北美矿业的新时代来了？
时间 ：2024-06-17 09:38:45点击 ：
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锂、钴、镍、锰和稀土元素等关键矿物如何成为推动电气化和电池、电动车、可再生能源技术发展的"新石油"？这些与能源相关矿物的需求和市场价值在近几十年出现爆炸式增长。然而,2023年美国对稀土矿物的依赖度高达95%。尽管美国国内储量丰富,但只有为数寥寥的几座钴、镍和锂矿。探矿、开采、选矿加工都面临重重挑战。新兴技术如利用AI分析地质数据指导勘探可大幅提高成功率。直接锂萃取等创新工艺也更高效。据世界银行估计,到2050年完成全球电动车转型,需再发现价值15万亿美元的铜、钴、锂和镍矿藏,当前产能仅能满足五分之一需求。这意味着到2030年或需300座新矿山。采矿业亟需技术创新以确保国内关键矿物供应。
A deep dive into the efforts bringing mining into the 21st century.
矿业的新时代即将到来。全球电气化浪潮带来的变化不仅仅是汽车的驱动方式和电网的配置，而是正在围绕构建电能存储和驱动电动经济的必需组件，重新调整全球经济格局。
这些也被称为关键矿产的商品，将成为 21 世纪的“新石油”，正如化石燃料在 20 世纪扮演着重要角色一样，也将成为全球贸易和地缘政治的主要资源。这就是为什么研究当代矿业的作家Teddy Feldman等评论员将关键矿产称为“新石油”的原因。
如果矿产是新石油，那么生产将成为日益重要的经济和地缘政治优先事项。然而，美国自身生产的矿产远远不能满足其雄心勃勃的电气化目标，并依赖中国等外国来填补缺口。2023 年，美国 95% 的稀土矿物（电池和电动机必不可少的材料）依赖进口。
尽管美国实际上拥有丰富的关键矿产储藏，但美国境内仅有少数运营中的矿山。与此同时，拟议中的矿山发现几乎无法与中国大量涌入市场的廉价材料竞争。
美国陷入了一种两难境地，只有创新或政府的坚定行动才能解决。然而，努力需要数年才能完全实施，这只会让更多地关注和定向技术进步用于勘探、提取和加工关键矿产变得更加紧迫。
The State of American Mining
采矿业可生产大量有价值的从用于水泥和混凝土生产的碎石和骨料，到用于制造和电子产品的金属，例如铁、铜、铅和铝。然而，越来越多的抢手产品是锂、镍、钴、锰和石墨，它们是电池设计的核心要素。
某些稀土元素在地壳中储量丰富，但很少以高浓度沉积的形式存在，它们具有独特的磁性，成为风力发电机和电动机生产中永磁体的重要成分。
随着电动汽车和可再生能源发电的采用步伐加快，对这些矿物的需求呈爆炸式增长。从 2002 年到 2022 年，能源相关矿物的需求增长了七倍，从 2002 年的年市场价值 530 亿美元增加到 2022 年的3780 亿美元。
Source: WTO
用于储能和电动车的电池已经是锂的最大消耗者，国际能源署预计到 2040 年镍将取代不锈钢成为最大的需求方。与燃油发动机汽车相比，一辆普通的电动汽车所需的输入矿产原料是其六倍，其中 40 磅由稀土元素组成，这些稀土元素存在于电动汽车的电池、永磁电机和再生制动系统中。
Source:IEA
如果说有什么变化，那么这种趋势在未来几年可能会加速。例如，拜登政府已经概述了美国未来几年雄心勃勃的电气化计划。2021 年，拜登政府发布了一项行政命令，要求到 2050 年整个经济体实现碳中和排放。随后，该政府制定了更激进的目标，要求到 2035 年实现无碳电网，并要求届时销售的所有新车都必须是零排放汽车。
问题在于，截至 2024 年，美国只有 1 个活跃的钴矿、1 个镍矿和 1 个锂矿。事实上，在1990 年代中期之前，美国实际上在锂生产方面领先全球 50 多年，但由于 1970 年代实施的一系列环境法规以及来自海外的成本竞争，导致国内产量崩溃。这个缺口被外国矿山的进口所填补，其中很少有国家遵守美国国内坚持的环境和道德规范。
