关于高纯石英原料矿石地质学评价方法的探讨.pdf

书书书 （）：岩石学报 ：张亮，刘磊，朱黎宽等 关于高纯石英原料矿石地质学评价方法的探讨 岩石学报，（）：，：关于高纯石英原料矿石地质学评价方法的探讨张亮，刘磊，朱黎宽，王红杰，原垭斌 ，中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所，郑州 国家非金属矿资源综合利用工程技术研究中心，郑州 自然资源部高纯石英资源开发利用工程技术创新中心，郑州 中国科学院深海科学与工程研究所，三亚 ，收稿，改回 ，（）：，：，：（），（）；，（）：，（），：，（），（），（），；摘要高纯石英资源是一种重要的战略性资源。本文结合高纯石英成矿地质特征及其对后期选矿提纯、材料加工等的影响，系统总结了高纯石英原料中杂质的赋存状态、形成机理以及评价方法等，得出：（）可以作为高纯石英原料的潜在岩石类型有花岗伟晶岩（包括不含暗色矿物的伟晶状花岗岩）、脉石英以及水晶，岩浆演化晚期的伟晶状花岗岩 伟晶岩早期阶段的 型花岗伟晶岩结晶形成的石英纯度更高，后期适当的变形变质作用更有利于高纯石英矿床的形成。高纯石英原料矿石中石英矿物呈现无色透明至半透明，矿物构造裂隙少，伟晶岩型矿石矿物组成通常为石英、钠长石、条纹长石、白云母等，黑本文受中国地质调查局地质矿产调查评价项目（、）和国家自然科学基金项目（）联合资助第一作者简介：张亮，男，年生，副研究员，主要从事矿床地质及矿产经济研究，：云母等暗色矿物含量极少，基本不见锂辉石、独居石等稀有金属矿物和电气石、萤石等含挥发分矿物。（）影响高纯石英的主要地质因素包括脉石矿物及晶界杂质、包裹体、晶格杂质等。其中包裹体类型、数量和尺寸是包裹体评价的关键指标，天然石英矿物中的气液两相包裹体、矿物包裹体和 包裹体应尽量少；和 是晶格杂质元素评价标志性元素，通常要求天然石英矿物中 和 。（）建议按照手标本特征 石英矿物特征 石英中包裹体特征 晶格元素赋存状态及含量的顺序，从宏观到微观，综合借助光学显微镜、扫描电子显微镜（）、阴极荧光光谱分析系统（）、激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（）等开展地质学评价和研究工作。关键词高纯石英；矿石特征；包裹体；晶格杂质元素；评价方法中图法分类号 高纯石英具有耐高温、化学性质稳定、强度高、透光率高等优异的物理化学特性，广泛应用于半导体、光伏、光纤通信、光学、电光源等领域，是新一代信息技术、新能源、高端装备等战略性新兴产业的关键基础材料（张海?等，）。高纯石英对杂质元素、包裹体、羟基、粒度等有严格要求，目前全球可以加工高纯石英的矿床非常稀少，主要分布于美国、挪威、俄罗斯、印度、安哥拉等国家，矿床类型主要为花岗伟晶岩型（含伟晶状花岗岩型）、脉石英和水晶（，；王九一，；张海?等，；汪灵，；，），其中花岗伟晶岩型高纯石英矿床规模大、品质好，是目前全球最重要矿床类型。我国是全球最大高纯石英消费国，国内高纯石英生产企业（如石英股份、福东正佑等）所需原料矿石基本依赖进口，对外依存度超过 ，高纯石英资源短缺的严峻形势对高纯石英地质找矿研究和评价提出了更高的要求，科学评价高纯石英资源、保障高纯石英资源安全供给迫在眉睫。国外针对高纯石英原料资源开展研究相对较早，在高纯石英矿床成因及矿床特征、杂质赋存状态、常用地质评价方法等方面取得了一定的研究成果。