由于关键矿产在现代技术中不可或缺，全球对这些矿产的需求正在急剧增长。诸如锂、钴、镍、硅、镓以及稀土元素（REEs）等矿产为从电池和半导体到智能手机、电动汽车、可再生能源系统以及国防技术等各类产品的制造提供了动力。REEs 组合包含17种元素——钪（Sc）、钇（Y）以及从镧到镥的15种镧系金属。

一、先进技术手段在矿产勘探中的作用

先进的技术正在改变我们识别和评估矿产资源的方式。诸如地震和磁力探测等地球物理成像方法能够揭示地下的结构和特性，从而为勘探工作提供指导。与此同时，遥感平台（包括卫星和航空设备）能够探测到地表的结构特征，如断层、褶皱和裂缝带，这些特征通常表明存在埋藏的矿藏。

随着高质量的高光谱成像数据日益丰富，高光谱遥感技术正成为关键矿产勘探的首选方法。通过分析光线在数百个狭窄光谱带内与地球表面的相互作用情况，高光谱系统能够探测到热液蚀变区域以及诸如碳酸盐、粘土和铁氧化物等关键指示矿物。这些蚀变是由地球地壳内部循环流动的热流体引起的，它们会改变矿物的形态。虽然这些通常不被视为关键矿产，但它们的存在可能揭示出能够移动和浓缩稀土元素、铌和镓的地质化学路径。

此外，稀土元素矿床也可以通过部分结晶作用形成，在这一过程中，特定元素会在岩浆冷却的最后阶段得到富集。高光谱数据能够揭示与这些矿化区域相关的特征，为拥有辅助高光谱数据处理技术的地质学家提供在识别可行矿床方面的重要优势。

二、高光谱成像背后的光谱科学

每种矿物质由于其在电磁波谱范围内与光线的相互作用而具有独特的反射光谱特征。

· 电子相互作用（在近红外波段可见）——由原子或分子内不同能级之间的电子跃迁引起。

· 偶极振动相互作用（近红外至短波红外）——源于分子键的伸缩和弯曲。

高光谱成像技术正是利用这些相互作用来检测诊断性的吸收特征，并以极高的准确性区分不同的矿物质。

三、美国西南部的勘察案例

有几项详尽的高光谱制图项目证明了这种技术的有效性：

• 卡普里特，内华达州 - 热液蚀变制图（Swayze等，2014 年）

• 坎尼斯县，得克萨斯州 - 铀矿场及围岩分析（Hubbard等，2023 年、2024年）

• 拜塔山，内华达州 - 岩浆-热液带区（Meyer等，2024 年）

• Mountain Pass，加利福尼亚州 - 高稀土含量的碳酸盐岩制图（Asadzadeh等，2024 年）

四、稀土元素高光谱检测案例

位于加利福尼亚州的Mountain Pass矿是美国唯一仍在运营的稀土矿。在20世纪90年代初之前，它一直是世界上轻稀土元素的最大生产商(Hammarstrom & Dicken 2019)。自 2017 年以来，Mountain Pass矿的总产量已攀升至约42,400 公吨的稀土氧化物（MP 矿业公司）。

主要矿石是巴斯特纳西石，这是一种氟碳酸盐矿物，其中铈的含量约为总重量的 50%（Kim 等人，2025 年）。其次是镧、钕和镨。由于其高稀土元素含量，它成为高光谱探测的首选目标。

为了对这一矿床进行描述，科学家们运用了先进的光谱检测技术，对来自 EnMAP、EMIT、PRISMA、EO-1 Hyperion 和 AVIRIS 的航空和卫星数据进行了分析（Gadea等. 2024）。分析数据的分辨率为 3 至 30 米不等。

五、新的指标与突破成果

研究人员近期开发了新的光谱指数，用于通过实验室反射光谱来检测巴斯特纳西石（Gadea等. 2024）。这些光谱指数能够高精度地测定稀土元素的浓度。利用现有技术，在高光谱图像中可以可靠地检测出稀土元素含量每千克含量超过3.3%的矿藏（图1）。

