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利用高光谱成像寻找新矿床

发布时间:2023-09-18
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地球上还有多少黄金有待开采?电脑和智能手机显示屏所必需的不太为人所知的元素铟怎么样?由于一些必需金属的已知来源将在未来几十年内面临枯竭,因此寻求现有采矿勘探技术的替代品面临着更大的压力。我们如何才能更轻松地大规模找到所需的存矿?在地球上?那么在太空中呢?

地球上还有多少黄金有待开采?电脑和智能手机显示屏所必需的不太为人所知的元素铟怎么样?由于一些必需金属的已知来源将在未来几十年内面临枯竭,因此寻求现有采矿勘探技术的替代品面临着更大的压力。我们如何才能更轻松地大规模找到所需的存矿?在地球上?那么在太空中呢?


来源:NASA / JPL - 先进星载热发射和反射辐射计 (ASTER)


多光谱成像已经用于卫星、无人机和飞机系统,以寻找地球上新的有价值的矿藏,并且它也开始用于太空!

下一步可能是高光谱成像。矿产行业对现有高光谱系统的常规使用受到以下因素的阻碍:工业用系统不可用、高光谱数据(如果可用)与典型多光谱数据相比成本较高,以及需要对高光谱数据处理进行额外研究。


远程成像在勘探中的应用由来已久。在最基本的层面上,地质学家和勘探者只需将相机从飞机(首先是气球,然后是飞机,现在是无人机)上伸出来拍摄下面的地面照片,收集有关地形和土壤的信息,这些信息可能会揭示(?)矿物的位置。借助一些复杂的数学,可以从这些照片中得出详细的地图。如今,遥感已成为快速、直接获取地球表面信息的最重要方法之一。


但可见光谱摄影本身就有局限性——天气、日光,以及他们要寻找的大部分东西都隐藏在地下的简单事实。很多事情都需要推断。直到第二次世界大战后,新的传感方式才开始发挥作用,战争期间开发的技术随后被应用于商业应用,这将成为现代航空矿物勘探的标志。红外相机可以比传统摄影更好地穿透恶劣的天气条件,并且更容易识别土壤的矿物质含量。磁力计可以感知地球磁场的扰动,从而精确定位地下深处的金属矿床。重力计通过测量地球引力来发挥作用,地球引力根据各种地下矿藏的位置而略有不同。机载伽马射线光谱仪是在 20 世纪 60 年代开发的,当时冷战的深化确保了对铀等放射性矿物的大量需求。雷达具有许多与红外胶片相同的优点,但可以透过有限的植被,揭示地下的地质特征,无论白天还是晚上,包括表面纹理和水分含量。


将成像系统从飞机转移到卫星也带来了全新的可能性。政府的支持对于这项技术的启动至关重要。目前的技术包括美国的陆地卫星专题测绘仪和增强型专题测绘仪多光谱成像仪以及法国航天局开发的高分辨率全色成像技术(SPOT)。



2014 年,美国地质调查局在阿富汗开展了此类高科技矿物测绘工作

进入高光谱成像


虽然这些不同方法的数据非常有用,但它仍然没有提供成像的细节。视觉范围内的成像根本无法提供采矿业所需的细节和信息。进入高光谱成像,由 NASA 提供。该技术最初由喷气推进实验室于 20 世纪 70 年代末开发,使 NASA 能够将高光谱成像设备安装在发送到木星和土星的卫星中。虽然有一些私营公司建造了自己的高光谱相机,但当美国宇航局向研究人员和企业家提供这项技术时,它才真正起飞,甚至提供资助来测试该技术的现实世界有效性,其中包括向黄石生态系统研究提供资助。


“在这种类型的摄像机面前隐藏东西是很困难的。”与大多数遥感技术一样,高光谱成像利用了这样一个事实:所有物体都拥有基于它们吸收和反射的可见光和不可见光波长的独特光谱指纹。这揭示了可见光谱中无法获得的许多细节,例如代表天然植物的绿色与非天然植物(例如塑料和金属)之间的差异。绿色塑料与可见光谱之外的天然植被具有不同的反射特性——即使是掉落或砍断的树枝也与生长的植被具有不同的指纹。


