Lithium-Initiative Freiberg

Hydrogeologie und Hydrochemie des Salar de Uyuni


Lithium-Initiativ





Einführung
Die ersten Untersuchungen zu den hydraulischen und hydrochemischen Verhältnissen am Salar de Uyuni in Bolivien durch die TU Freiberg begannen im Sommer 2009. Seitdem konnten, in Zusammenarbeit mit der Universidad Autónoma Tomás Frías in Potosí, Bolivien, mehrere Bohr- und Probenahmekampagnen realisiert werden. Hintergrund der Untersuchungen ist das zunehmende Interesse an dem riesigen Vorkommen von Lithium in der Porenlösung der Salzkruste. Über die hydrogeologische Charakterisierung des Systems Salar de Uyuni ist bisher wenig bekannt. Die Gesamttiefe der Evaporit- und Sedimentschichten sind dabei genauso wenig erschlossen wie die Strömungsverhältnisse und die Veränderungen im Chemismus der Salzlösung mit der Tiefe. Dies sind die wichtigsten Fakten zum Salar de Uyuni:

  • Lage: Südwesten Boliviens im Altiplano (Hochebene zwischen der östlichen und westlichen Andenkordillere)
  • Höhe: 3.653 m NN
  • Fläche: 10.580 km²
  • Klima: aride bis semi-aride Bedingungen, Niederschlag: 150 mm/a, Jahresdurchschnittstemperatur: 5°C
    Regenzeit: Dezember - März, in dieser Zeit ist der Salar größtenteils mit Wasser bedeckt
    Trockenzeit: April - November, während dieser Monate ist die Oberfläche zu einer extrem harten, befahrbaren Salzkruste zementiert, Bildung von charakteristischen Polygonstrukturen
  • geschätzte Salzmenge (oberste Kruste mit max. 10 m Tiefe): ~ 66 Mrd. t (Risacher & Fritz 1991)
  • geschätzter Lithiumvorrat (oberste Kruste mit max. 10 m Tiefe): ~ 5,4 Mio. t (USGS 2007)
  • aktueller Salzabbau: ~ 25.000 t/a (ausschließlich für Speisesalzgewinnung)


links: Lage des Salar de Uyuni im bolivianischen Altiplano (Fritz et al. 2004); rechts: 3D-Modell des Salars mit umliegenden Gebirgszügen

Aktueller Kenntnisstand

Entstehung des Salars
Der Salar de Uyuni ist ein abflussloses Becken im Altiplano, einer Hochebene in den Anden. Durch den Wechsel von Trocken- und Feuchtzeiten im Laufe der Erdgeschichte bildete sich eine Wechselfolge von Salzschichten und Seesedimenten heraus. Die oberste Salzschicht besitzt dabei eine Mächtigkeit von bis zu 11 m. Anhand von Bohrungen im Sediment konnten bisher 11 lakustrine Phasen identifiziert werden. Die beiden jüngsten Phasen sind durch den Paläosee Tauca vor 12.000 - 16.000 Jahren sowie durch den Minchin-See vor 30.000 - 73.000 Jahren entstanden. Altersdatierungen einer vulkanischen Ascheschicht 46 m unter der Oberfläche des Salars ergab ein Alter von 191.000 +/- 5.000 Jahren (Fornari et al. 2001). Die tiefste bisher im Salar durchgeführte Bohrung deutet darauf hin, dass die Mächtigkeit der Salz-Ton-Wechsellagerung stellenweise größer als 180 m ist (Fritz et al. 2004).

Charakterisierung des Salzes
Während der Regenzeit (zwischen Dezember und März) ist der Salar größtenteils mit Wasser bedeckt. In der anschließenden Trockenperiode bildet sich durch die starke Verdunstung; der oberflächennahen Salzlösung eine extrem harte, zementierte Kruste. Auf der Oberfläche der Kruste entsteht durch kapillaren Aufstieg von Salzlösung entlang von Trockenrissen ein charakteristisches Hexaeder-Muster. Das Salz besteht hauptsächlich aus Halit (~90 wt%) mit geringen Anteilen an Gips (4 wt%), die Sedimentschichten dagegen größtenteils aus Calcit vermischt mit vulkanischem Material (Fornari et al. 2001). Die Porosität der Salzschichten wird auf durchschnittlich 20 - 40% geschätzt. Poren und Hohlräume sind mit einer hochsalinaren Salzlösung gefüllt. Der Wasserspiegel befindet sich während der Trockenzeit nur 15 - 20 cm unterhalb der Salzoberfläche.