美国国内对关键矿产的需求和国内生产之间的差距越来越大，这在过去近十年一直是美国关注的问题。2010 年，政府下令创建关键矿产清单，以更密切地监控其供应风险。美国地质调查局(USGS) 确定了 50 种矿产，并每年报告其脆弱程度。2023年，美国地质调查局发现，美国对这 50 种矿产中的 12 种完全依赖进口，另外 29 种矿产超过 50% 依赖进口。值得注意的是，中国是 36 种供应风险升高的关键矿产中的 24 种的主要生产国，这考虑了矿产对能源应用的重要性以及获取矿产的来源多样性。
Source:Department of Energy
问题并不是美国国内资源不足。据各方说法，美国拥有丰富的宝贵矿产资源。除了监管和外国竞争对美国矿业努力的低成本之外，问题是我们不知道这些矿产的具体位置。
为此，2023 年，美国地质调查局投入了数百万美元，用于在新墨西哥州、阿拉巴马州、蒙大拿州和犹他州进行航空磁测和放射测绘，以识别可能拥有珍贵矿床的区域。近年来，美国各地已经发现了大量真正的关键矿产宝库。
2024 年初，怀俄明州的哈勒克溪发现了一个含有 23.4 亿吨稀土元素的矿床，该矿床现在被认为是世界上最丰富的 tego 矿床。此前一年，蒙大拿州也被发现拥有大量稀土矿藏。与此同时，2023 年还发现，内华达州和俄勒冈州的交界处实际上拥有约 2000 万到 4000 万吨锂，这是地球上已知最大的锂矿床。
这些发现令人充满希望，但这仅仅是开始。国际能源署估计，矿山从发现到生产平均需要 16 年以上的时间，因为获得许可证、设计和建造矿山本身，以及在某些情况下加工设施都是需要数年才能完成的中间步骤。除此之外，还有棘手的盈利问题。
一方面，将可负担的关键矿产作为更广泛电气化工作的投入是一件积极的事情。另一方面，持续低廉的价格使这些矿产的国内开发完全不合经济效益。事实上，许多拥有足够许可证可以开始生产的美国矿山，例如爱达荷州莱米县一个新提出的钴矿，都因为全球钴价暴跌而陷入停滞。这种情况肯定是一个两难困境，但如果要摆脱这个困境，那就是通过创新。
Why Mining Is Hard
Finding an Ore Deposit
地球地壳的各个角落都存在着有用的矿物。问题在于通常以非常低的含量存在。勘探人员的目标是找到矿床，这些矿床中某种特定矿物的含量异常丰富。例如，下图显示了地球地壳中各种元素的典型丰度（单位：百万分之一），以及矿床被认为是可采矿的所需浓度。
Source:How Mining Works
这些富集的矿床是由炽热的岩浆顶开岩层，将熔融的岩石和矿物持续循环运送到上层地壳中而形成的，过程历经数亿年。随着时间的推移，岩浆冷却并形成囊状空洞或脉状结构，其中富集着经济价值高的元素。这类矿床通常与火山活动区域相关，那里新的炽热岩浆涌向地表，同时携带新的矿物聚集体。事实上，如果将火山区地图与已发现的铜金矿床地图叠加在一起，您会发现它们有明显的重合区。
Source:Visual Capitalist
像大陆裂谷带这样的其他地质感兴趣区域，板块在这里不是碰撞，而是变薄，最终分裂成独立的构造板块，也能形成有价值的矿床和矿藏。例如，位于犹他州和内华达州底部的盆地和山脉省就是一个大陆裂谷带。它形成于 1700 万年前，现在拥有大量有趣的矿产沉积。
对于一个充满进取精神的勘探者来说，是最明显和最有前途的区域。美国地质调查局在西部各州越来越多地资助的地球物理勘测是最早进行的评估之一，旨在了解地表下可能存在的东西。其他测量方法包括分析特定区域的地球磁场或电导率，或者航空放射测量调查探测放射性粒子的存在，这些都可以帮助确定是否存在可能的矿床。
一旦识别出感兴趣的区域，就必须进行更彻底的勘探活动来确定矿床的化学成分。最终，这需要钻探。带有金刚石钻头的空心圆柱形钻头可以钻入地球数百米，以确定矿床的形状和化学成分。然后将样品送到实验室进行测试，以确定有价值元素的含量，这将告知矿业公司需要哪些技术来提取和加工目标元素。同时，矿床的形状将为开采所需矿山的设计提供依据。
Building Mines
最终，矿山的设计目的是尽可能高效地挖掘矿石，同时理想情况下移动尽少的泥土。移动泥土是非常昂贵的，因此大多数开采活动都希望尽量减少这项工作。
开采和岩石最有效的方法是使用炸药。大多数矿山会先钻孔，然后在孔中填满炸药并引爆。不含任何有价值元素的废弃岩石（也称为“尾矿”）由装载-运输-倾倒卡车运走。这个过程会一直重复，直到挖到矿床为止。
