地球上還有多少黃金有待開采?電腦和智能手機(jī)顯示屏所必需的不太為人所知的元素銦怎么樣?由于一些必需金屬的已知來源將在未來幾十年內(nèi)面臨枯竭，因此尋求現(xiàn)有采礦勘探技術(shù)的替代品面臨著更大的壓力。我們?nèi)绾尾拍芨p松地大規(guī)模找到所需的存礦?在地球上?那么在太空中呢?

來源：NASA / JPL - 先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射計(jì) (ASTER)

多光譜成像已經(jīng)用于衛(wèi)星、無人機(jī)和飛機(jī)系統(tǒng)，以尋找地球上新的有價(jià)值的礦藏，并且它也開始用于太空!

下一步可能是高光譜成像。礦產(chǎn)行業(yè)對(duì)現(xiàn)有高光譜系統(tǒng)的常規(guī)使用受到以下因素的阻礙：工業(yè)用系統(tǒng)不可用、高光譜數(shù)據(jù)(如果可用)與典型多光譜數(shù)據(jù)相比成本較高，以及需要對(duì)高光譜數(shù)據(jù)處理進(jìn)行額外研究。

遠(yuǎn)程成像在勘探中的應(yīng)用由來已久。在最基本的層面上，地質(zhì)學(xué)家和勘探者只需將相機(jī)從飛機(jī)(首先是氣球，然后是飛機(jī)，現(xiàn)在是無人機(jī))上伸出來拍攝下面的地面照片，收集有關(guān)地形和土壤的信息，這些信息可能會(huì)揭示(?)礦物的位置。借助一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)，可以從這些照片中得出詳細(xì)的地圖。如今，遙感已成為快速、直接獲取地球表面信息的最重要方法之一。

但可見光譜攝影本身就有局限性——天氣、日光，以及他們要尋找的大部分東西都隱藏在地下的簡(jiǎn)單事實(shí)。很多事情都需要推斷。直到第二次世界大戰(zhàn)后，新的傳感方式才開始發(fā)揮作用，戰(zhàn)爭(zhēng)期間開發(fā)的技術(shù)隨后被應(yīng)用于商業(yè)應(yīng)用，這將成為現(xiàn)代航空礦物勘探的標(biāo)志。紅外相機(jī)可以比傳統(tǒng)攝影更好地穿透惡劣的天氣條件，并且更容易識(shí)別土壤的礦物質(zhì)含量。磁力計(jì)可以感知地球磁場(chǎng)的擾動(dòng)，從而精確定位地下深處的金屬礦床。重力計(jì)通過測(cè)量地球引力來發(fā)揮作用，地球引力根據(jù)各種地下礦藏的位置而略有不同。機(jī)載伽馬射線光譜儀是在 20 世紀(jì) 60 年代開發(fā)的，當(dāng)時(shí)冷戰(zhàn)的深化確保了對(duì)鈾等放射性礦物的大量需求。雷達(dá)具有許多與紅外膠片相同的優(yōu)點(diǎn)，但可以透過有限的植被，揭示地下的地質(zhì)特征，無論白天還是晚上，包括表面紋理和水分含量。

將成像系統(tǒng)從飛機(jī)轉(zhuǎn)移到衛(wèi)星也帶來了全新的可能性。政府的支持對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的啟動(dòng)至關(guān)重要。目前的技術(shù)包括美國(guó)的陸地衛(wèi)星專題測(cè)繪儀和增強(qiáng)型專題測(cè)繪儀多光譜成像儀以及法國(guó)航天局開發(fā)的高分辨率全色成像技術(shù)(SPOT)。

2014 年，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在阿富汗開展了此類高科技礦物測(cè)繪工作

進(jìn)入高光譜成像

雖然這些不同方法的數(shù)據(jù)非常有用，但它仍然沒有提供成像的細(xì)節(jié)。視覺范圍內(nèi)的成像根本無法提供采礦業(yè)所需的細(xì)節(jié)和信息。進(jìn)入高光譜成像，由 NASA 提供。該技術(shù)最初由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室于 20 世紀(jì) 70 年代末開發(fā)，使 NASA 能夠?qū)⒏吖庾V成像設(shè)備安裝在發(fā)送到木星和土星的衛(wèi)星中。雖然有一些私營(yíng)公司建造了自己的高光譜相機(jī)，但當(dāng)美國(guó)宇航局向研究人員和企業(yè)家提供這項(xiàng)技術(shù)時(shí)，它才真正起飛，甚至提供資助來測(cè)試該技術(shù)的現(xiàn)實(shí)世界有效性，其中包括向黃石生態(tài)系統(tǒng)研究提供資助。

“在這種類型的攝像機(jī)面前隱藏東西是很困難的?！迸c大多數(shù)遙感技術(shù)一樣，高光譜成像利用了這樣一個(gè)事實(shí)：所有物體都擁有基于它們吸收和反射的可見光和不可見光波長(zhǎng)的獨(dú)特光譜指紋。這揭示了可見光譜中無法獲得的許多細(xì)節(jié)，例如代表天然植物的綠色與非天然植物(例如塑料和金屬)之間的差異。綠色塑料與可見光譜之外的天然植被具有不同的反射特性——即使是掉落或砍斷的樹枝也與生長(zhǎng)的植被具有不同的指紋。

