国外研究机构关键矿产评价方法综述

郭晓茜，李建武

(1.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；2.中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心，北京 100037)

国外研究机构关键矿产评价方法综述

郭晓茜1，2，李建武1，2

(1.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；2.中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心，北京 100037)

关键矿产资源对一个国家的国土安全、经济发展具有的意义。目前，国内并未发布关键矿产的研究报告和结论。国外一些政府组织和研究机构对选定的金属和非金属矿产进行了关键评价，制定了评价指标和评价方法，并且公布了的评价结果。但这些研究的评价指标和评价方法并不一致，得到的关键矿产评价结果差异较大。本文通过对4个主要研究机构的研究报告进行分析概述，剖析关键评价的理念、指标体系、评价方法和评价模型，比较不同研究的共同点及之间的差异。同时列举了国外主要研究机构建立的关键矿产品目录，以便为我国的关键矿产评价提供借鉴方法。

关键矿产资源；评价指标；评价方法

矿产资源是一个国家经济发展的物质基础，其安全供应问题普遍为各国家高度关注。在实际的生产生活中，有些种类的矿产资源由于其应用领域、在一国经济中所占地位、供需形势等原因，相比其他资源需要更多的关注，需要管理部门制定特殊的政策或措施促进其发展。

在不同国家，这类需要特别关注的资源性产品具有不同的名称。在中国，我们通常称之为“战略性矿产”、“战略性矿产资源”，近年又提出了“战略性新兴产业矿产资源”概念[1-3]。在美国和欧盟，这些需要特别关注的矿产资源通常被称为“关键矿产”(Critical Minerals)，其中一部分称为“战略性矿产”(Strategic Minerals)。中外对于需要特别关注的这些矿产资源的认知有所不同。这种不同不仅仅体现于相关概念的名称，更重要的是存在于概念的内涵以及所代表的管理理念和目标。

目前，建立关键矿产品目录的国外机构主要有：①欧盟：欧盟成立了一个“确定关键原料特别工作小组”(Ad-Hoc Working Group on Defining Critical Raw Materials，以下简称为工作小组)，确立了欧盟关键矿产的评价方法和划分标准，同时在2010年和2013年公布了两份欧盟的评价报告；②美国：美国国家科学院(National Academy of Sciences，NAS)所属国家研究会(National Research Council)2008年公布了关键矿产的评价方法以及相关目录；美国国家科学技术委员会(National Science Technology Council，NSTC)2016年公布了新的关键矿产评价方法；③日本：日本新能源及工业技术发展组织(New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO)于2009年出版了相关的研究报告；④耶鲁大学：Graedel等人的研究小组也公布了相关的研究报告，建立了关键矿产品的评价方法，并且发表了关于铜族矿产的研究报告。

本文着重于对不同国家和研究机构的战略性矿产或关键矿产的研究成果进行总结，剖析关键矿产的评估理念、指标选取方法、指标体系和评价模型，分析不同研究机构的研究特点。同时梳理国外主要研究机构建立的关键矿产目录，以便为我国的关键矿产评价提供借鉴方法。

1 欧盟关键矿产评价方法

2010年和2013年，欧盟发布了由工作小组提交的研究报告《Critical Raw Materials for the EU》。这是一项立足于国家和地区层面、具有实用价值的研究成果。欧盟的研究主要从经济重要性(Economic Importance)和供应风险(Supply Risk)两个维度对矿产资源产品关键程度进行评价[4-5]。本文主要介绍2013年欧盟工作小组的评价方法。

1.1经济重要性

矿产资源的经济重要性评价相对比较复杂，不仅涉及到的数据比较广泛，而且在具体的评价指标和评价方法的选取上也有很大的困难。欧盟的工作小组基于已有的资料提出了一种比较实用的方法，用来评价矿产品的经济重要性，具体的评价方法如图1所示。

矿产品原材料的终端消费比例揭示了其在不同领域的重要性，特定的矿产品在一个领域的应用比例越大，表明该矿产品原料在这个领域的重要性越大。将这些矿产品归类到不同行业的附加值(GVA)当中，最后用终端比例和增加值相乘，得出的数值就是该矿产品重要性的评价值。计算公式见式(1)。

(1)