露天矿会一直进行此操作，直到地球以下大约一公里的深度。它们的结构以陡峭的台阶为特征，形成漏斗状的地形，这是一种经济实惠的设计，可以让矿山建设者最快地获取埋藏的矿石，同时还能确保任何从漏斗边缘掉落的材料都被平坦的承接区域阻挡。
Source:Treehugger
矿场使用的运料机械令人印象深刻且价格昂贵。装载运输卡车的大型铲运机，重量超过一千吨，价值约 1500 万美元，可以抬起多达 100 吨的岩石。像小松 830E 这样的运输卡车可以运载超过 200 吨的材料，每辆价值超过 500 万美元。仅这些卡车的轮胎就重达 15,000 公斤，每个价值 10 万美元。运营中的矿山通常会拥有几十辆这样的卡车。
然而，在地下深处（大约超过一公里），建造地下矿山变得更加实用。最复杂的地下矿山有点像人类蚁群，经过精心建造且延伸很长一段距离，以便选择性地开采矿石。所有地下矿山都以建造竖井为起点，然后从竖井处建造更复杂的地下平台和结构，以帮助在地下获取矿床。所使用的地下矿山设计的确切方法将取决于矿床的形状和走向。对于狭长且深层的矿床，可能会使用类似“切割充填”的方法，矿工从矿床底部开始水平分层开采矿石，同时建造斜坡来挖掘越来越高的水平剖面。
Source:Encyclopedia Britannica
炸药被用于分段破碎矿石，然后必须通风清除爆破烟雾，并用铲运机运走矿石，通过竖井送回地面。然后，对枯竭的矿室进行结构加固，使 surrounding rock 稳定下来，同时矿工转移到其他区域。这个过程会一直重复，直到整个矿床或经济上可回收的部分被提取完毕。
大型地下采矿作业涉及的技术壮举，是地球上一些最极端的工程之一。其他地下矿山设计包括窄脉开采、凿岩采矿、房柱式采矿和大块崩落采矿，所有这些都需要在整个矿山生命周期中持续进行一定程度的规划、爆破和结构加固，令人难以置信。
虽然美国运营的大部分矿山都是露天矿，但美国唯一的镍矿——鹰镍矿，却是一个深达 3000 英尺的地下矿山，比哈利法塔还要深几打英尺。加拿大安大略省拥有世界上最深的贱金属矿山，该矿生产铜和锌，位于地下 9889 英尺深处。
世界上最深的矿山都位于南非，而且都是金矿。其中最深的是姆庞恩恩金矿，深达 13,123 英尺。每下潜 3300 英尺，温度就会升高大约 20 摄氏度，因此姆庞恩恩矿井底部的岩石温度接近 70 摄氏度。该矿设计用于泵送冰浆冷却空气，使温度降回约 30 摄氏度。
Concentrating Ore
一旦矿石被收集，就会被运到矿场附近的一个选矿厂，在那里被碾成细小的轻质颗粒，以便将目标矿物浓缩并与任何废料分离。
所使用的确切选矿工艺取决于提取的矿石及其化学或物理特性。通常，每种选矿工艺都针对矿场提取的特定矿石类型而专门设计。
例如，水力冲洗可以用作一种简单的方法，将较轻的废料与较重的矿石颗粒分离。在这里，水沿着凹槽斜坡流过矿石颗粒。流动的水会冲走较轻的废料，留下较重的矿石颗粒。
其他工艺包括使用磁选机，它将碾碎的颗粒送过一个磁辊，将磁性矿石颗粒与非磁性废料分离。浮选法是另一种用于富集硫化物矿石的方法，硫化物矿石是指存在于火成岩层中的与硫结合的金属。这里的想法是根据硫化物矿石的疏水性和废料的亲水性将硫化物矿石与废料分离。矿石与水和少量油混合，然后由搅拌器起泡。覆盖着矿石颗粒的泡沫会上升并收集到单独的容器中。
Source:Ecolab
这些工艺的最终目标是生产出高浓度的矿石，可以出售给精炼厂进行进一步加工。该阶段的最终产品通常只需要目标矿物浓度达到25-30% 即可。对于美国大多数矿山来说，这才是最终作为主要投入品出售给精炼厂或其他加工此矿物浓缩物成为更纯净或最终产品的工厂的产品。然而，此类加工厂绝大多数不在美国，而是在国外。美国开采或收集的大部分矿石都运往中国进行冶炼和转化成钢材。
Mining Needs More Technology
矿山开发的每一个步骤，从最初的勘探到矿山的设计和建造，再到定制选矿设施的建立，都需要数年时间和数亿美元的资金。这是一个亟待改进流程的行业，可以缩短时间线、降低成本以及从地下开采关键矿产所需的能源消耗。
首先着手的地方之一就是勘探创新。几十年来，矿业的勘探成功率一直在急剧下降。如今，这一比例仅为 0.5%，这意味着只有 0.5% 的勘探活动能带来值得投资的发现。
