Genesis and distribution of lithium enriched pore brines at the Salar de Uyuni, Bolivia

Autor: Schmidt, Nadja
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2019
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Druh dokumentu: Text<br />Doctoral Thesis
Popis: With a size of ~10,000 km² the Salar de Uyuni is the largest salt lake in the world. It is located at a height of 3,653 m a.s.l. in the southern part of the Bolivian Altiplano, an endorheic high plateau separating the Eastern and Western cordillera of the Andes. The salt flat is characterized by an alternating sequence of evaporate layers mainly consisting of halite and lacustrine mud layers up to a depth of at least 220 m, whereby the stratification is ascribed to the alternation of dry and humid climatic phases during the Quaternary. With estimated 7 Mio tonnes in brine, the salt lake is considered the world’s largest Li deposit. Knowledge About genesis and distribution of Li is essential for the possible extraction of Li and other valuable elements from the brine in a commercial scale, which is the driving force for the Investigation of hydrochemical properties of the Salar de Uyuni. Practical work comprised the sampling of brines from drilled wells and along transects, salts from the surface, sampling of streams, rocks and sediments in the catchment, as well as chemical and isotopical analyses. The surface catchment, delineated with ArcGIS, has a size of 63,000 km² and is mainly characterized by volcanic deposits as ignimbrites, and unconsolidated sediments, salt deposits and lacustrine material in widespread flood plains. The pores of the upper salt crust, which shows a varying thickness of 2-11 m, are filled with a saturated NaCl brine rich in Mg, K, Li and B. The distribution of Li along the salt lake is inhomogeneous, with two regions of significantly higher concentrations up to 1.5 g/L in the southern part near the delta of the main inflow Río Grande and in the northern part, compared to an average of 0.3-0.4 g/L in brine. The age of brines from the upper salt crust was determined to 6,200 - 13,340 years, corresponding in age to the surrounding evaporates and showing a stable stratification with depth. However, a local mixing of the brine with freshwater feeding from groundwater Aquifers especially near the shore of the salar was observed by the analysis of δ2H and δ18O in the brines. The distribution of stable isotopes also shows the strong influence of evaporation, even smaller tributaries feeding the Río Grande are enriched in heavy isotopes of H and O. Element to bromine ratios in the brine showed that Li, K and Mg are not removed from solution by the formation of precipitates, but are rather released from clay minerals by ion exchange leading to their enrichment in the pore brine. Analyzed rocks, mostly of rhyolitic and dacitic type, show moderate lithium concentrations in the range of 4 to 37 mg/kg. Different types of digestion revealed that rock types occurring in the Salar de Uyuni catchment are a substantial supplier of lithium by the intensive physical and chemical weathering due to the specific environmental conditions. Increased Lithium concentrations in rock and sediment samples from the volcano flanks south of the salar indicate, that the southern catchment is the main supplier of lithium to the salt lake. The enrichment of lithium could also be observed by the analysis of superficial salts from the upper crust. Salt efflorescences are significantly enriched regarding Li, K, Mg and other Ions compared to the surface within the polygons. The enrichment of Li in brine occurs all-Season along shrinkage cracks at polygon borders, where brine rises up, water evaporates and NaCl precipitates, leaving a solution even more concentrated in Li and other solutes as Br, B, K and Mg. In conclusion, the accumulation of lithium in the brine of the Salar de Uyuni results from the combination of various site-specific circumstances, which are analyzed and discussed in the present thesis.
