海岸线的消失迫使许多地方、州和联邦实体优先考虑沿海恢复项目所需的近海沙资源的特性。同时，评估这些资源作为国内经济矿产来源（即含钛、锆、稀土元素-REE的重矿砂）是美国的一项重要优先事项，对我们的经济、国家安全、基础设施和能源需求至关重要。这里介绍的工作强调了弗吉尼亚州用于海滩养护的非常规关键矿产资源和近海沙子副产品的潜力。
弗吉尼亚州海洋公园海滩积极开展海滩养护工作（六月2022 ）。
我们如何研究近海砂资源
弗吉尼亚州能源部 (VA Energy) 的地质和矿产资源项目在过去四十年中一直在研究海上砂资源，这些项目是通过与海洋能源管理局 (BOEM) 的合作研究机会实现的。BOEM 管理联邦近海资源，包括沙子和砾石等海洋矿物。VA Energy 已优先调查弗吉尼亚州近海的砂石资源潜力。来自2019的一份报告提供了有关潜在有价值的海滩品质沙子沉积物的厚度、横向范围和纹理特征的最新信息，这些信息可用于支持沿海恢复力项目 ( OFR 2019 - 02 )。
虽然近海富含石英的砂资源为侵蚀海岸线提供了急需的材料，但其中也含有少量的重矿砂。这些重矿砂含有关键矿物，有助于实现联邦行政命令13817 ( 2017 ) 的目标，即确保国家安全与经济繁荣所需的重要材料。然而，目前对海上重矿砂的出现以及从海洋砂矿中共同提取方法的了解仍然不完整且未经检验。Nelson、Hawkins 和 Lassetter（ OFR 2024 - 16 ）发布的新数据提供了有关沿海恢复力项目中使用的海洋砂矿床中潜在经济重矿砂的详细信息。此次产能评估是对弗吉尼亚州外大陆架近海海洋重矿砂中发现的关键商品相关调查的全面总结。
支持沿海地区复原力的资源
在陆地上开采沙子和砾石矿床作为天然骨料，并作为我们社区建筑活动的重要材料。陆上砂石资源的供应和可用性受到多种因素制约，其中最重要的是将材料从矿场运输到最终用户的成本不断增加，通常通过卡车或铁路运输。位于州和联邦水域大陆架的近海材料来源可以以相对较低的成本进行疏浚和运输，并能满足对大量沙子日益增长的需求。近海沙矿还可作为自然灾害后海岸修复的应急储备，并有助于采取缓解措施防止长期海岸线侵蚀。这对于我们沿海社区来说尤其重要，因为这些社区面临着越来越大的潮汐洪水风险、风暴频率和持续时间增加造成的侵蚀破坏以及海平面上升加速的风险。
海岸线稳定是Virginia沿海许多地区的主要问题，实现这一目标的各种方法包括建造结构控制和屏障，例如海堤、腹股沟和防波堤。近年来，一种更自然的"活海岸线" 方法是利用植被种植来加强沙丘的形成和海滩沙的补充。也被称为"海滩滋养" ，从符合一定质地和成分要求的沙源地区挖出的沙被运往受侵蚀严重影响的海滩。源区可能包括作为航道维护的一部分而疏浚的材料，或来自州和联邦水域中的已知沙藏。重要的是要注意，海滩的修整并不能阻止海洋的侵蚀力，而是提供了一种降低风暴和洪水相关风险的具有成本效益的方法。
弗吉尼亚州海洋公园海滩积极开展海滩养护工作（六月2022 ）
海洋砂沉积物出现在各种环境中，包括水下浅滩、透镜状沙盖和埋藏的冲积河道。适合疏浚的砂体是根据经济因素确定的，包括可回收材料的厚度和横向范围、颗粒大小和形状特征、合适的矿物学、距岸的距离和覆盖层的厚度。同样重要的是考虑环境因素，以确保保护敏感的底栖生物群落、海洋动植物栖息地，最大限度地减少疏浚后对生态系统服务的影响，并避开考古和其他限制地点（军事用途、水下电缆、管道等）。《联邦外大陆架土地法》（OCSLA）授权 BOEM 租赁和管理距离海岸三海里（nm）的州-联邦边界线附近的海洋矿产。最近完成的工作提供了有关潜在有价值的清洁海滩质量沙子沉积物的厚度、横向范围和纹理特征的新信息，这些沙子可用于支持沿海恢复力项目（图1 ； OFR 2019 - 02 ）。针对近海沙子、砾石和贝壳骨料资源的额外目标采样和地球物理数据将提供所需的数据，帮助描述可用于沿海恢复力项目的足够区域，使地方、州和联邦政府利益相关者以及私人土地所有者受益。
图1 ：弗吉尼亚州近海区域的样本位置和表层砂厚度图。
经济重矿物