现实情况是，即使进行航空放射测量调查，或者飞机在头顶拖着一个发射线圈回路，（本质上是一个空中金属探测器)来评估地下电导率水平，也很难预测地下到底存在什么。
Source:KoBold Metals via IEEE Spectrum
历史上，勘探一直伴随着极大的不确定性、广泛而昂贵的反复试验，以及最好的结果 - 运气。因此，大多数矿业公司宁愿花钱购买已经发现的矿床，也不愿出去寻找新的矿床。
由于缺乏勘探以找到新的、更好的埋藏更深的地下矿床，导致被开采的矿石质量随着时间的推移下降。这意味着公司花费相同的成本却能提取越来越少的金属。
为了解决这个问题，像 KoBold Metals 和 Earth AI 这样的公司开始出现，利用AI来帮助推断这些珍贵矿床的位置。正如 KoBold Metals 的创始人所写，“公共领域已经存在大量地质科学信息，但这些信息分散且零碎。”
所有这些数据可能包含尚未发现的矿床位置的线索，但没有人知道如何理解它们。KoBold 在这个公共的地质、地球物理和地球化学数据集合上训练了一个名为TerraShed 的专有模型，以引导勘探者前往有利的矿区。然后，还需要进一步测试以了解该区域的具体细节。所有获取的新数据都会被输入模型，该模型会不断更新，以便更准确地指示可能存在肥沃矿床的位置。
Packy McCormick 在“Not Boring”一书中介绍的 EarthAI，利用其AI模型帮助预测热液系统的位置，作为指南自己进行勘探工作。如果传统矿业公司不想去寻找新矿床，他们就会去做。EarthAI 进行过 4 次发现新矿床的尝试，其中 3 次取得成功。这在传统勘探和采矿中是闻所未闻的高成功率。
除了勘探和开发之外，提取和浓缩矿物涉及的其他工艺也可能对提高采矿过程的速度和效率产生巨大影响。美国唯一的锂矿甚至都不是真正的矿山，因为锂不是沉积在岩石中，而是存在于咸水卤水中。为了提取锂，卤水被收集到地表上方的巨大水池中，在那里停留数月，等待阳光蒸发掉所有水分，只留下盐和锂。
而实际上，这种方法效率低下且浪费时间。一种更明智的方法是使用直接锂提取技术，该技术泵出含锂盐水，并通过吸附树脂立即去除锂，然后立即将盐水重新注入地下。这种解决方案所需土地比池塘法少 20 多倍，成本几乎相同，但可以提取 30-50% 的锂。
这项技术已经在中国得到应用。特斯拉已经获得了内华达州富含锂的粘土矿床的采矿权，并计划在其新址使用类似的技术提取锂。由于锂存在于粘土中，因此在送入直接提取器之前会先将粘土与水混合，然后将粘土送回原来的地方。
新的采矿方法也在取得进展。例如，Magrathea Metals 公司开发了一种可以从海水分离镁的技术，就像直接锂提取器可以从盐水中去除锂一样。该公司已经用海水生产了镁锭！
世界银行估计，到 2050 年，要完成全球向电动汽车的转型，还需要发现价值 15 万亿美元的铜、钴、锂和镍矿产。目前，产能仅能满足其中大约五分之一的需求。这意味着到 2030 年，需要新增 300 座矿山才能填补这一缺口。
如此大规模的开采作业将使关键矿产成为世界上最重要的商品，取代石油的重要性。然而，要快速实现这一目标并确保可靠的国内供应，只能通过更多的技术创新来实现。许多聪明的初创公司已经加入其中，致力于让采矿业进入 21 世纪。该行业的其他部分和监管机构也应该效仿他们。
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锂、钴、镍、锰和稀土元素等关键矿物如何成为推动电气化和电池、电动车、可再生能源技术发展的"新石油"？这些与能源相关矿物的需求和市场价值在近几十年出现爆炸式增长。然而,2023年美国对稀土矿物的依赖度高达95%。尽管美国国内储量丰富,但只有为数寥寥的几座钴、镍和锂矿。探矿、开采、选矿加工都面临重重挑战。新兴技术如利用AI分析地质数据指导勘探可大幅提高成功率。直接锂萃取等创新工艺也更高效。据世界银行估计,到2050年完成全球电动车转型,需再发现价值15万亿美元的铜、钴、锂和镍矿藏,当前产能仅能满足五分之一需求。这意味着到2030年或需300座新矿山。采矿业亟需技术创新以确保国内关键矿物供应。
A deep dive into the efforts bringing mining into the 21st century.