商业影响将是巨大的,特别是在矿产勘探领域。虽然黄金的含量太少,无法用任何现有技术检测到,但更常见的矿物,如高岭石和砷,它们是一些相同地质过程的产物,在开阔的景观中清晰可见,就像美国西部大部分地区的情况一样或澳大利亚沙漠。对于钻石行业来说,金伯利岩管(将钻石带到地表的火山岩层)很容易通过高光谱成像从空中识别。


科学家们在 1999 年至 2014 年间收集了黄石国家公园拉马尔谷的高光谱图像


与雷达不同,高光谱技术无法穿透地下、植被或建筑物。但它可以与雷达结合使用,使其更加有效。进一步的整合可以更准确地了解地球表面及其下面的秘密。LIDAR是一种更加精确的地形测绘系统,所有系统都集成了 GPS 数据,从而无需进行昂贵的地面测量或图像关联。


数据需求量大,给每个组织的计算能力带来很大压力。例如,当 NASA 使用高光谱成像来调查科罗拉多州莱德维尔16 平方英里的超级基金站点时,它节省了多年的地面工作时间,仅用了 45 秒的卫星成像时间。尽管如此,我们又花了 10 个月的时间来处理这些数字。只有随着更强大的计算机的发展,这种成像才被带出实验室。广泛使用的计算平台中计算能力和存储容量的快速增长使得能够在矿产勘探作业所需的时间范围内处理来自机载仪器的非常大的数据集、太字节和艾字节的信息。



高光谱遥感数据和用于表征阿拉斯加矿产资源调查

该项目的目标是使用成像光谱学来定义选定矿床的地质足迹,并将这些知识区域性地推断到尚未充分表征的区域。预计这个多学科项目的结果综合将增强我们对区域地质学的理解,并用于开发预测勘探模型,用于识别阿拉斯加和世界类似偏远地区的贱金属和贵金属矿床。


如今,高光谱成像在矿物勘探方面已经非常发达。许多矿物可以从空中图像中识别出来,并且它们与黄金和钻石等有价值矿物的存在之间的关系是众所周知的。高光谱成像可用于绘制大片土地地图并缩小有价值矿藏的搜索范围。在某些情况下,高光谱成像可用于查明感兴趣的特定矿物,但也可以定位指示有价值矿床附近位置的指示矿物。

看得更深入、更期待


这些新数据需要对地球上流体的运动有新的认识。特定的有价值矿物的位置之间有什么关系?增强的水文模型对于未来的矿产勘探至关重要。这也与有效关闭已完成生命周期的地雷有关。开采时对环境影响最小的矿床模型(例如没有产酸能力的矿床)以及可用于创新原位提取的矿床模型对于未来非常重要。


技术已经发展到现在可以通过某些矿物系统的二维分析来预测三维图像。这项技术的改进可以确定矿石中的释放情况,从而消除过度研磨并减少能源消耗和细粒颗粒的过度损失。

目前,高光谱技术,特别是星载系统,正在解决许多研究挑战。其中包括开发具有足够信噪比光谱分辨率的焦平面来解析重要的矿物种类,以及以 10 米空间分辨率获取数据同时保持 10 公里最小测绘带宽度的能力。焦平面还必须结构紧凑、重量轻、具有精确的指向能力,并且足够坚固以维持长时间太空飞行的校准。


矿产行业对现有高光谱系统的常规使用受到以下因素的阻碍:工业用系统不可用、高光谱数据(如果可用)与典型多光谱数据相比成本较高,以及需要对高光谱数据处理进行额外研究。还有很多工作要做。在许多国家,国家政府正在资助、公司正在投资系统开发和部署以及高光谱数据分析的基础研究,以确保这些新技术对矿产勘探行业以及采矿业有用。广泛的其他用户,包括土地利用规划者和环境科学家。

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