Reiche Rohstoffquelle: Im Norden des US-Bundesstaats Nevada könnte eines der größten Lithiumvorkommen der Welt liegen – und ein ganz neuer Typ von Lithium-Lagerstätte, wie Geologen entdeckt haben. Die Ablagerungen der McDermitt-Caldera enthalten bis zu 2,4 Gewichtsprozent Lithium und damit mehr als jemals zuvor dokumentiert. Ihren Lithiumreichtum verdankt diese neuartige Lagerstätte einem glücklichen Zusammentreffen von zwei geologischen Prozessen. Dieses Wissen könnte nun dabei helfen, auch anderswo ähnliche Lithiumvorkommen aufzuspüren.
Lithium gehört zu den begehrtesten Hightech-Rohstoffen weltweit. Mit dem Aufschwung der Elektromobilität und anderen auf Lithium-Ionen-Akkus basierenden Technologien könnte der Lithiumbedarf schon in den nächsten Jahren die globalen Fördermengen überschreiten – es droht eine Lithiumknappheit. Bisher wird das Alkalimetall vor allem aus zwei Arten von Lagerstätten gewonnen: der Sole und den Ablagerungen von Salzseen oder lithiumhaltigen Silikatmineralen wie Spodumen und Smektiten. Diese treten oft in Verbindung mit hydrothermalen oder vulkanischen Ablagerungen auf.
In Deutschland gibt es Lithiumvorkommen beider Varianten: Es kommt im salzhaltigen Tiefenwasser des Oberrheingrabens vor und auch in Silikatmineralen des Erzgebirges.
Mehr Lithium als im Salar de Uyuni
Doch jetzt haben Geologen um Thomas Benson von der Columbia University in New York eine weitere, neue Art von Lithium-Lagerstätten entdeckt. Ausgangspunkt ihrer Studie war die McDermitt Caldera im Norden Nevadas, in der kürzlich ein Lithiumvorkommen entdeckt wurde. Schätzungen zufolge könnten dort 20 bis 40, vielleicht sogar 120 Millionen Tonnen Lithium im Untergrund lagern. „Diese Lagerstätte könnte damit gleichgroß, wahrscheinlich aber erheblich größer sein als das bisher größte Lithiumvorkommen der Erde in der bolivianischen Salar de Uyuni“, konstatieren die Forscher.
Grund für diesen Lithiumreichtum ist der ungewöhnlich hohe Anteil eines bestimmten, lithiumreichen Minerals in Teilen der McDermitt Caldera: Die sonst in ähnlichen Vorkommen typischen Smektite sind in Teilen dieser Lagerstätte zu Ilit umgewandelt – einem Schichtsilikat, bei dem zwischen den Siliziumdioxidschichten vermehrt Lithium eingelagert ist. „Der rund 40 Meter dicke Illit-Horizont am Thacker Pass enthält Illit mit bis zu 2,4 Gewichtsprozent Lithium“, berichten Benson und sein Team.
Damit enthält diese Schicht der McDermitt-Lagerstätte das weltweit lithiumreichste Tonmineral überhaupt, so die Forscher. Andere reiche Lithiumvorkommen haben typischerweise Lithiumanteile von unter einem Gewichtsprozent.
Ursprung liegt 16 Millionen Jahre zurück
Doch was ist die Ursache für diese extreme Lithiumanreicherung? Um das zu klären, haben Benson und seine Kollegen Bohrproben sowie seismische und geologische Daten aus der lithiumreichen Caldera untersucht. Auf Basis dieser Daten und geochemischen Modellen haben sie dann die Entstehung dieses neuartigen Lithiumvorkommens rekonstruiert.
Die Auswertung ergab: Die Anfänge der Lithium-Lagerstätte reichen rund 16 Millionen Jahre zurück. Damals verursachte vulkanische Yellowstone-Hotspot im gesamten Westen Nordamerikas eine mehr als 10.000 Jahre andauernde Phase wiederholter Ausbrüche. In deren Verlauf entstanden die ausgedehnten Columbia-Flutbasalte und auch der Vulkan unter der heute 45 Kilometer langen McDermitt-Caldera brach aus.
Magma, Hitze und hydrothermale Flüssigkeiten
„Bei der Eruption wurden rund tausend Kubikkilometer lithiumreiches, rhyolithisches Magma aus dem Untergrund des McDermitt-Kraters zutage gefördert“, berichten Benson und sein Team. Rund die Hälfte dieses Vulkanmaterials lagerte sich in der Caldera als gut einen Kilometer dicke Schicht ab. Weil das Magma des Vulkans besonders heiß und silikatreich war, dauerte es hunderttausende von Jahren, bis die Ablagerungen abkühlten. Parallel dazu bildete sich in der Senke ein See, dessen Wasser durch die noch immer ausgasenden und heißen Vulkanablagerungen alkalisch, mineralreich und warm war.
Genau diese Bedingungen schufen die Grundlage für den heutigen Lithiumreichtum der Lagerstätte: Der heiße Untergrund und die dort zirkulierenden alkalischen, heißen Flüssigkeiten lösten Lithium aus den vulkanischen Ablagerungen und reicherten es im Wasser des Caldera-Sees an. Dies führte dazu, dass die am Caldera-Grund abgelagerten Smektite – Schichtsilikate mit eingelagertem Magnesium – sich in Illit umwandelten. Erst dadurch konnten sich Ablagerungen mit dem ungewöhnlich hohen Lithiumanteil von bis zu 2,4 Prozent bilden.
„Die bis zu 300 Grad heißen hydrothermalen Flüssigkeiten, die in die Caldera einströmten, lieferten die Hitze und das Lithium, das für diese Umwandlung nötig waren“, erklären Benson und sein Team.
Gibt es solche Vorkommen auch anderswo?
Die Besonderheit des McDermit-Lithiumvorkommens liegt demnach im glücklichen Zusammentreffen von zwei Faktoren: Erstens förderte der urzeitliche Vulkanausbruch besonders lithiumreiches Magma zutage. Zweitens sorgte die hohe Temperatur der Vulkanablagerungen, die Präsenz hydrothermaler Fluide und ihre Ansammlung in der geschlossenen Caldera für die Umwandlung der Smektite zu lithiumreichen Illit. „Dies ist ein Phänomen, das bisher noch nicht bekannt war“, so die Geologen.
Damit ist diese Lagerstätte ein Sonderfall der sonst bekannten Lithiumvorkommen – und eine besonders ertragreiche Ressource. Nach Ansicht der Forscher eröffnen ihre Erkenntnisse damit die Chance, gezielt nach weiteren Lithiumvorkommen dieser Art zu suchen. „Solche Calderasysteme könnten die aussichtsreichsten Ziele für die Exploration sein und dazu beitragen, den weltweit steigenden Lithiumbedarf zu decken“, so Benson und sein Team. (Science Advances, 2023; doi: 10.1126/sciadv.adh8183)
Quelle: Science Advances, American Association for the Advancement of Science (AAAS)