矿业的新时代即将到来。全球电气化浪潮带来的变化不仅仅是汽车的驱动方式和电网的配置，而是正在围绕构建电能存储和驱动电动经济的必需组件，重新调整全球经济格局。
这些也被称为关键矿产的商品，将成为 21 世纪的“新石油”，正如化石燃料在 20 世纪扮演着重要角色一样，也将成为全球贸易和地缘政治的主要资源。这就是为什么研究当代矿业的作家Teddy Feldman等评论员将关键矿产称为“新石油”的原因。
如果矿产是新石油，那么生产将成为日益重要的经济和地缘政治优先事项。然而，美国自身生产的矿产远远不能满足其雄心勃勃的电气化目标，并依赖中国等外国来填补缺口。2023 年，美国 95% 的稀土矿物（电池和电动机必不可少的材料）依赖进口。
尽管美国实际上拥有丰富的关键矿产储藏，但美国境内仅有少数运营中的矿山。与此同时，拟议中的矿山发现几乎无法与中国大量涌入市场的廉价材料竞争。
美国陷入了一种两难境地，只有创新或政府的坚定行动才能解决。然而，努力需要数年才能完全实施，这只会让更多地关注和定向技术进步用于勘探、提取和加工关键矿产变得更加紧迫。
The State of American Mining
采矿业可生产大量有价值的从用于水泥和混凝土生产的碎石和骨料，到用于制造和电子产品的金属，例如铁、铜、铅和铝。然而，越来越多的抢手产品是锂、镍、钴、锰和石墨，它们是电池设计的核心要素。
某些稀土元素在地壳中储量丰富，但很少以高浓度沉积的形式存在，它们具有独特的磁性，成为风力发电机和电动机生产中永磁体的重要成分。
随着电动汽车和可再生能源发电的采用步伐加快，对这些矿物的需求呈爆炸式增长。从 2002 年到 2022 年，能源相关矿物的需求增长了七倍，从 2002 年的年市场价值 530 亿美元增加到 2022 年的3780 亿美元。
Source: WTO
用于储能和电动车的电池已经是锂的最大消耗者，国际能源署预计到 2040 年镍将取代不锈钢成为最大的需求方。与燃油发动机汽车相比，一辆普通的电动汽车所需的输入矿产原料是其六倍，其中 40 磅由稀土元素组成，这些稀土元素存在于电动汽车的电池、永磁电机和再生制动系统中。
Source:IEA
如果说有什么变化，那么这种趋势在未来几年可能会加速。例如，拜登政府已经概述了美国未来几年雄心勃勃的电气化计划。2021 年，拜登政府发布了一项行政命令，要求到 2050 年整个经济体实现碳中和排放。随后，该政府制定了更激进的目标，要求到 2035 年实现无碳电网，并要求届时销售的所有新车都必须是零排放汽车。
问题在于，截至 2024 年，美国只有 1 个活跃的钴矿、1 个镍矿和 1 个锂矿。事实上，在1990 年代中期之前，美国实际上在锂生产方面领先全球 50 多年，但由于 1970 年代实施的一系列环境法规以及来自海外的成本竞争，导致国内产量崩溃。这个缺口被外国矿山的进口所填补，其中很少有国家遵守美国国内坚持的环境和道德规范。
美国国内对关键矿产的需求和国内生产之间的差距越来越大，这在过去近十年一直是美国关注的问题。2010 年，政府下令创建关键矿产清单，以更密切地监控其供应风险。美国地质调查局(USGS) 确定了 50 种矿产，并每年报告其脆弱程度。2023年，美国地质调查局发现，美国对这 50 种矿产中的 12 种完全依赖进口，另外 29 种矿产超过 50% 依赖进口。值得注意的是，中国是 36 种供应风险升高的关键矿产中的 24 种的主要生产国，这考虑了矿产对能源应用的重要性以及获取矿产的来源多样性。
Source:Department of Energy
问题并不是美国国内资源不足。据各方说法，美国拥有丰富的宝贵矿产资源。除了监管和外国竞争对美国矿业努力的低成本之外，问题是我们不知道这些矿产的具体位置。
