锂矿勘探有望获得巨大成功

锂！当今还有比它更热门的元素吗？我们摆脱石油产品能源的努力，至少在目前，依赖于锂及其在电池中的应用。锂离子电池是电动汽车、家庭电力储存以及几乎所有需要长时间供电的技术的核心。然而，锂的来源必须是某个地方，就像我们星球上的所有资源一样……而且与石油不同，它并非来自生命。

锂是一种奇特的元素。它是第三轻的元素，原子核有3个质子。地球上大部分的锂是锂-7同位素，意味着其原子核有3个质子和4个中子。一小部分是锂-6，少一个中子。

作为如此简单的元素，它确实是在宇宙大爆炸时与氢和氦一起产生的。然而，由于恒星核聚变的过程，锂的丰度远不如许多比它重的元素。事实上，宇宙元素组成中的“锂凹陷”（见上图）意味着锂的丰度大约是氦（元素2）的1000万倍，碳（元素6）的10万倍。

当地球从原始太阳星云形成时，氢、氦和锂等轻元素大多被排除在地壳的物质之外（除了水中的氢）。今天的估计表明，地壳的锂含量约为0.002%，排名介于钪和铌等元素之间——这些并非日常元素。

如今的锂矿开采

目前，世界上大部分的锂矿来自澳大利亚和智利/阿根廷的矿藏。这是因为锂的开采地点主要有两种类型：（1）火成岩（源自岩浆）矿藏和（2）干涸湖泊的沉积矿藏。世界上最大的锂矿藏之一位于玻利维亚几乎干涸的湖床——乌尤尼盐沼中的沉积物里，而智利/阿根廷的矿藏也源于类似的成因。澳大利亚的大部分矿藏是西澳大利亚的“硬岩”型矿藏。

美国……嗯，目前它自己并不生产多少锂。内华达州有一家仍在运营的锂矿，从卤水（富含矿物质的水）中提取锂，这更像是南美洲的矿藏。

美国进口的锂仅占其使用量的约25%，但这实际上是因为美国本土使用的锂很少。全球锂的80%以上用于制造电池，但美国目前几乎没有这项产业。根据美国地质调查局的数据，2022年美国使用了约3000吨锂。相比之下，中国及其锂电池产业在2021年使用了超过30万吨！

因此，真正的问题不是中国没有生产更多锂——它确实有一些锂矿藏，但并不富集。然而，它确实比世界上任何国家都处理更多的锂并制造电池。美国关于电动汽车税收抵免的许多规定都与将锂的生产和加工从中国转移到美国及其盟友有关。

美国正在投资近20亿美元用于识别锂矿藏，以便该国能够从目前唯一的锂矿扩展。主要在美国西部地区已确定了多个新的矿藏。其中一个似乎是目前的“宝藏”，可能是地球上最大的锂矿藏。

喷发锂的火山

麦克德米特火山口位于俄勒冈州和内华达州边境。它可以被认为是黄石火山口的曾曾曾祖父，意味着它是目前位于怀俄明州地幔柱最早被识别出来的表现之一。在麦克德米特火山口活跃的1500万至1700万年前，它产生了巨大的爆炸性火山喷发，喷出超过1000立方公里的火山灰和碎片。

得益于这些火山沉积物一些独特的化学性质，麦克德米特火山口的喷发引发了一系列地质过程，最终形成了极其丰富的锂矿藏。这总共可能为该火山口地区提供超过2000-4000万公吨的锂资源——这一数量将使美国成为全球领先的锂供应商之一。该矿藏的历史最近在一篇由Thomas Benson 等人在 Science Advances发表的研究论文中有详细介绍。

麦克德米特火山口的锂是偶然形成的。首先，你需要一次能形成火山口的喷发。这发生在约1630万年前，当时麦克德米特火山口在一次可与现代黄石火山口最大规模喷发相媲美的喷发中形成。

由于岩浆部分是由下方北美地壳的融合形成的，锂等元素在该熔岩中被富集。一旦喷发发生，1000立方公里的物质有一半以火山碎屑流的形式离开了该区域，而另一半则落入喷发期间陆地坍塌形成的火山口中。

现在，你有一个约500立方公里的炽热火山碎屑在一个封闭的盆地（火山口）中。当它开始冷却时，盆地会充满水和沉积物，从中溶解出一些锂并使其在沉积物中富集。然后，随着火山口（尤其是在其下方）持续的火山活动，热流通过断层和裂缝上升，溶解出更多的锂，并保持部分沉积物温暖。

在此过程中，你会进行一次奇妙的转化。你将一种富含镁的粘土转化为一种富含锂的粘土（称为伊利石）。这些粘土是由火山口中的火山玻璃和矿物质分解形成的，然后由于热液蚀变——加热流体可以添加或移除元素的这个过程——而富含锂。

美国是否找到了锂的“宝藏”？

最终，麦克德米特火山口地区的粘土锂含量高达5%至12%（按重量计）！这意味着大量的锂集中在这些粘土矿物中。考虑到含有这些粘土的湖泊沉积物的规模和厚度，这个锂矿藏的规模可能比目前全球锂资源冠军乌尤尼盐沼大数倍。

当然，这一切并非没有后果。显然，关于如何开采和加工锂的环保问题需要得到解答。露天开采需要大量的水并破坏地表生态系统。如果锂的开采造成与它要替代的物质相同的局部或全球环境破坏，那么这样做还有什么意义呢？这些问题目前还没有答案。

然而，我们确实知道，美国面临着巨大的压力来建立更好的锂储备，而麦克德米特火山口可能是实现这一目标的第一步。既然我们已经找到了一个可能获得这种稀有元素的地点，解决利用这些锂可能造成的潜在环境破坏问题可能是下一步的重大挑战。