除了基于光谱指数的检测方法外，还采用了光谱拟合方法来匹配测量得到的反射率特征。这些方法被应用于EnMAP数据中，以识别约740和800纳米处的钕吸收特征（图2）。该技术不仅能够在露天矿坑内检测到钕，还能在尾矿储存区、破碎机区域、废弃物储存区和蒸发池等地检测到钕（图3）。

六、结论：关键矿产遥感技术的未来展望

高光谱成像正在彻底改变我们对关键矿产的勘探方式。正如在Mountain Pass以及其他地点所展示的那样，这些技术能够：

• 以高空间和光谱精度检测富含稀土元素的蚀变矿物

• 在活跃矿场和未勘探区域绘制矿物分布图

• 为可持续的国内矿产生产确定新的目标

原作者: Charles A. Poteet博士|光谱科学家（NV5 Geospatial Solutions, Inc.）

参考文献：

（1）Asadzadeh, S., Koellner, N. & Chabrillat, S. Detecting rare earth elements using EnMAP hyperspectral satellite data: a case study from Mountain Pass, California. Sci Rep14, 20766 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-71395-2

（2）Gadea, O. C. A., Khan, S. D., Sisson, V. B. Estimating rare earth elements at various scales with bastnasite indices for Mountain Pass. Ore Geol. Rev., 173, 106254 (2024).https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2024.106254

（3）Hammarstrom, J.H., and Dicken, C.L. Focus areas for data acquisition for potential domestic sources of critical minerals—Rare earth elements (ver. 1.1, July 2022), chap. A of U.S. Geological Survey, Focus areas for data acquisition for potential domestic sources of critical minerals: U.S. Geological Survey Open-File Report 2019–1023, 11 p (2019).https://doi.org/10.3133/ofr20191023A

（4）Hubbard, B. E., Gallegos, T. J., & Stengel, V. Mapping Abandoned Uranium Mine Features Using Worldview-3 Imagery in Portions of Karnes, Atascosa and Live Oak Counties, Texas. Minerals, 13(7), 839 (2023).https://doi.org/10.3390/min13070839

（5）Hubbard, B.E., Gallegos, T.J., Stengel, V., Hoefen, T.M., Kokaly, R.F., & Elliott, B. Hyperspectral (VNIR-SWIR) analysis of roll front uranium host rocks and industrial minerals from Karnes and Live Oak Counties, Texas Coastal Plain. J. Geochem. Explor., 257, 107370 (2024).https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2023.107370

（6）Kim, J., Choi, J. & Lee, S. A Review of Rare Earth Elements Recovery from Bastnaesite Ore: From Beneficiation to Metallurgical Processing. J. Sustain. Metall. 11, 773–798 (2025).https://doi.org/10.1007/s40831-025-01019-0

（7）Meyer, J. M., Holley, E. A., & Kokaly, R. F. Hyperspectral mapping of magmatic-hydrothermal sericite, Battle Mountain mining district, Nevada. Journal of Geochemical Exploration, 259, 107395 (2024).https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2024.107395

（8）MP Mineralshttps://mpmaterials.com/history/

（9）Rowan, L. R. Critical Mineral Resources: National Policy and Critical Minerals List, Congressional Research Service Report R47982 (2025).https://www.congress.gov/crs-product/R47982

（10）Swayze, G. A., Clark, R. N., Goetz, A. F. H., Livo, K. E., Breit, G. N., Kruse, F. A., Sutley, S. J., Snee, L. W., Lowers, H. A., Post, J. L., Stoffregen, R. E., & Ashley, R. P. Mapping Advanced Argillic Alteration at Cuprite, Nevada, Using Imaging Spectroscopy. Economic Geology, 109 (5): 1179 (2014).https://doi.org/10.2113/econgeo.109.5.1179

（11）USGS, U.S. Geological Survey Releases 2022 List of Critical Minerals, https://www.usgs.gov/news/nationalnews-release/us-geological-survey-releases-2022-list-critical-minerals.

文章来源：ENVI技术殿堂