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- 맥더밋 칼데라(McDermitt Caldera) 광상에는 중량 기준 최대 2.4%의 리튬이 포함
- 이곳 지하에는 20~40톤, 어쩌면 1억 2천만 톤의 리튬이 저장될 수 있는 것으로 추산
- 볼리비아 살라르 데 우유니에 있는 세계 최대 리튬 매장지보다 훨씬 클 것
- 칼데라 바닥에 퇴적된 스멕타이트(마그네슘이 내장된 층상 규산염)가 일라이트로 변해

새로운 형태의 리튬 매장지 발견
네바다주의 화산 퇴적물은 세계에서 리튬 함량이 가장 높다.

풍부한 원자재 공급원:
세계에서 가장 큰 리튬 매장지 중 하나가 미국 네바다주 북부에 위치할 수 있으며, 지질학자들이 발견한 완전히 새로운 유형의 리튬 매장지다. 맥더밋 칼데라(McDermitt Caldera) 광상에는 이전에 기록된 것보다 더 많은 중량 기준 최대 2.4%의 리튬이 포함돼 있다. 이 새로운 광상은 두 가지 지질학적 과정이 우연히 일치하여 풍부한 리튬을 보유하게 되었다. 이 지식은 이제 유사한 리튬 매장지를 다른 곳에서 찾는 데 도움이 될 수 있다. 

▲ 지구상에서 가장 풍부한 리튬 매장지 중 하나가 네바다 북부의 눈에 띄지 않는 이 지역에 숨겨져 있다. © Ara Gill/ Getty images

리튬은 전 세계적으로 가장 인기 있는 첨단 원료 중 하나다. 리튬 이온 배터리를 기반으로 한 전기 자동차 및 기타 기술의 증가로 인해 리튬 수요는 향후 몇 년 내에 전 세계 생산량을 초과할 수 있으며, 리튬 부족 위험이 있다. 지금까지 알칼리 금속은 주로 두 가지 유형의 광상, 즉 염수 광상과 염호 광상 또는 스포듀민 및 스멕타이트와 같은 리튬 함유 규산염 광물에서 추출되었다. 이는 종종 열수 또는 화산 퇴적물과 함께 발생한다. 독일에는 두 가지 변형의 리튬 매장지가 있다. 이는 라인 상류 그라벤의 염분 심해와 광석 산맥의 규산염 광물에서도 발생한다.

▲ 그림 1. 세계 리튬 자원의 유형과 상대적 규모를 보여주는 지도. 현재 생산되는 스포듀민은 주로 호주(47%)의 페그마타이트와 칠레(30%), 중국(12%), 아르헨티나(5%)(2)의 염원 지하 염수에서 나온다.

Salar de Uyuni보다 더 많은 리튬

이제 뉴욕 컬럼비아 대학의 토마스 벤슨(Thomas Benson)이 이끄는 지질학자들은 또 다른 새로운 유형의 리튬 매장지를 발견했다. 이번 연구의 출발점은 최근 리튬 매장지가 발견된 네바다주 북부의 맥더미트 칼데라(McDermitt Caldera)였다. 이곳 지하에는 20~40톤, 어쩌면 1억 2천만 톤의 리튬이 저장될 수 있는 것으로 추산된다. 연구원들은 "이 매장량은 크기가 같을 수 있지만 아마도 볼리비아 살라르 데 우유니(Salar de Uyuni)에 있는 세계 최대의 리튬 매장지보다 훨씬 클 것"이라고 말했다.

리튬이 풍부한 이유는 McDermitt Caldera의 일부에서 리튬이 풍부한 특정 광물의 비율이 비정상적으로 높기 때문이다. 유사한 퇴적물의 전형적인 스멕타이트가 이 퇴적물의 일부에서 일라이트로 전환되었다. 이산화규소층 사이에는 더 많은 리튬이 내장돼 있다. Benson과 그의 팀은 "Thacker Pass의 약 40미터 두께의 일라이트 수평선에는 최대 2.4%의 리튬이 포함되어 있다"고 보고했다.

연구원들에 따르면, McDermitt 매장지의 이 층은 세계에서 가장 리튬이 풍부한 점토 광물을 함유하고 있다. 다른 풍부한 리튬 매장지는 일반적으로 리튬 함량이 1% 미만이다.

