Supervulkaner:En nøgle til Amerikas elektriske fremtid?

Det meste af det lithium, der bruges til at fremstille de lithium-ion-batterier, der driver moderne elektronik, kommer fra Australien og Chile. Men Stanford-forskere siger, at der er store aflejringer i kilder lige her i Amerika:supervulkaner.

I en undersøgelse offentliggjort i dag i Naturkommunikation , forskere beskriver en ny metode til at lokalisere lithium i supervulkaniske søaflejringer. Resultaterne repræsenterer et vigtigt skridt i retning af at diversificere udbuddet af dette værdifulde sølvhvide metal, da lithium er en energikritisk strategisk ressource, sagde studie medforfatter Gail Mahood, en professor i geologiske videnskaber ved Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab.

"Vi bliver nødt til at bruge elektriske køretøjer og store batterier for at mindske vores CO2-fodaftryk, " sagde Mahood. "Det er vigtigt at identificere lithiumressourcer i USA, så vores forsyning ikke er afhængig af enkelte virksomheder eller lande på en måde, der gør os udsat for økonomisk eller politisk manipulation."

Supervulkaner kan producere massive udbrud af hundreder til tusinder af kubikkilometer magma - op til 10, 000 gange mere end et typisk udbrud fra en Hawaii-vulkan. De producerer også store mængder pimpsten og vulkansk aske, der er spredt over store områder. De fremstår som store huller i jorden, kendt som calderaer, snarere end den keglelignende form, der typisk forbindes med vulkaner, fordi det enorme tab af magma får taget af kammeret til at kollapse efter udbrud.

Det resulterende hul fyldes ofte med vand for at danne en sø - Oregon's Crater Lake er et godt eksempel. Over titusinder af år, nedbør og varme kilder udvasker lithium fra de vulkanske aflejringer. Lithium akkumuleres, sammen med sedimenter, i caldera søen, hvor det bliver koncentreret i et ler, kaldet hektorit.

At udforske supervulkaner for lithium ville diversificere dets globale udbud. Større lithiumforekomster udvindes i øjeblikket fra saltlageforekomster i højtliggende saltflader i Chile og pegmatitforekomster i Australien. Supervulkanerne udgør en lille risiko for udbrud, fordi de er ældgamle.

"Calderaen er det ideelle aflejringsbassin til alt dette lithium, " sagde hovedforfatter Thomas Benson, en nyligt ph.d.-kandidat ved Stanford Earth, som begyndte at arbejde på undersøgelsen i 2012.

Siden dens opdagelse i 1800-tallet, lithium er i høj grad blevet brugt i psykiatriske behandlinger og atomvåben. Begyndende i 2000'erne, lithium blev den vigtigste komponent i lithium-ion-batterier, som i dag leverer bærbar strøm til alt fra mobiltelefoner og bærbare computere til elbiler. Volvo Cars annoncerede for nylig sin forpligtelse til kun at producere nye modeller af sine køretøjer som hybrider eller batteridrevne optioner begyndende i 2019, et tegn på, at efterspørgslen efter lithium-ion-batterier vil fortsætte med at stige.

"Vi har haft et guldfeber, så vi ved hvordan, hvorfor og hvor guld opstår, men vi havde aldrig et lithiumrush, " sagde Benson. "Efterspørgslen efter lithium har overgået den videnskabelige forståelse af ressourcen, så det er essentielt for den grundlæggende videnskab bag disse ressourcer at indhente det.

Arbejder baglæns

For at identificere hvilke supervulkaner der tilbyder de bedste kilder til lithium, forskere målte den oprindelige koncentration af lithium i magmaen. Fordi lithium er et flygtigt grundstof, der let skifter fra fast til flydende til damp, det er meget vanskeligt at måle direkte, og de oprindelige koncentrationer er dårligt kendte.

Så, forskerne analyserede små stykker magma fanget i krystaller under vækst i magmakammeret. Disse "smelte indeslutninger, "fuldstændig indkapslet i krystallerne, overleve superudbruddet og forblive intakt under forvitringsprocessen. Som sådan, smelteindeslutninger registrerer de oprindelige koncentrationer af lithium og andre grundstoffer i magmaen. Forskere skåret gennem værtskrystallerne for at afsløre disse bevarede magmablødninger, som er 10 til 100 mikrometer i diameter, analyserede dem derefter med Sensitive High Resolution Ion Microprobe i SHRIMP-RG Laboratory på Stanford Earth.

"At forstå, hvordan lithium transporteres i magmaer, og hvad der får et vulkansk center til at blive beriget med lithium, er aldrig rigtig systematisk blevet gjort før, " sagde Benson.

Holdet analyserede prøver fra en række tektoniske indstillinger, inklusive Kings Valley-aflejringen i McDermitt vulkanske felt beliggende på grænsen mellem Nevada og Oregon, som brød ud for 16,5 til 15,5 millioner år siden og er kendt for at være rig på lithium. De sammenlignede resultater fra dette vulkanske center med prøver fra High Rock calderakomplekset i Nevada, Sierra la Primavera i Mexico, Pantelleria i Sicilienstrædet, Yellowstone i Wyoming og Hideaway Park i Colorado, og fastslog, at lithiumkoncentrationerne varierede meget som funktion af supervulkanens tektoniske indstilling.

"Hvis du har en masse magma i udbrud, det behøver ikke at have så meget lithium i sig for at producere noget, der er værdigt af økonomisk interesse, som vi tidligere troede, " sagde Mahood. "Du behøver ikke ekstraordinært høje koncentrationer af lithium i magmaen for at danne lithiumaflejringer og -reserver."

Forbedring af identifikation

Ud over at udforske lithium, forskerne analyserede andre sporstoffer for at bestemme deres korrelationer med lithiumkoncentrationer. Som resultat, de opdagede en hidtil ukendt sammenhæng, der nu vil gøre det muligt for geologer at identificere kandidatsupervulkaner til lithiumaflejringer på en meget nemmere måde end at måle lithium direkte i smelteindeslutninger. Sporelementerne kan bruges som en proxy for den oprindelige lithiumkoncentration. For eksempel, større overflod af let analyseret rubidium i bulkaflejringerne indikerer mere lithium, hvorimod høje koncentrationer af zirconium indikerer mindre lithium.

"Vi kan i det væsentlige bruge zirconiumindholdet til at bestemme lithiumindholdet inden for omkring 100 ppm, " sagde Benson. "Nu hvor vi har en måde at nemt finde flere af disse lithiumaflejringer, det viser, at dette grundlæggende geologiske arbejde kan hjælpe med at løse samfundsproblemer - det er virkelig spændende."