式中：s代表不同行业；i代表不同原材料；Ais是对应的行业附加值GVA；Sis是矿产品原材料i的终端消费比例。

以铝为例，表1列举了经济重要性的计算方法，最终得出的铝的经济重要性评价值为137.985。最终再除以欧盟GDP统计数值，得到的就是铝的经济重要性权重。

图1 欧盟关键矿产重要性评价方法

表1 铝经济重要性的计算方法

数据来源：欧盟铝工业协会和欧盟 NACE分类表。

1.2供应风险

供应风险的评价是对初级矿产品而言，可供性作为其评价标准。可供性是通过集中指数(HHI)来评价的，并且通过世界银行发布的政府管理指数(WGI)对HHI指数进行改进。在欧盟2013年的报告中，对锂的评价使用了WGI指数取代2010年所使用的环境评价指数(EPI)。因此，锂被划分为非关键矿产品。但是如果矿产品可以被其他矿产品替代，或者本身的回收利用率较高，那么这个矿产品的供应来源就会变得很广泛，供应风险会大大降低。

图2展示了矿产品供应分析的“过滤器”，可回收利用性和可替代性是降低矿产品供应风险的过滤器，经过这两个参数的过滤，可以得出矿产品最终的供应风险评价值。其中，回收利用性主要指金属的回收利用，而可替代性参数值设置在0～1之间，1表示替代性较低。因此供应风险的计算公式(式(2))分为三大部分，回收利用、替代性和WGI指数。

供应风险=

(2)

式中：Pi是回收矿产品产量占矿产品总量的比例，Ais是矿产品原材料i在行业S中的比例，σis是原材料i在行业S中的替代率，Pic是国家c的原材料产量i占世界矿产品原材料总产量的比值。

1.3评价结果

2013年的评价方法和分界点指标值并未更改，只是在评价范围和评价指数上有所不同，前后两次的关键矿产评价结果对比如图3所示。其中2010年和2013年的关键矿产评价结果有部分重合，但钽是2010年选中的关键矿产品，硼、铬、焦煤、菱镁矿、磷矿和硅则是2013年特有的关键矿产品。

图2 欧盟矿产供应风险可视化过滤器

2 美国NSTC关键矿产评价方法

美国在关键矿产的评价方法上做了大量的工作，其中2008年NAS公布的二维矩阵评价方法是经典的关键矿产评价方法[6-7]。欧盟在2010年和2013年的评价过程中也使用了相同的评价体系。但是，这个方法也面临着参数指标选取难度较大，各个指标独立性较小等缺点。2016年，美国国家科学技术委员会建立了新的关键矿产评价方法。该方法是针对非燃料矿产进行的，首先通过预警筛查，分析潜在的关键矿产品，从而列出观察名单，发布关键报告，进行物质流分析。数据每年更新，每年都会对所有的非燃料矿产品进行预警筛查。图4给出了美国关键矿产的评价流程[8]。

目前，根据美国国家科学技术委员会公布的资料显示，关键矿产的评价已经完成了预警筛查阶段。本文主要介绍初始的预警筛查阶段关键矿产的评价方法。评价权重的计算方法主要由三个因子组成：供应风险(R)，产量增长率(G)，市场动态(M)，最终评价权重(C)的计算公式见式(3)。

(3)

2.1供应风险(R)

供应风险是关键矿产评价的第一个参数，供应风险高值的矿产品代表其供应安全性较低，因此供应风险是关键矿产评价不可或缺的一个指标，计算公式见式(4)。

(4)

式中：m代表某种矿产品；S代表矿产品份额；t代表年份；r是上标；Г代表政府指数。

政府指数基于6个WGI指数，每个WGI指数首先进行归一化处理，使各个指数在0～1之间，0代表高管理指数低风险，1代表低管理指数高风险。得出原始的R之后，可以利用归一化处理，将R的数值限定在0～1之间。

由于每年世界银行都公布相关的WGI指数，因此，可以对每种矿产品每年的风险指数进行评价，得到风险指数动态变化曲线。如图5所示，每个矿产品的供应风险都是随时间变化的。

图4 美国关键矿产评价流程

2.2产量增长(G)

由于在评价的过程中使用的是矿产品的初始产量，G反应了市场对地质资源依赖性的变化，计算公式见式(5)。矿产品的初始产量增加越快，代表其对地质资源的依赖程度越高，则G值越大。反过来，由于需求量降低或者是二次资源供应量的增加导致一次资源对地质资源的依赖程度降低，那G值也会比较小。

式中：t代表现在时间；t′代表初始时间；Q代表矿产品的全球一次产量。在产量计算过程中，时间域的取值范围在5年之内，这样可以减少数据的杂乱性。最后对产量增长因子(G)进行归一化处理，在0～1之间。

图6给出了选定矿产品的产量增长因子随时间的变化情况，选取的时间段是1996～2013年。以锶(Sr)为例，产量在初期增长比较平稳，随着时间的进行，由于资源替代以及市场供需的影响，产量增长逐渐下降。