为此，2023 年，美国地质调查局投入了数百万美元，用于在新墨西哥州、阿拉巴马州、蒙大拿州和犹他州进行航空磁测和放射测绘，以识别可能拥有珍贵矿床的区域。近年来，美国各地已经发现了大量真正的关键矿产宝库。
2024 年初，怀俄明州的哈勒克溪发现了一个含有 23.4 亿吨稀土元素的矿床，该矿床现在被认为是世界上最丰富的 tego 矿床。此前一年，蒙大拿州也被发现拥有大量稀土矿藏。与此同时，2023 年还发现，内华达州和俄勒冈州的交界处实际上拥有约 2000 万到 4000 万吨锂，这是地球上已知最大的锂矿床。
这些发现令人充满希望，但这仅仅是开始。国际能源署估计，矿山从发现到生产平均需要 16 年以上的时间，因为获得许可证、设计和建造矿山本身，以及在某些情况下加工设施都是需要数年才能完成的中间步骤。除此之外，还有棘手的盈利问题。
一方面，将可负担的关键矿产作为更广泛电气化工作的投入是一件积极的事情。另一方面，持续低廉的价格使这些矿产的国内开发完全不合经济效益。事实上，许多拥有足够许可证可以开始生产的美国矿山，例如爱达荷州莱米县一个新提出的钴矿，都因为全球钴价暴跌而陷入停滞。这种情况肯定是一个两难困境，但如果要摆脱这个困境，那就是通过创新。
Why Mining Is Hard
Finding an Ore Deposit
地球地壳的各个角落都存在着有用的矿物。问题在于通常以非常低的含量存在。勘探人员的目标是找到矿床，这些矿床中某种特定矿物的含量异常丰富。例如，下图显示了地球地壳中各种元素的典型丰度（单位：百万分之一），以及矿床被认为是可采矿的所需浓度。
Source:How Mining Works
这些富集的矿床是由炽热的岩浆顶开岩层，将熔融的岩石和矿物持续循环运送到上层地壳中而形成的，过程历经数亿年。随着时间的推移，岩浆冷却并形成囊状空洞或脉状结构，其中富集着经济价值高的元素。这类矿床通常与火山活动区域相关，那里新的炽热岩浆涌向地表，同时携带新的矿物聚集体。事实上，如果将火山区地图与已发现的铜金矿床地图叠加在一起，您会发现它们有明显的重合区。
Source:Visual Capitalist
像大陆裂谷带这样的其他地质感兴趣区域，板块在这里不是碰撞，而是变薄，最终分裂成独立的构造板块，也能形成有价值的矿床和矿藏。例如，位于犹他州和内华达州底部的盆地和山脉省就是一个大陆裂谷带。它形成于 1700 万年前，现在拥有大量有趣的矿产沉积。
对于一个充满进取精神的勘探者来说，是最明显和最有前途的区域。美国地质调查局在西部各州越来越多地资助的地球物理勘测是最早进行的评估之一，旨在了解地表下可能存在的东西。其他测量方法包括分析特定区域的地球磁场或电导率，或者航空放射测量调查探测放射性粒子的存在，这些都可以帮助确定是否存在可能的矿床。
一旦识别出感兴趣的区域，就必须进行更彻底的勘探活动来确定矿床的化学成分。最终，这需要钻探。带有金刚石钻头的空心圆柱形钻头可以钻入地球数百米，以确定矿床的形状和化学成分。然后将样品送到实验室进行测试，以确定有价值元素的含量，这将告知矿业公司需要哪些技术来提取和加工目标元素。同时，矿床的形状将为开采所需矿山的设计提供依据。
Building Mines
最终，矿山的设计目的是尽可能高效地挖掘矿石，同时理想情况下移动尽少的泥土。移动泥土是非常昂贵的，因此大多数开采活动都希望尽量减少这项工作。
开采和岩石最有效的方法是使用炸药。大多数矿山会先钻孔，然后在孔中填满炸药并引爆。不含任何有价值元素的废弃岩石（也称为“尾矿”）由装载-运输-倾倒卡车运走。这个过程会一直重复，直到挖到矿床为止。
露天矿会一直进行此操作，直到地球以下大约一公里的深度。它们的结构以陡峭的台阶为特征，形成漏斗状的地形，这是一种经济实惠的设计，可以让矿山建设者最快地获取埋藏的矿石，同时还能确保任何从漏斗边缘掉落的材料都被平坦的承接区域阻挡。