Chemie der Salzlösung
Die Salzlösung ist überwiegend vom Na-Cl-Typ und durch hohe Gehalte an Lithium (bis zu 4,7 g/L) und Bor (bis zu 4,3 g/L) gekennzeichnet (Risacher und Fritz 1991). Die Gehalte an Lithium und anderer Elemente nehmen dabei mit zunehmender Entfernung vom Delta des Rio Grande nach Norden hin ab.

Es gibt verschiedene Ansätze zur Erklärung der Herkunft der hohen Salz- und insbesondere Lithiumgehalte:
  • Auslaugung von älteren Evaporiten aus dem Einzugsgebiet
  • Eintrag von Verwitterungsmaterial vulkanischer Gesteine aus dem umliegenden Gebirge
  • Hydrothermale Einflüsse
  • trockene oder nasse Deposition
  • Versickerung der Salzlösung in tiefere Schichten und Diffusion bestimmter Lösungskomponenten, dadurch Fraktionierung und Anreicherung einzelner Elemente (Lithium)










Schichtenaufbau des Salars: S - Salz,
L - Lakustrine Sedimente (aus Fornari et al. 2001)

Ziele der Erkundung/Fragestellungen
  • Gibt es signifikante Konzentrationsunterschiede bezüglich Lithium in tiefer gelegenen Salzschichten?
  • Ermittlung der räumlichen Verteilung von Lithium, Bor, Brom und anderer Elemente (horizontale und vertikale Verteilung)
  • Wie sind die hohen Lithium-Gehalte in der Salzlösung entstanden (welche Quellen gibt es für das Lithium)?
  • Charakterisierung der hydrogeologischen und hydrochemischen Eigenschaften der Salz- und Tonschichten (Durchlässigkeiten, Porositäten, Mineralphasen, etc.)
  • Gibt es hydraulisch voneinander getrennte Grundwasserstockwerke?
  • Gibt es signifikante Dichteunterschiede und dichtegetriebene Strömung?
  • Welche Auswirkungen auf die Umwelt sind durch eine Förderung der Salzlösung zu erwarten (z.B. Nutzung der Frischwasservorkommen in der Umgebung für die Lithium-Produktion)?
  • Was geschieht mit wirtschaftlich uninteressanten Nebenprodukten? Kann die aufkonzentrierte Prozesslösung nach der Extraktion von Lithium und anderer Elemente wieder in den Salar eingebracht werden? Welche Auswirkungen hat dies auf die Hydraulik des Salars?
Methodische Vorgehensweise
  • Flachbohrungen bis max. 15 m Tiefe zur Gewinnung von Bohrkernen
  • Ausbau der Bohrlöcher zu Brunnen bzw. Grundwassermessstellen
  • Durchführung von Pumpversuchen unter Berücksichtigung der Viskosität der Sole
  • Tiefenabhängige Wasserprobenahme
  • Geophysikalische Untersuchungen: Bohrlochgeophysik (Temperatur-, Leitfähigkeits-Log, Gamma-Log, Akustik-Log)
  • Analytik der Wasserproben (Vor-Ort-Analytik, Hauptanionen und -kationen, Spurenelemente)
  • Isotopenuntersuchungen (14C, 13C, 18O, 2H, 34S, 6Li, 87Sr, 10B, 36Cl)
  • Tiefbohrungen bis 150 m mit Kerngewinn an mindestens 3 Punkten auf dem Salar




Feldkampagnen
1. Bohrkampagne (Jun. bis Okt. 2009)
Eine erste Feldkampagne fand während der Trockenzeit 2009 statt. Bolivianische und deutsche Wissenschaftler und Studenten führten an 2 Standorten auf dem Salar de Uyuni Bohrungen mit einem eigens aus Deutschland importierten Bohrgerät durch. Dabei wurden insgesamt 60 m Kernmaterial gewonnen. Pumpversuche an beiden Standorten ergaben eine hohe Durchlässigkeit der obersten Salzschicht für die hochsaline Lösung.

