-vip）是该项目开发的两种系统原型。项目团队利用这两种系统在葡萄牙Neves-Corvo矿进行了一次扩大规模的半三维地表地震勘探和600米深处的半三维地下地震勘探。Malehmir解释道，“如果没有这两种系统，则不可能进行这些测量，或者仅限于在一个小的测量区域采集二维地震测线数据。我们认为，这次测量在提高靶区圈定精度方面迈进了一大步，因此有可能大幅降低采矿作业的成本和环境影响。”

项目合作伙伴也使用经过改进的算法成功地获得和重新处理了许多历史数据集。虽然这种方法是专门为葡萄牙Neves-Corvo矿和瑞典Ludvika矿开发的，但是其应用有力地证明，获得和使用适当的数据可以创造价值。Ludvika指出，“利用历史数据有可能发现下一个矿体。”

该方法在芬兰Siilinjärvi磷酸盐矿的应用中取得了其他成果。在该磷矿，Smart Exploration项目成功地从废石中识别出矿石以及对影响矿山边坡稳定性的直立断层进行了填绘。

绿地勘探创新

该项目的验证测试场地包含原生资源（欧盟关键原材料名单中的矿物）或源于原生资源的次生资源。Malehmir解释道，在某些场地，陡峭的地形导致极难或不可能使用传统的地球物理方法进行岩石特征研究和构造成像。“作为一个解决方案，新开发的直升机瞬变电磁法（HTEM）原型已经在Ludvika棕地项目场地进行了测试，也将在我们位于希腊和科索沃的绿地项目场地进行航空测量，以探测深部的勘探靶区。”

Smart Exploration项目也利用机器学习算法重新解释现有的地球化学、地质和地球物理数据，在希腊圈定了多个潜在的斑岩金-铜矿床勘探靶区。据Malehmir透露，这方面的创新在于采用适当的方法实现数据标准化，并采用地质统计学方法确认数据的有效性。

展望未来

项目合作伙伴也必须解决边坡方面的挑战。在零部件的交付被延迟的情况下，各团队采用了机动灵活的工程设计，建造了一种定制化无人机，以降低系统噪声。接下来的工作是应用和商业化推广。通过现场宣传、会议、研讨和直接沟通，Smart Exploration项目将向相关公司推荐这些解决方案。