图5 美国关键矿产供应风险评价结果

图6 美国关键矿产产量增速评价结果

2.3市场动态(M)

市场动态可以直观的反应出矿产品的变化情况，主要用价格来衡量市场动态情况。价格变化可能有很多因素引起，包括供需关系、市场预期的变化等等因素，计算公式见式(6)。

(6)

式中：Pm，t是矿产品年均价格；Pm，t：t′是矿产品在特定时间(t-t′)内的年均价格。

M是计算平均价格的标准方差得出的。矿产品价格是以1998年基准年美元不变价换算而得出的。同时，对得出的M也要进行归一化处理。

图7给出了市场动态的变化情况，和其他两个评价因子一样，市场动态因子也是随时间变化的变量。可以精确反应不同时间节点市场动态的变化情况。

2.4评价结果

在对矿产品进行评价之后，得出的关键因子C。使用加权欧式距离来界定关键因子C的临界值，最终选定的临界值的标准是0.335。2013年有17种矿产品的评价值大于0.335，这些矿产品被认为是潜力较大的，分别是铑(Rh)、钌(Ru)、汞(Hg)、独居石、钨(W)、硅锰、钼铁(FoMo)、钇(Y)、稀土、云母、铱(Ir)、菱镁矿、锗(Ge)、钒(V)、铋矿(Bi)、锑(Sb)和钴(Co)。

以上的17个矿产品只是在初步筛查阶段筛查得出的，关键矿产品的具体评定还需要进一步的深度分析。图8展示了这些矿产品的评价结果。

3 日本关键矿产评价方法

2009年，日本New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO)对日本的关键矿产进行了评价，并发布了研究报告《Trend Report of Development in Materials for Substitution of Scarce Metals》。

日本的此项研究与美国和欧盟的相关研究有所不同。日本的研究报告定义为“重要性矿产品”，评价体系较为简单[9-10]。首先，在评价方法上，采用了单纯指标评价的方式，选取了5类12个指标(表2)，对39种矿产品资源产品进行了评价，最终评价结果为一数值。其次，其评价范围仅限于稀有金属。这些指标的数值被定义为0、1、2、3四个数值，例如对耗竭时间来说，3代表耗竭时间不足50年，0代表耗竭时间超过100年。通过这样的打分方法，可以对每个指标进行评价，综合每个指标的权重值，可以得出特定矿产品的评价值。

图7 美国关键矿产市场动态评价结果

注：横线多少代表值的高低，阈值是0.335，空白则代表并未收集到相关的数据图8 美国关键矿产品评价结果

4 耶鲁大学关键矿产评价方法

耶鲁大学的Graedel等建立了一种新的关键矿产的评价方法，不同于以往的评价方法，Graedel等引入了“环境影响”这个维度，将关键矿产的评价方法由二维引申至三维，考虑到了人类健康以及生态环境在评价系统中的作用[11]。在耶鲁大学的报告中，关键性矿产的评价由供应风险、环境影响和供应限制三个评价指数组成，其中供应风险和供应限制的评价体系分别如图9和图10所示。

4.1供应风险(SR，supply risk)

Graedel等对于供应风险的评价分为长期和中期两个不同层次，区别在于长期评价涉及经济储量、边际经济储量和次经济储量，而中期评价只涉及经济储量。其中中期的供应风险主要从三个方面进行评价，每个方面有不同的指标体系，指标体系的具体分布情况如图9所示。供应风险主要包括地质、社会、地缘政治三个方面，每个方面的权重值均为1/3，各个方面选取的指标权重均为1/2，供应风险的最终评价值是由分层次的指标权重计算得出的。

图9 耶鲁大学中长期供应风险评价指标体系

图10 耶鲁大学企业层面供应限制评价体系

4.1.1 从地质、技术、经济方面

矿产资源的可供性是限定在一定的时间范围内考虑的，主要依据消耗时间的计算获得。评价时间范围的不同对矿产品的可供性评价过程也不一样。从短期来看，消耗时间的计算主要涉及当前的经济储量；从长期来看，消耗时间的计算主要涉及储量基础(RB)，储量基础包括经济储量、边际经济储量和次经济储量。

消耗时间的定义公式见式(7)。

(7)

式中：R代表矿产储量；ρ代表矿产品的产量；t0是矿产品的初始生产时间；tf是矿产储量被消耗为零的时间。

在DT的实际计算过程中，需要考虑矿产资源的需求量(ψ)、尾矿和矿渣(τ)、矿产利用的平均寿命(μ)以及寿命分布的标准方差(σ)。经过数据迭代，消耗时间的最终计算公式见式(8)。