Eindrücke der Feldkampagne (August bis Oktober 2009)


Voller Körpereinsatz bei den Bohrarbeiten auf dem Salar de Uyuni, September 2009


   
Einsatz des Bohrgerätes (links), Spülung des Bohrloches mit Salzlösung um Tonschicht zu entfernen (rechts)


      
Beispiele für gewonnene Salzkerne mit Hohlräumen und großen Halitkristallen



Lagerung der Bohrkerne zur Dokumentation



Sichere Verpackung der Bohrkerne in Plastikrohren für den langen Transport nach Deutschland


   
Anfertigung von Schlitzfiltern für den Brunnenausbau (links), fertig ausgebauter Brunnen (rechts)



Einbringen einer 12 m langen Verrohrung


2. Bohrkampagne (Sept. bis Dez. 2010)
Die zweite Feldphase fand, erneut während der Trockenzeit, im Jahr 2010 statt. Eine größere Gruppe bestehend aus Studenten und Wissenschaftlern beider Länder führte Bohrungen und Probenahmen an insgesamt 9 Standorten aus. Eine Reihe an Pumpversuchen diente der Untersuchung der Variabilität der Durchlässigkeit an verschiedenen Standorten auf dem Salar. Eine große Menge an Kernmaterial und Proben der Lösung konnte gewonnen werden und wurden in verschiedenen Institutionen untersucht.

Probenahme-Kampagne (Mai 2011)
Im Mai 2011, kurz nach Ende der Regenzeit, fand eine Probenahme-Kampagne auf dem Salar de Uyuni statt. Die vorhandenen Brunnen wurden dabei mit einer kleinen Pumpe beprobt, um eine Aussage über Veränderungen im Chemismus der Lösung im Verlauf des Jahres und dem Wechsel von Regen- und Trockenzeiten zu treffen. Die Proben befinden sich gegenwärtig in der Auswertung.

Laufende Qualifizierungsarbeiten
Dipl.-Geoökol. Robert Sieland (Dissertation):
Hydraulic and geochemical properties of the Salar de Uyuni (Bolivia)

Dipl.-Geoökol. Nadja Schmidt (Dissertation):
Hydrochemical investigations in Salars with regard to the enrichment and distribution of lithium

Judith Heinrich (Diplomarbeit):
Chemische und Isotopenuntersuchungen der Salzlösungen des Salar de Uyuni (Bolivien)

Abgeschlossene Qualifizierungsarbeiten
Anna Seither (Studienarbeit, 2012):
Chlorine-36 analysis of brine solutions from the Salar de Uyuni, Bolivia

Nadja Schmidt (Diplomarbeit, 2010):
Hydrogeological and hydrochemical investigations at the Salar de Uyuni (Bolivia) with regard to the extraction of lithium. Freiberg Online Geology 26
Weiterführende Literatur
Fritz S.C., Baker P.A., Lowenstein T.K., Seltzer G.O., Rigsby C.A., Dwyer G.S., Tapia P.M., Arnold K.K., Ku T.-L., Luo S. (2004): Hydrologic variation during the last 170,000 years in the southern hemisphere tropics of South America. Quaternary Research 61: 95-104.

Fornari M., Risacher F., Féraud G. (2001): Dating of paleolakes in the central Altiplano of Bolivia. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 172: 269-282.

Risacher F., Fritz B. (1991): Quaternary geochemical evolution of the salars of Uyuni and Coipasa, Central Altiplano, Bolivia. Chemical Geology 90: 211-231.

USGS 2007: Lithium, http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/lithium/lithimcs06.pdf (3.10.2010)

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