商業(yè)影響將是巨大的，特別是在礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域。雖然黃金的含量太少，無法用任何現(xiàn)有技術(shù)檢測(cè)到，但更常見的礦物，如高嶺石和砷，它們是一些相同地質(zhì)過程的產(chǎn)物，在開闊的景觀中清晰可見，就像美國(guó)西部大部分地區(qū)的情況一樣或澳大利亞沙漠。對(duì)于鉆石行業(yè)來說，金伯利巖管(將鉆石帶到地表的火山巖層)很容易通過高光譜成像從空中識(shí)別。

科學(xué)家們?cè)?1999 年至 2014 年間收集了黃石國(guó)家公園拉馬爾谷的高光譜圖像

與雷達(dá)不同，高光譜技術(shù)無法穿透地下、植被或建筑物。但它可以與雷達(dá)結(jié)合使用，使其更加有效。進(jìn)一步的整合可以更準(zhǔn)確地了解地球表面及其下面的秘密。LIDAR是一種更加精確的地形測(cè)繪系統(tǒng)，所有系統(tǒng)都集成了 GPS 數(shù)據(jù)，從而無需進(jìn)行昂貴的地面測(cè)量或圖像關(guān)聯(lián)。

數(shù)據(jù)需求量大，給每個(gè)組織的計(jì)算能力帶來很大壓力。例如，當(dāng) NASA 使用高光譜成像來調(diào)查科羅拉多州萊德維爾16 平方英里的超級(jí)基金站點(diǎn)時(shí)，它節(jié)省了多年的地面工作時(shí)間，僅用了 45 秒的衛(wèi)星成像時(shí)間。盡管如此，我們又花了 10 個(gè)月的時(shí)間來處理這些數(shù)字。只有隨著更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)的發(fā)展，這種成像才被帶出實(shí)驗(yàn)室。廣泛使用的計(jì)算平臺(tái)中計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量的快速增長(zhǎng)使得能夠在礦產(chǎn)勘探作業(yè)所需的時(shí)間范圍內(nèi)處理來自機(jī)載儀器的非常大的數(shù)據(jù)集、太字節(jié)和艾字節(jié)的信息。

高光譜遙感數(shù)據(jù)和用于表征阿拉斯加礦產(chǎn)資源調(diào)查

該項(xiàng)目的目標(biāo)是使用成像光譜學(xué)來定義選定礦床的地質(zhì)足跡，并將這些知識(shí)區(qū)域性地推斷到尚未充分表征的區(qū)域。預(yù)計(jì)這個(gè)多學(xué)科項(xiàng)目的結(jié)果綜合將增強(qiáng)我們對(duì)區(qū)域地質(zhì)學(xué)的理解，并用于開發(fā)預(yù)測(cè)勘探模型，用于識(shí)別阿拉斯加和世界類似偏遠(yuǎn)地區(qū)的賤金屬和貴金屬礦床。

如今，高光譜成像在礦物勘探方面已經(jīng)非常發(fā)達(dá)。許多礦物可以從空中圖像中識(shí)別出來，并且它們與黃金和鉆石等有價(jià)值礦物的存在之間的關(guān)系是眾所周知的。高光譜成像可用于繪制大片土地地圖并縮小有價(jià)值礦藏的搜索范圍。在某些情況下，高光譜成像可用于查明感興趣的特定礦物，但也可以定位指示有價(jià)值礦床附近位置的指示礦物。

看得更深入、更期待

這些新數(shù)據(jù)需要對(duì)地球上流體的運(yùn)動(dòng)有新的認(rèn)識(shí)。特定的有價(jià)值礦物的位置之間有什么關(guān)系?增強(qiáng)的水文模型對(duì)于未來的礦產(chǎn)勘探至關(guān)重要。這也與有效關(guān)閉已完成生命周期的地雷有關(guān)。開采時(shí)對(duì)環(huán)境影響最小的礦床模型(例如沒有產(chǎn)酸能力的礦床)以及可用于創(chuàng)新原位提取的礦床模型對(duì)于未來非常重要。

技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在可以通過某些礦物系統(tǒng)的二維分析來預(yù)測(cè)三維圖像。這項(xiàng)技術(shù)的改進(jìn)可以確定礦石中的釋放情況，從而消除過度研磨并減少能源消耗和細(xì)粒顆粒的過度損失。

目前，高光譜技術(shù)，特別是星載系統(tǒng)，正在解決許多研究挑戰(zhàn)。其中包括開發(fā)具有足夠信噪比光譜分辨率的焦平面來解析重要的礦物種類，以及以 10 米空間分辨率獲取數(shù)據(jù)同時(shí)保持 10 公里最小測(cè)繪帶寬度的能力。焦平面還必須結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、具有精確的指向能力，并且足夠堅(jiān)固以維持長(zhǎng)時(shí)間太空飛行的校準(zhǔn)。

礦產(chǎn)行業(yè)對(duì)現(xiàn)有高光譜系統(tǒng)的常規(guī)使用受到以下因素的阻礙：工業(yè)用系統(tǒng)不可用、高光譜數(shù)據(jù)(如果可用)與典型多光譜數(shù)據(jù)相比成本較高，以及需要對(duì)高光譜數(shù)據(jù)處理進(jìn)行額外研究。還有很多工作要做。在許多國(guó)家，國(guó)家政府正在資助、公司正在投資系統(tǒng)開發(fā)和部署以及高光譜數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)研究，以確保這些新技術(shù)對(duì)礦產(chǎn)勘探行業(yè)以及采礦業(yè)有用。廣泛的其他用戶，包括土地利用規(guī)劃者和環(huán)境科學(xué)家。