(8)

计算得出的DT需要转换成标准DTtransformed，其值限定在0～100之间。

4.1.2 社会和法律方面

从全球范围内来看，国家的经济政策，包括税收和土地租赁政策，会影响矿产品的供应形势。通过政治潜力指数(PPI)对一个国家的政治影响进行综合评价。特定矿产品的PPI指数是通过矿产资源产量的加权平均值获得的。

此外，由联合国发展中心公布的人类发展指数(HDI)，这个指数是基于人类健康、教育和生活水平三个方面进行综合打分的。在耶鲁的研究中，PPI和HDI都是蒙特卡罗方法归一化的数据，每个国家的PPI和HDI都在0～100之间。

4.1.3 地缘政治方面

WGI的范围在0～100之间，其中，得分越高代表一个国家的政治稳定性较高。

霍夫曼指数(HHI)是用来表示矿产品集中度的指数，范围在0～10 000之间。在耶鲁大学的研究中，将霍夫曼指数转化为全球供应集中度GCS，计算公式见式(9)。

GCS=17.5×ln(HHI)-61.18

(9)

4.2环境影响评估(EI，environmental implications)

环境影响评价(EI)在本次研究中作为一个独立的参数，从数据的便捷性出发，本次环境评价中使用的数据来自于ReCiPe终点数据方法。得到的ReCIPE数据通过式(10)转换成为0～100之间的EI指数。

EI=log10(ReCIPEpoints+1)×20

(10)

4.3供应限制 (VSR，vulnerability to supply restriction)

供应限制对不同级别的研究机构评价标准有所不同，在耶鲁大学的研究中，分别以国家和企业作为评价级别，设置不同的评价标准。对企业来说，供应限制性主要从三个大的方面进行表述，具体指标如图10所示。供应限制主要包括重要性、可替代性和革新能力三个方面，每个方面的权重值均为1/3，各个方面选取的指标权重列在指标前端，供应限制的最终评价值是由分层次的指标权重计算得出的。

主要包括以下三个方面：①重要性：包括营业额占比；成本转嫁能力(PT)：由于原材料的增加，企业可以通过提高销售价格来转嫁风险；战略性：商品在未来的产业中可能具备的战略重要性；②替代性：包括替代效率，替代能力，环境影响以及价格；③创新能力：这个指标主要用来评价企业或者国家的创新能力，一些企业或者国家能够在很快的调整技术和策略，适应替代资源的能力比较强。

对国家来说，主要从以下三个方面进行评价：①重要性：主要从两个指标来衡量。首先是经济重要性，通过表征矿产品占国家GDP的总量得出；其次是使用人数占比(PPU)，通过使用人数占比来表征产品的重要性；②可替代性：评价方法和企业一致，但是“价格比率”却要替换成“纯进口依赖比率”；③创新能力：国家创新能力一般都要高于企业，因此国家创新能力使用“国家创新能力指数”来评价。

4.4评价结果

根据上述三维的评价结果，关键矿产品的最终权重公式见式(11)。

关键性权重=

(11)

Graedel等根据此种方法对铜族的矿产品进行了评估，评估结果展示在一个空间之中，而不是一个二维矩阵当中，评价结果如图11所示[12-13]。根据各个指标距离零点的距离来判断关键权重。

图11 耶鲁大学铜族金属关键评价结果

5 评价方法总结和建议

通过对这4个主要研究机构的关键矿产进行梳理发现，目前各个研究机构对关键矿产的指标参数和评价方法都不相同，并未形成统一的研究方法和研究体系。

从评价范围来看，关键矿产的评价涉及国家层面、企业层面或者特定领域，评价的时间跨度也分为长期和中短期。

从评价体系来看，目前关于关键矿产品的量化体系主要分为三大类：①单一指数评价体系：如日本和美国NSTC2016年的评价方法，使用单一指数来划分关键矿产品，评价指标依据单一的评价值；②经典的二维矩阵评价体系：如美国2008年NSC的评价方法和欧盟的评价方法，使用供应风险和供应限制性以及经济重要性作为不同维度参与评价，评价结果是基于二维数据的权重区间来划分关键矿产品；③三维矩阵评价体系：如耶鲁大学的研究，引入环境因子作为第三维，考虑环境问题对关键矿产品评价的影响结果。在以上三种评价体系中，二维矩阵使用较多，评价体系较为完善。但是环境因子评价也受到越来越多人的重视，如何建立完善的环境评价指标也是需要进一步思考的问题。

从评价指标上看，对比较重要的15项研究成果进行汇总分析发现，评价指标共有21个，其中出现频率最高的为“国家集中度”12次，其次为“国家风险”10次，第三为“耗竭时间”9次。有11个指标只出现了1次(表3)[14-15]。