▲ 그림 2. McDermitt 칼데라의 리튬 광물화. (A) McDermitt Caldera의 단순화된 지도, 활동적이고 역사적인 광산 프로젝트 위치, 최대 다운홀 Li 분석 값에 따라 색상이 지정된 드릴홀 위치, 본 연구에 사용된 드릴홀 샘플 위치. (20)에서 수정된 지질학. (B) Thacker Pass 프로젝트의 대표적인 드릴홀 WLC-043. 다운홀 전체 암석 Li 값(ppm)은 검은색 원으로 표시되고 위쪽 x 축에 표시된다. Clay(001) d-간격 값(옹스트롬)은 빨간색 사각형으로 표시되며 아래쪽 x축에 표시된다. Li 농도는 점토(001) d-간격이 감소함에 따라 증가하며, 이는 등급이 높을수록 일라이트 점토와 관련이 있음을 보여준다. (8, 10, 11, 28, 29) 및 이전에 공개되지 않은 Lithium Americas Corp. 시추의 드릴홀 데이터. (출처: 관련논문 Hydrothermal enrichment of lithium in intracaldera illite-bearing claystones / Science Advances/ 30 Aug 2023. Vol 9, Issue 35)

기원은 1천600만 년 전으로 거슬러 올라간다.

그런데 이렇게 리튬이 극도로 농축되는 원인은 무엇일까요? 이를 명확히 하기 위해 Benson과 그의 동료들은 드릴 샘플과 리튬이 풍부한 칼데라의 지진 및 지질학적 데이터를 조사했다. 이 데이터와 지구화학적 모델을 바탕으로 그들은 새로운 유형의 리튬 매장지의 형성을 재구성했다.

평가 결과:
리튬 매장지의 시작은 약 1,600만년 전으로 거슬러 올라간다. 당시 옐로스톤 화산 열점은 북미 서부 전역에 걸쳐 1만 년 이상 지속되는 반복적인 폭발을 일으켰다. 이 과정에서 광대한 컬럼비아 홍수 현무암이 형성되었고, 현재 길이 45km에 달하는 맥더미트 칼데라 아래 화산도 폭발했다.

마그마, 열 및 열수 유체

Benson과 그의 팀은 "이 폭발로 인해 McDermitt Crater 지하 표면에서 리튬이 풍부한 유문암 마그마 약 천 입방 킬로미터가 발굴되었다"고 말했다. 이 화산 물질의 약 절반은 칼데라에 1km 두께의 층으로 퇴적되었다. 화산의 마그마는 특히 뜨겁고 규산염이 풍부했기 때문에 퇴적물이 식는 데 수십만 년이 걸렸다. 동시에, 함몰부에 호수가 형성되었는데, 그 물은 여전히 ​​가스가 배출되고 뜨거운 화산 퇴적물로 인해 알칼리성이며 미네랄이 풍부하고 따뜻했다.

매장지의 현재 리튬 풍부함을 위한 기초를 만든 것은 바로 이러한 조건이었다. 뜨거운 지하와 그곳을 순환하는 알칼리성 뜨거운 액체는 화산 퇴적물에서 리튬을 용해시키고 칼데라 호수의 물에서 리튬을 농축시켰다. 이로 인해 칼데라 바닥에 퇴적된 스멕타이트(마그네슘이 내장된 층상 규산염)가 일라이트로 변하게 되었다. 그래야만 최대 2.4%의 비정상적으로 높은 리튬 함량을 갖는 침전물이 형성될 수 있다.

Benson과 그의 팀은 “칼데라로 유입된 열수 유체는 최대 300도에 달하는 온도에 도달하여 이러한 변화에 필요한 열과 리튬을 제공했다”고 설명했다.

다른 곳에서도 그런 일이 있을까?

McDermit 리튬 매장지의 특별한 특징은 두 가지 요소가 운 좋게도 일치한다는 점이다.
첫째, 선사시대 화산 폭발로 인해 특히 리튬이 풍부한 마그마가 밝혀졌다. 둘째, 화산 퇴적물의 높은 온도, 열수 유체의 존재 및 폐쇄된 칼데라에서의 축적으로 인해 스멕타이트가 리튬이 풍부한 일라이트로 변형되었다. 지질학자들은 “이것은 이전에는 알려지지 않았던 현상”이라고 말했다.

따라서 이 광상은 알려진 리튬 광상 중 특별한 경우이며 특히 생산적인 자원이다. 연구원들에 따르면, 그들의 발견은 이러한 유형의 추가 리튬 매장지를 구체적으로 검색할 수 있는 기회를 열어준다. Benson과 그의 팀은 “이러한 칼데라 시스템은 탐사를 위한 가장 유망한 목표가 될 수 있으며 증가하는 전 세계 리튬 수요를 충족하는 데 도움이 될 수 있다”고 말했다. (Science Advances, 2023; doi: 10.1126/sciadv.adh8183)
출처: Science Advances, American Association for the Advancement of Science (AAAS)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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