Source:Treehugger
矿场使用的运料机械令人印象深刻且价格昂贵。装载运输卡车的大型铲运机，重量超过一千吨，价值约 1500 万美元，可以抬起多达 100 吨的岩石。像小松 830E 这样的运输卡车可以运载超过 200 吨的材料，每辆价值超过 500 万美元。仅这些卡车的轮胎就重达 15,000 公斤，每个价值 10 万美元。运营中的矿山通常会拥有几十辆这样的卡车。
然而，在地下深处（大约超过一公里），建造地下矿山变得更加实用。最复杂的地下矿山有点像人类蚁群，经过精心建造且延伸很长一段距离，以便选择性地开采矿石。所有地下矿山都以建造竖井为起点，然后从竖井处建造更复杂的地下平台和结构，以帮助在地下获取矿床。所使用的地下矿山设计的确切方法将取决于矿床的形状和走向。对于狭长且深层的矿床，可能会使用类似“切割充填”的方法，矿工从矿床底部开始水平分层开采矿石，同时建造斜坡来挖掘越来越高的水平剖面。
Source:Encyclopedia Britannica
炸药被用于分段破碎矿石，然后必须通风清除爆破烟雾，并用铲运机运走矿石，通过竖井送回地面。然后，对枯竭的矿室进行结构加固，使 surrounding rock 稳定下来，同时矿工转移到其他区域。这个过程会一直重复，直到整个矿床或经济上可回收的部分被提取完毕。
大型地下采矿作业涉及的技术壮举，是地球上一些最极端的工程之一。其他地下矿山设计包括窄脉开采、凿岩采矿、房柱式采矿和大块崩落采矿，所有这些都需要在整个矿山生命周期中持续进行一定程度的规划、爆破和结构加固，令人难以置信。
虽然美国运营的大部分矿山都是露天矿，但美国唯一的镍矿——鹰镍矿，却是一个深达 3000 英尺的地下矿山，比哈利法塔还要深几打英尺。加拿大安大略省拥有世界上最深的贱金属矿山，该矿生产铜和锌，位于地下 9889 英尺深处。
世界上最深的矿山都位于南非，而且都是金矿。其中最深的是姆庞恩恩金矿，深达 13,123 英尺。每下潜 3300 英尺，温度就会升高大约 20 摄氏度，因此姆庞恩恩矿井底部的岩石温度接近 70 摄氏度。该矿设计用于泵送冰浆冷却空气，使温度降回约 30 摄氏度。
Concentrating Ore
一旦矿石被收集，就会被运到矿场附近的一个选矿厂，在那里被碾成细小的轻质颗粒，以便将目标矿物浓缩并与任何废料分离。
所使用的确切选矿工艺取决于提取的矿石及其化学或物理特性。通常，每种选矿工艺都针对矿场提取的特定矿石类型而专门设计。
例如，水力冲洗可以用作一种简单的方法，将较轻的废料与较重的矿石颗粒分离。在这里，水沿着凹槽斜坡流过矿石颗粒。流动的水会冲走较轻的废料，留下较重的矿石颗粒。
其他工艺包括使用磁选机，它将碾碎的颗粒送过一个磁辊，将磁性矿石颗粒与非磁性废料分离。浮选法是另一种用于富集硫化物矿石的方法，硫化物矿石是指存在于火成岩层中的与硫结合的金属。这里的想法是根据硫化物矿石的疏水性和废料的亲水性将硫化物矿石与废料分离。矿石与水和少量油混合，然后由搅拌器起泡。覆盖着矿石颗粒的泡沫会上升并收集到单独的容器中。
Source:Ecolab
这些工艺的最终目标是生产出高浓度的矿石，可以出售给精炼厂进行进一步加工。该阶段的最终产品通常只需要目标矿物浓度达到25-30% 即可。对于美国大多数矿山来说，这才是最终作为主要投入品出售给精炼厂或其他加工此矿物浓缩物成为更纯净或最终产品的工厂的产品。然而，此类加工厂绝大多数不在美国，而是在国外。美国开采或收集的大部分矿石都运往中国进行冶炼和转化成钢材。
Mining Needs More Technology