表4展示了不同研究机构关键矿产品的评价结果，其中耶鲁只是对铜族金属进行了评价，并没有给出其他矿产品的评级。从评价结果上看，各个机构的关键矿产品评价结果并不一致。这与各个研究机构选取的矿产品种类、评价方法和体系以及评价指标都有关系。

综上所述，在关键或战略性矿产的评价方面，如何建立关键评价体系，选择相关评价指标和指标权重是关键的问题。我国的关键矿产品评价体系尚处在探索阶段，因此，要从国家的战略发展层面出发，针对特定矿产的特点进行评价，建立关键矿产的评价体系，深化相关政策研究才是我国关键矿产评价亟需解决的问题。

表3 15项成果中供应风险评价指标与出现频次

表4 不同研究机构关键矿产品的评价结果

[1] 周晶艳，李建武，王高尚.全球战略性新兴矿产资源形势分析[J].中国矿业，2015，24(2)：1-4.

[2] 张福良，何贤杰，杜轶伦，等.关于我国战略性新兴矿产几个重要问题的思考[J].中国矿业，2013，22(10)：7-11.

[3] 李宪海，王丹，吴尚昆.我国战略性矿产资源评价指标选择：基于美国、欧盟等关键矿产名录的思考[J].中国矿业，2014，23(4)：30-34.

[4] Report on critical raw materials for the EU critical raw materials profiles[R].Ad hoc working group on defining critical raw materials，2012.

[5] Report on critical raw materials for the EU[R].Ad-hoc working group on defining critical raw materials，2014.

[6] U.S.National Research Council，Minerals，Critical Minerals，and the U.S.Economy[R].National Academic Sciences，Washington D.C.，2008.

[7] Department of Energy.Critical Mineral Strategy[R].U.S.，Department of Energy，Washington，2010.

[8] Assessment of Critical Minerals：Screening Methodology and Initial Application[R].Subcommittee on Critical and Strategic Mineral SupplyChainsof the Committee on Environment，Natural Resources，and Sustainability of the national science and technology council，2016.

[9] Hatayama H.Criticality Assessment of Metals for Japan’s Resource Strategy[J].Materials Transactions，2015，56(2)：229-235.

[10] Resource Securement Strategies[R].Prime Minister of Japan and His Cabinet，2012.

[11] Graedel T E，Barr R，Chandler C，et al.Methodology of Metal Criticality Determination[R].2012.

[12] Erdmann L.，Graedel T.Criticality of non-fuel minerals：a review of major approaches and analysis[J].Environmental Science and Technology，2011，45：7620-7630.

[13] Nassar N T，Barr R，Browning M，et al.Criticality of the geological copper family[J].Environmental Science &Technology，2012，46(2)：1071-1078.

[14] Glöser S，Espinoza LT，Gandenberger C，et al.Raw material criticality in the context of classical risk assessment[J].Resources Policy，2015，44：35-46.

[15] Achzet B，Helbig C.How to evaluate raw material supply risks—an overview[J].Resources Policy，2013，38：435-447.

Anoverviewofcriticalmineralresourceevaluationbyforeigninstitutions

GUO Xiaoqian1，2，LI Jianwu1，2

(1.Institute of Mineral Resource，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing100037，China；2.Global Mineral Resource Strategy Research Center，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing100037，China)

Critical mineral resource is of significant importance to the national security and economic development.Researches and conclusions about critical mineral resource are not published in China.Several government institution and working groups around the world have made criticality evaluation for metallic and non-metallic mineral resource.Relevant indexes and methods index are established and criticality of evaluation mineral resource are ranked and published.However，the evaluation index and methods on critical mineral resources evaluation are variable and therefore the criticality evaluation are heterogeneous.In this paper，11reports and articles from4different institutions are analysed.The critical concept，evaluation index，methods and model during criticality assessment are summarized to compare the differences and similarities.And the critical mineral resource lists from these institutions are also shown to give a reference for critical mineral resource evaluation in China.

critical mineral resource；evaluation index；evaluation method

2017-05-07责任编辑：宋菲

“战略性新兴矿产资源安全跟踪与动态评价”子项目资助(编号：DD20160084)

郭晓茜(1988-)，女，博士后，主要研究方向为能源矿产资源战略，E-mail：xiaoqianGuo88@163.com。

李建武 (1967-)，男，研究员，工学博士，主要研究方向为矿产资源战略，E-mail: jeli67@126.com。

F416.1

：A

：1004-4051(2017)09-0025-08