Kraterseen als neue Lithiumquellen

Rubidium und Zirkonium als Indikatoren-Elemente

Forscher der Stanford-Universität haben in Sedimenten von Kraterseen alter Supervulkane große lithiumreiche Tonablagerungen gefunden. Bisher stammt das meiste Lithium aus Australien und Chile. Aber die kalifornischen Forscher sagen, dass es in Amerika selbst große Vorkommen gebe.

In einer bereits am 13.06.2017 in Nature Communications veröffentlichten Studie beschrieben die Forscher um Co-Autorin Gail Mahood, Professorin für Geo- und Umweltwissenschaften an der Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences eine neue Methode zur Suche nach Lithium in Kraterseen. Die Ergebnisse stellen laut einer Medienmitteilung vom 18.08.2017 einen wichtigen Schritt zur Versorgungssicherheit des wertvollen silbrig-weißen Metalls dar. “Wir werden Elektrofahrzeuge mit großen Akkus einsetzen müssen, um unseren CO2-Fußabdruck zu verringern”, so Mahood. “Es ist wichtig, Lithium-Ressourcen zu identifizieren, damit die Versorgung nicht von einzelnen Unternehmen oder Ländern abhängig ist.”

Supervulkane haben vor 10 bis 100 Millionen Jahren massive Eruptionen mit Hunderten bis Tausenden von Kubikkilometern Magma erzeugt – bis zu 10.000mal mehr als bei einem typischen Ausbruch eines durchschnittlichen Vulkans von heute. Sie produzierten große Mengen Bims und Vulkanasche, die sich weit verteilten. Die verbliebenen riesigen Löcher, die sich oft mit Wasser füllten und einen See bildeten. Über zehntausende von Jahren wuschen Regen und heiße Quellen Lithium aus den vulkanischen Ablagerungen heraus. Das Lithium sammelte sich in den Sedimenten im Kratersee, vor allem in einem Material namens Hectorit. Die Supervulkane bergen ein geringes Eruptionsrisiko, weil sie uralt sind.

Derzeit werden größere Lithiumvorkommen aus Sole-Lagerstätten in hoch gelegenen Salaren in Chile und Pegmatitlagerstätten in Australien abgebaut. “Die Caldera ist das ideale Ablagerungsbecken für all dieses Lithium”, sagte Hauptautor Thomas Benson, Post-Doktorand bei Stanford Earth, der seit 2012 an der Studie arbeitete.

Seit seiner Entdeckung im 19. Jahrhundert wurde Lithium weitgehend in psychiatrischen Behandlungen und Atomwaffen eingesetzt. Ab den 2.000er Jahren wurde es zum Hauptbestandteil von Lithium-Ionen-Batterien, heutige transportable Stromquellen für Mobiltelefone, Laptops und Elektroautos. “Wir hatten einen Goldrausch und wissen, warum und wo Gold auftaucht , aber wir hatten nie einen Lithiumrausch “, sagte Benson. “Die Nachfrage nach Lithium hat das wissenschaftliche Verständnis der Ressource übertroffen, daher ist es wichtig, dass die Grundlagenforschung hinter diesen Ressourcen aufholt.”

Rückwärts arbeiten

Um herauszufinden, welche Supervulkane die besten Quellen für Lithium bieten, haben Forscher die ursprüngliche Konzentration von Lithium im Magma gemessen. Da Lithium ein flüchtiges Element ist, das sich leicht von fest zu flüssig in Dampf umwandelt, ist es sehr schwierig, direkt zu messen, und ursprüngliche Konzentrationen sind schlecht bekannt. Die Forscher analysierten winzige Teile von Magma, die während des Wachstums in der Magmakammer in Kristallen eingeschlossen waren. Diese “Schmelzeinschlüsse”, die vollständig in den Kristallen eingekapselt sind, überstehen die Supereruption und bleiben während des Verwitterungsprozesses intakt und erhalten die ursprünglichen Konzentrationen von Lithium und anderen Elementen im Magma. Die Forscher schnitten durch die Wirtskristalle, um diese konservierten Magma-Bläschen mit einem Durchmesser von 10 bis 100 Mikrometern freizulegen, und analysierten sie dann mit der empfindlichen hochauflösenden Ionen-Mikrosonde im SHRIMP-RG-Labor von Stanford Earth, eine Untersuchung, die nie zuvor systematisch durchgeführt wurde, sagte Benson.

Das Team analysierte Proben aus einer Reihe von tektonischen Umgebungen, darunter die Kings Valley-Lagerstätte im McDermitt-Vulkanfeld an der Grenze zwischen Nevada und Oregon, die als lithiumreich bekannt ist – Folge einer Eruption vor ungefähr 15 Millionen Jahren. Sie verglichen die Ergebnisse dieses Vulkanzentrums mit Proben aus dem High-Rock-Caldera-Komplex in Nevada, der Sierra la Primavera in Mexiko, von Pantelleria in der Straße von Sizilien, dem Yellowstone Park in Wyoming und dem Hideaway Park in Colorado und stellten fest, dassdie Lithiumkonzentrationen sehr weit auseinandergingen, als Folge der tektonischen Gegebenheiten des Supervulkans.

“Wenn man viel ausgebrochenes Magma hat, muss es nicht unbedingt auch viel Lithium enthalten, um das Alkalimetall wirtschaftlich zu fördern”, sagte Mahood. “Man brauchen keine außergewöhnlich hohen Lithiumkonzentrationen im Magma, um Lithiumablagerungen und -reserven zu bilden.” Neben der Suche nach Lithium analysierten die Forscher auch andere Spurenelemente, um ihre Korrelationen mit den Lithiumkonzentrationen zu bestimmen. Infolgedessen entdeckten sie eine bisher unbekannte Korrelation, die es Geologen ermöglicht, Lithiumvorkommen auf viel einfachere Weise zu identifizieren, als Lithium direkt in Schmelzeinschlüssen zu messen. Die Spurenelemente können als Ersatz für die ursprüngliche Lithiumkonzentration verwendet werden. Zum Beispiel zeigt ein größerer Gehalt an leicht analysierbarem Rubidium in den Massenablagerungen mehr Lithium an, während hohe Konzentrationen an Zirkonium weniger Lithium anzeigen. “Wir können den Zirkoniumgehalt im Wesentlichen nutzen, um den Lithiumgehalt innerhalb von etwa 100 ppm zu bestimmen”, sagte Benson. “Jetzt, wo wir eine Möglichkeit haben, mehr von diesen Lithiumvorkommen zu finden, zeigt sich, dass diese fundamentale geologische Arbeit dazu beitragen kann, gesellschaftliche Probleme zu lösen – das ist wirklich aufregend.”

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