我们的研究还发现了与近海海洋沉积物一起沉积的经济重矿物，其数量从痕量到超过10重量百分比 (wt%) 不等。重矿物的比重大于约2 . 9 g/cm 3 （普通石英 - 不是重矿物 - 的比重为2 . 65 ），其中包括钛铁矿 (FeTiO 3 )、白钛矿（蚀变钛铁矿）、金红石 (TiO 2 )、锆石 (ZrSiO 4 ) 和独居石 ((Ce,La,Y,Th)(PO 4 )) 等。这些矿物含有钛 (Ti)、锆 (Zr) 和稀土元素 (REE) 等关键元素，具有商业价值，并且可能作为海滩养护作业的组成部分进行回收。
近海砂矿床含有分散的重矿物，这些重矿物是钛和锆氧化物的来源，用于制造油漆、塑料、陶瓷釉料和其他工业用途的颜料。其他具有潜在经济价值的矿物包括硅线石矿物（Al 2 2 SiO 5 ）、石榴石（(Mg, Fe, Mn, Ca)Al 2 Si 3 O 12 ）和高纯度硅石英（非重矿物）。这些矿物的出现反映了作用于弗吉尼亚沿海平原的皮埃蒙特和蓝岭基岩和沉积物的地质过程。物理和化学风化、侵蚀、沉积物输送和沉积，加上海洋过程，对大陆架上的沉积物进行了分类和重新分配。下图显示了这种海洋再加工和自然密度分离的一个例子。根据这些资源的浓度、范围和矿物成分，可以将具有经济可行性的矿藏与海砂共同开采，用于海滩养护或在其他独立的疏浚作业中开采。
重矿物（照片中心的深色区域）因弗吉尼亚海滩的波浪作用而聚集；该地点历史上一直接受近海沙子作为营养。
对海上样品中的总重矿物 (THM) 精矿进行实验室分析，可以量化经济矿物的成分变化及其所含关键商品的浓度。研究结果还提供了有关粒度特征的新信息，这些信息与比重和磁化率一起，对于评估回收和分离方法非常重要。
迄今为止，弗吉尼亚能源公司已对640沉积物样本中的矿物精矿进行了 THM 含量分析。平均 THM 含量约为3 wt%，有些浓度甚至高达16 wt% THM（图2 ）。经济重矿物 (EHM) 部分（即钛铁矿、金红石、锆石、含稀土矿物）平均占 THM 的42 %。这些浓度与弗吉尼亚州沿海平原历史上开采的陆上矿床的已知经济品位相比具有优势（有关详细信息，请参阅地球 MRI 项目页面）。
图2 ：重矿物地理数据库显示了弗吉尼亚州近海的海洋样本。A： 620来自先前项目的含有重矿物数据的样本，符号颜色由通过重力螺旋分离方法获得的总重矿物（THM）的百分比决定。B：从 Sandbridge Shoal 和 Atlantic Channel 振动岩芯采集的 M 21 AC 00010样品（用白色光晕表示），用于 THM 和矿物学分析。
从用于沿海恢复力项目的沙子中回收关键和经济矿物的能力评估
本报告的撰写得益于 BOEM 合作协议编号 M 21 AC 00010的资助。它全面总结了我们对弗吉尼亚海岸海洋重矿砂中发现的关键商品的调查，特别是深入研究了它们在海滩沙子养护作业期间的潜在共同提取。报告涵盖了五个主要主题： 1 ) 在2022举行的弗吉尼亚能源中大西洋海洋重矿砂论坛的会议记录，包括重矿砂分离的优缺点， 2 ) 现有的监管要求或缺乏监管要求， 3 ) 弗吉尼亚近海重矿砂的地质情况， 4 ) 使用便携式 X 射线荧光 (pXRF) 仪器对海洋沉积物中关键商品进行快速筛查的方法，以及5 ) 为测试可行性，本研究的下一阶段将涉及哪些内容。
2022年，VA Energy 召开了中大西洋海洋重矿物砂论坛，旨在收集利益相关者和监管机构对海滩沙子养护过程中重矿物分离的见解，并发表了会议记录（Hawkins 和 Lassetter， 2022 ）。在海上沙地中回收非燃料矿物是现有监管和许可框架内的一项新举措，需要联邦、州和地方政府之间的积极合作。
弗吉尼亚州近海沉积物中重矿砂的总浓度范围为0 . 1 - 17 wt%（重量百分比），其中钛铁矿、锆石、石榴石、金红石、辉石和角闪石等矿物共同构成了随附地理数据库中640沉积物样本的最大成分。在 Sandbridge Shoal 联邦外大陆架租赁区，已证实存在营养沙源，使用振动岩芯法采集的散装材料中，重矿砂平均占0 . 85 wt%。相比之下，为航行目的而疏浚的大西洋联邦航道含有平均占散装材料1 . 06 wt% 的重矿砂。