Mit einer Größe von ~10.000 km² ist der Salar de Uyuni der größte Salzsee der Welt. Er befindet sich auf einer Höhe von 3.653 m im Süden des bolivianischen Altiplano, einer abflusslosen Hochebene zwischen der Ost- und Westkordillere der Anden. Der Salzsee besteht bis zu einer Tiefe von mind. 220 m aus einer Wechselfolge evaporitischer Schichten (hauptsächlich halitisch) und lakustrinen Tonschichten, wobei die Schichtung auf den Wechsel von trockenen und feuchten klimatischen Phasen während des Quartärs zurückzuführen ist. Mit einer geschätzten Menge von 7 Mio. t gilt der Salzsee als die gegenwärtig größte Li-Ressource der Welt. Das Wissen über Genese und Verteilung von Li ist grundlegend für eine mögliche Gewinnung von Li und anderen Elementen in kommerziellem Maßstab, worin sich die Motivitation für die Untersuchung hydrochemischer Eigenschaften des Salar de Uyuni begründet. Praktische Tätigkeiten umfassten die Probenahme von Solen aus eigens gebohrten Brunnen und entlang von Transekten, die Entnahme von Oberflächensalzen, die Beprobung von Zuflüssen, Gesteinen und Sedimenten im Einzugsgebiet, sowie deren chemische und isotopische Analytik. Das oberflächliche, mittels ArcGIS ermittelte Einzugsgebiet, weist eine Größe von 63.000 km² auf und besteht hauptsächlich aus vulkanischen Gesteinen wie Ignimbriten und unverfestigten Ablagerungen, Salzausblühungen und lakustrinen Sedimenten in ausgeprägten Überschwemmungsebenen. Die Poren der obersten, zwischen 2 und 11 m mächtigen Salzschicht, sind mit einer an NaCl gesättigten Salzlösung, die reich an Mg, K, Li und B ist, gefüllt. Die inhomogene Verteilung von Li im Salzsee weist zwei Bereiche signifikant erhöhter Konzentrationen von bis zu 1,5 g/L auf, und zwar im südlichen Einmündungsbereich des Hauptzuflusses Río Grande und im Nordosten etwa 20 km von der Küste entfernt, verglichen mit einem durchschnittlichen Gehalt von 0,3-0,4 g/L in der Sole. Das Alter der Solen der obersten Salzkruste wurde auf 6.200 – 13.340 Jahre bestimmt, was dem Alter der umgebenden Evaporite entspricht und eine stabile Schichtung aufweist. Allerdings weist die Analytik von δ2H und δ18O auch auf eine lokale Vermischung der Sole mit Frischwasser aus ufernahen Aquiferen hin. Die Verteilung der stabilen Isotope δ²H und δ18O deutet auf einen signifikanten Einfluss der Verdunstung auf die Entwicklung der Porenlösung hin, denn auch kleinere Zuflüsse zum Salar sind angereichert an 2H und 18O. Das Verhältnis verschiedener Elemente zu Brom zeigt, dass Li, K und Mg weniger durch die Ausfällung von Salzen aus der Lösung entfernt, sondern eher durch Ionenaustausch aus Tonmineralen freigesetzt und folglich in der Sole angereichert werden. Die analysierten Gesteine, hauptsächlich rhyolitischen und dazitischen Typs, weisen moderate Lithiumkonzentrationen von 4 – 37 mg/kg auf. Die Anwendung verschiedener Aufschlüsse zeigte, dass die im Einzugsgebiet des Salar de Uyuni vorkommenden Gesteinstypen aufgrund der intensiven physikalischen und chemischen Verwitterung unter den spezifischen Umweltbedingungen eine wesentliche Quelle des Lithiums im Salzsee sind. Erhöhte Li-Konzentrationen in Gesteinen und Sedimenten der vulkanischen Flanken südlich des Salars deuten auf das südliche Einzugsgebiet als hauptsächlichen Zulieferer für Li hin. Die Anreicherung von Li wurde auch mittels der Untersuchung der Salze der obersten Kruste bestätigt. Im Vergleich zur Oberfläche innerhalb der Polygone sind die Salzausblühungen entlang der Polygonränder signifikant an Li, K, Mg und anderen Ionen angereichert. Die Anreicherung von Li geschieht ganzjährig entlang der Schrumpfungsrisse an Polygonrändern, indem die Sole durch kapillare Kräfte aufsteigt, Wasser verdunstet und NaCl ausfällt. Schließlich bleibt eine an Li und anderen Ionen wie Br, B, K und Mg noch stärker aufkonzentrierte Lösung zurück. Schlussfolgernd resultiert die Akkumulation von Lithium in der Porenlösung aus der Kombination zahlreicher standortspezifischer Faktoren, welche innerhalb der vorliegenden Arbeit untersucht und bewertet wurden.
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