Het meeste lithium dat wordt gebruikt om de lithium-ionbatterijen te maken die moderne elektronica van stroom voorzien, komt uit Australië en Chili. Maar wetenschappers van Stanford zeggen dat er grote afzettingen zijn in bronnen hier in Amerika:supervulkanen.

In een onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , wetenschappers beschrijven een nieuwe methode voor het lokaliseren van lithium in afzettingen van supervulkanische meren. De bevindingen vormen een belangrijke stap in de richting van diversificatie van het aanbod van dit waardevolle zilverwitte metaal, aangezien lithium een ​​energiekritische strategische hulpbron is, zei studie co-auteur Gail Mahood, een professor in geologische wetenschappen aan Stanford's School of Earth, Energie &Milieuwetenschappen.

"We zullen elektrische voertuigen en grote accu's moeten gebruiken om onze ecologische voetafdruk te verkleinen, "Zei Mahood. "Het is belangrijk om lithiumbronnen in de VS te identificeren, zodat onze levering niet afhankelijk is van afzonderlijke bedrijven of landen op een manier die ons onderhevig maakt aan economische of politieke manipulatie."

Supervulkanen kunnen enorme uitbarstingen van honderden tot duizenden kubieke kilometers magma produceren - tot 10, 000 keer meer dan een typische uitbarsting van een Hawaiiaanse vulkaan. Ze produceren ook enorme hoeveelheden puimsteen en vulkanische as die over grote gebieden worden verspreid. Ze verschijnen als enorme gaten in de grond, bekend als caldera's, in plaats van de kegelachtige vorm die typisch wordt geassocieerd met vulkanen, omdat het enorme verlies aan magma ervoor zorgt dat het dak van de kamer instort na een uitbarsting.

Het resulterende gat vult zich vaak met water om een ​​meer te vormen - Oregon's Crater Lake is een goed voorbeeld. Gedurende tienduizenden jaren, regenval en warmwaterbronnen spoelen lithium uit de vulkanische afzettingen. Het lithium hoopt zich op, samen met sedimenten, in het calderameer, waar het wordt geconcentreerd in een klei genaamd hectoriet.

Het onderzoeken van supervulkanen voor lithium zou zijn wereldwijde aanbod diversifiëren. Grote lithiumafzettingen worden momenteel gewonnen uit pekelafzettingen in zoutvlakten op grote hoogte in Chili en pegmatietafzettingen in Australië. De supervulkanen vormen weinig risico op uitbarsting omdat ze oud zijn.

"De caldera is het ideale afzettingsbassin voor al dit lithium, " zei hoofdauteur Thomas Benson, een recent doctoraatsstudent aan Stanford Earth, die in 2012 aan de studie begon te werken.

Sinds de ontdekking in de jaren 1800, lithium is grotendeels gebruikt in psychiatrische behandelingen en kernwapens. Vanaf de jaren 2000, lithium werd het belangrijkste onderdeel van lithium-ionbatterijen, die tegenwoordig draagbare stroom leveren voor alles, van mobiele telefoons en laptops tot elektrische auto's. Volvo Cars kondigde onlangs zijn engagement aan om vanaf 2019 alleen nieuwe modellen van zijn voertuigen te produceren als hybride of batterijaangedreven opties, een teken dat de vraag naar lithium-ionbatterijen zal blijven toenemen.

"We hebben een goudkoorts gehad, dus we weten hoe, waarom en waar goud voorkomt, maar we hebben nooit een lithium-rush gehad, " zei Benson. "De vraag naar lithium heeft het wetenschappelijke begrip van de hulpbron overtroffen, dus het is essentieel dat de fundamentele wetenschap achter deze bronnen de achterstand inhaalt."

Achteruit werken

Om te bepalen welke supervulkanen de beste bronnen van lithium bieden, onderzoekers maten de oorspronkelijke concentratie lithium in het magma. Omdat lithium een ​​vluchtig element is dat gemakkelijk overgaat van vast naar vloeibaar naar damp, het is erg moeilijk om direct te meten en de oorspronkelijke concentraties zijn slecht bekend.

Dus, de onderzoekers analyseerden kleine stukjes magma die tijdens de groei in de magmakamer in kristallen waren gevangen. Deze "smelt insluitsels, " volledig ingekapseld in de kristallen, de superuitbarsting overleven en intact blijven tijdens het verweringsproces. Als zodanig, smeltinsluitingen registreren de oorspronkelijke concentraties van lithium en andere elementen in het magma. Onderzoekers sneden door de gastheerkristallen om deze geconserveerde magmabellen bloot te leggen, met een diameter van 10 tot 100 micron, analyseerde ze vervolgens met de Sensitive High Resolution Ion Microprobe in het SHRIMP-RG Laboratory op Stanford Earth.

"Begrijpen hoe lithium wordt getransporteerd in magma's en waardoor een vulkanisch centrum wordt verrijkt met lithium, is nog nooit echt systematisch gedaan, ' zei Benson.

Het team analyseerde monsters uit een reeks tektonische omgevingen, inclusief de Kings Valley-afzetting in het vulkanische veld McDermitt op de grens tussen Nevada en Oregon, die 16,5 tot 15,5 miljoen jaar geleden uitbrak en waarvan bekend is dat deze rijk is aan lithium. Ze vergeleken de resultaten van dit vulkanische centrum met monsters van het High Rock caldera-complex in Nevada, Sierra la Primavera in Mexico, Pantelleria in de Straat van Sicilië, Yellowstone in Wyoming en Hideaway Park in Colorado, en stelde vast dat lithiumconcentraties sterk varieerden als een functie van de tektonische omgeving van de supervulkaan.

"Als er veel magma uitbarst, er hoeft niet zoveel lithium in te zitten om iets te produceren dat economisch interessant is, zoals we eerder dachten, "Zei Mahood. "Je hebt geen buitengewoon hoge concentraties lithium in het magma nodig om lithiumafzettingen en -reserves te vormen."

Identificatie verbeteren

Naast het zoeken naar lithium, de onderzoekers analyseerden andere sporenelementen om hun correlaties met lithiumconcentraties te bepalen. Als resultaat, ze ontdekten een voorheen onbekende correlatie die geologen nu in staat stelt om kandidaat-supervulkanen voor lithiumafzettingen op een veel eenvoudigere manier te identificeren dan lithium rechtstreeks in smeltinsluitingen te meten. De sporenelementen kunnen worden gebruikt als een proxy voor de oorspronkelijke lithiumconcentratie. Bijvoorbeeld, grotere overvloed aan gemakkelijk te analyseren rubidium in de bulkafzettingen duidt op meer lithium, terwijl hoge concentraties zirkonium wijzen op minder lithium.

"We kunnen in wezen het zirkoniumgehalte gebruiken om het lithiumgehalte te bepalen binnen ongeveer 100 delen per miljoen, "Zei Benson. "Nu we een manier hebben om gemakkelijk meer van deze lithiumafzettingen te vinden, het laat zien dat dit fundamentele geologische werk kan helpen bij het oplossen van maatschappelijke problemen - dat is echt spannend."