该报告还介绍了使用手持式 XRF 光谱仪的筛选协议，并概述了通过经验得出的地球化学阈值和识别潜在关键矿物的限制。这些标准旨在评估海洋沉积物及其陆上沉积物中是否存在富含钛、锆和稀土元素的矿物。本报告强调了 Zr 和 Fe 浓度增加与重矿砂含量增加之间的相关性，这可能表明大量沉积物样本中存在具有经济价值的重矿砂。报告最后回顾了当前的重矿物分离作业和流程，这些作业和流程可以适用于从海滩养护作业中使用的沙子中提取重矿物。考虑到可用的技术和必要的利益相关者，这可以有效地减轻营养费用，建立关键矿物质的国内供应，并提高海滩沙子的整体质量。
从 Sandbridge Shoal（振动岩芯）收集的近海沉积物岩性变化示例。
为了评估现有联邦借土/疏浚区域的地球化学和矿物学，我们检查并取样了先前从弗吉尼亚海滩近海的 Sandbridge Shoal 和大西洋联邦航道获得的振动岩芯。我们利用 Humphreys 3圈螺旋（如下所示）对这些材料进行重力分离，以产生高密度砂的预浓缩物，然后将其提交给实验室进行模态矿物学分析。有关模式矿物学的详细信息，请参阅容量评估附录 C。此外，我们在“关键矿产”网页上提供了有关弗吉尼亚州经济重矿产的更多信息。
三圈汉弗莱斯螺旋浓缩机用于将较密的矿物与较轻的矿物分离；（B）-（C）重矿砂浓缩物的放大图。
通过三圈汉弗莱斯螺旋中的重力分离，可以清晰地看到较轻矿物部分（即石英、长石）和较重矿物部分（即钛铁矿、锆石等）的分离。
能力评估所概述的 pXRF 筛选协议以现有的和可获得的地球化学数据为基础，并可能随着更多数据的获得而更新。报告重点介绍了目前从近海砂资源中识别重矿砂中关键元素的最佳做法。我们建议对与钛铁矿、金红石、锆石和含稀土元素磷酸盐有关的元素进行评估，因为这些元素是 Sandbridge 借款区和大西洋联邦航道的关键商品。这些矿物精矿中的主要元素是铁、钛和锆，还有微量的钴、铈、钇、钪、铌和/或钒。其范围是提供高效的筛选周转时间，并指导取样，以便提交实验室进行地球化学和矿物学分析。该规程载于附录 D 的能力评估和补充细节中，并对一般取样和处理程序进行了讨论（图3 ）。该规程不涉及设备制造商的具体 X 射线认证、检查或培训要求。用户应熟悉特定矿物和/或岩石材料的元素化学性质，并了解被测材料的异质性。
图3 ：用于检测海上砂资源中所含关键商品的通用 pXRF 筛选考虑因素。异位样品盘包括填充的沉积物，带有4微米厚的聚丙烯保护片。
能力评估附录 E 中列出了一项试点研究的建议，该研究旨在测试在内陆设施中浓缩和进一步加工重矿砂以及开展海滩养护项目的可行性。这些拟议的后续步骤旨在为未来从营养砂中回收重矿砂的潜在努力提供一个起点。
可交付成果 »
- 开放文件报告2024 - 16 - 对从用于沿海恢复力项目的沙子中回收关键和经济矿物的能力评估。
- 打开文件报告2022 - 20 - 2022中大西洋海洋重矿砂论坛论文集。
- 摘要报告
- 地理数据库
其他报告 »
- 打开文件报告2019 - 04 - 使用 Q 模式因子分析研究近海沉积物中的重矿物分布。
- 打开文件报告2019 - 03 - 弗吉尼亚州近海大陆架上的经济重矿物 - 对矿物学、粒度和关键元素化学的新见解。
- 打开文件报告2019 - 02 - 对弗吉尼亚州海滩修复的近海沙子资源进行评估。
- 打开文件报告16 - 01 - 弗吉尼亚州近海联邦水域海砂的粒度分布和重矿物含量。
致谢
沙子和重矿物资源项目（公开文件报告来自2016 - 2019 ）的资金由美国海洋能源管理局 (BOEM) 根据合作协议 M 14 AC 00013提供，并由弗吉尼亚能源公司提供额外资金。根据合作协议 M 21 AC 00010 ，BOEM 为评估海洋砂矿床内经济矿物回收能力的研究提供了资金，并得到了弗吉尼亚能源公司的额外资金捐助。有关大西洋大陆架海洋矿物的更多信息，请访问BOEM 网站。
比利·拉塞特 (Billy Lassetter) 在弗吉尼亚州近海采集沉积物表面抓取样本以进行进一步分析。
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