矿山开发的每一个步骤，从最初的勘探到矿山的设计和建造，再到定制选矿设施的建立，都需要数年时间和数亿美元的资金。这是一个亟待改进流程的行业，可以缩短时间线、降低成本以及从地下开采关键矿产所需的能源消耗。
首先着手的地方之一就是勘探创新。几十年来，矿业的勘探成功率一直在急剧下降。如今，这一比例仅为 0.5%，这意味着只有 0.5% 的勘探活动能带来值得投资的发现。
现实情况是，即使进行航空放射测量调查，或者飞机在头顶拖着一个发射线圈回路，（本质上是一个空中金属探测器)来评估地下电导率水平，也很难预测地下到底存在什么。
Source:KoBold Metals via IEEE Spectrum
历史上，勘探一直伴随着极大的不确定性、广泛而昂贵的反复试验，以及最好的结果 - 运气。因此，大多数矿业公司宁愿花钱购买已经发现的矿床，也不愿出去寻找新的矿床。
由于缺乏勘探以找到新的、更好的埋藏更深的地下矿床，导致被开采的矿石质量随着时间的推移下降。这意味着公司花费相同的成本却能提取越来越少的金属。
为了解决这个问题，像 KoBold Metals 和 Earth AI 这样的公司开始出现，利用AI来帮助推断这些珍贵矿床的位置。正如 KoBold Metals 的创始人所写，“公共领域已经存在大量地质科学信息，但这些信息分散且零碎。”
所有这些数据可能包含尚未发现的矿床位置的线索，但没有人知道如何理解它们。KoBold 在这个公共的地质、地球物理和地球化学数据集合上训练了一个名为TerraShed 的专有模型，以引导勘探者前往有利的矿区。然后，还需要进一步测试以了解该区域的具体细节。所有获取的新数据都会被输入模型，该模型会不断更新，以便更准确地指示可能存在肥沃矿床的位置。
Packy McCormick 在“Not Boring”一书中介绍的 EarthAI，利用其AI模型帮助预测热液系统的位置，作为指南自己进行勘探工作。如果传统矿业公司不想去寻找新矿床，他们就会去做。EarthAI 进行过 4 次发现新矿床的尝试，其中 3 次取得成功。这在传统勘探和采矿中是闻所未闻的高成功率。
除了勘探和开发之外，提取和浓缩矿物涉及的其他工艺也可能对提高采矿过程的速度和效率产生巨大影响。美国唯一的锂矿甚至都不是真正的矿山，因为锂不是沉积在岩石中，而是存在于咸水卤水中。为了提取锂，卤水被收集到地表上方的巨大水池中，在那里停留数月，等待阳光蒸发掉所有水分，只留下盐和锂。
而实际上，这种方法效率低下且浪费时间。一种更明智的方法是使用直接锂提取技术，该技术泵出含锂盐水，并通过吸附树脂立即去除锂，然后立即将盐水重新注入地下。这种解决方案所需土地比池塘法少 20 多倍，成本几乎相同，但可以提取 30-50% 的锂。
这项技术已经在中国得到应用。特斯拉已经获得了内华达州富含锂的粘土矿床的采矿权，并计划在其新址使用类似的技术提取锂。由于锂存在于粘土中，因此在送入直接提取器之前会先将粘土与水混合，然后将粘土送回原来的地方。
新的采矿方法也在取得进展。例如，Magrathea Metals 公司开发了一种可以从海水分离镁的技术，就像直接锂提取器可以从盐水中去除锂一样。该公司已经用海水生产了镁锭！
世界银行估计，到 2050 年，要完成全球向电动汽车的转型，还需要发现价值 15 万亿美元的铜、钴、锂和镍矿产。目前，产能仅能满足其中大约五分之一的需求。这意味着到 2030 年，需要新增 300 座矿山才能填补这一缺口。
如此大规模的开采作业将使关键矿产成为世界上最重要的商品，取代石油的重要性。然而，要快速实现这一目标并确保可靠的国内供应，只能通过更多的技术创新来实现。许多聪明的初创公司已经加入其中，致力于让采矿业进入 21 世纪。该行业的其他部分和监管机构也应该效仿他们。
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