成因方面，目前高纯石英矿床成因尚未完全明确，研究多集中于伟晶岩岩石成因。通过伟晶岩成因能一定程度反映伟晶岩型高纯石英矿床成因，通常认为花岗伟晶岩成因模型有两种，一是花岗质岩浆结晶分异模型（，；，；，），一是地壳部分熔融模型（，；，；，），一般认为形成高纯石英的花岗伟晶岩经历了岩浆分异，伟晶岩中石英的化学成分主要受伟晶岩熔体和伟晶岩形成的地球动力学环境控制（，；，；，；，；，；，；，），花岗质岩浆能否演化出伟晶岩浆，并最终形成高纯石英矿床，可能受制于母岩浆的源区、结晶物理化学条件、岩浆演化过程中的元素地球化学行为以及后期变质变形作用等多种地质因素的影响（，；，；，；，）。在评价方法方面，随着现代分析测试技术不断发展，一系列更为精确的分析技术和手段（如 、等）被广泛应用于石英微观结构、生长期次、包裹体特征和成分分析、微量元素赋存特征和形成机理等研究，并累积了大量的矿物学和地球化学数据（，；，；，；，；，；，；，），为高纯石英原料筛选和评价等提供了参考。随着战略性新兴产业的快速发展，高纯石英的重要性正越来越受到国内学者重视，近年来国内在高纯石英原料矿床成因、矿床特征等方面研究逐步开展。张晔和陈培荣（）通过对比美国 地区和中国新疆阿尔泰地区花岗伟晶岩的地质背景、岩相学特征、岩石地球化学特征、石英中杂质元素含量等，总结认为产出高纯石英的伟晶岩可能发育在片岩、片麻岩的背景之上，并具有富含钠长石、稀土元素含量低等特征；王云月等（）认为高纯石英原料评价需从手标本及显微特征、流体包裹体特征、杂质元素含量和赋存状态三个方面开展，建议尽快建立高纯石英原料评价方法体系；杨晓勇等（）认为石英矿物中晶格杂质元素、亚微米级和纳米级包裹体、显微包裹体的数量和分布，是决定天然石英能否加工成为高纯石英的重要因素，开展高纯石英原料矿石评价时，不仅要考虑石英原料的化学纯度和内部杂质，还要考查石英矿物的嵌布特征、共存的脉石矿物和种类等；张海?等（，）认为高纯石英原料调查评价是多学科交叉融合的综合性工作，建立了“成矿远景区预测调查区圈定样品精准采集预处理选矿深度除杂化学深度提纯产品检测分析”全链条评价体系，并在中国新疆阿尔泰地区发现可制备 级纯度的花岗伟晶岩型高纯石英矿体；赵海波等（）对比了美国 地区伟晶岩和中国东秦岭龙泉坪地区伟晶岩，认为二者成岩温度均为 左右，岩石具有高分异演化特征。虽然国内对高纯石英原料地质研究工作越来越得到重视，并取得一定研究进展，但针对高纯石英原料评价方法研究还处于探索阶段。本文从方法论和系统论的角度出发，考虑到高纯石英成矿与选矿提纯、材料加工等联系，对高纯石英原料矿石评价方法进行了系统的总结和讨论，论述了岩石、矿物及石英中杂质的形成机理，建立了相应的地质学评价方法体系，以期为高纯石英矿床成因研究和地质找矿提供参考。高纯石英定义确定高纯石英定义具有重要意义，其含义直接决定了下 岩石学报 ，（）：图 云南省大关县石英砂岩显微照片（）和背散射照片（）（）石英砂岩，正交偏光；（）锆石碎屑物；（）石英颗粒中锆石包裹体；（）粘土矿物胶结物；石英；锆石 （）（），一步的地质研究目标和找矿方向。针对高纯石英定义的技术界定，目前行业 内 还 未 有 统 一 的 共 识。（）和 （）认为高纯石英是指加工后 含量 （）的石英产品；（）依据石英中有害元素来限定高纯石英，认为高纯石英中有害元素总含量不应高于 ，并且对 、等 种杂质元素进行了限定；张佩聪等（）认为高纯石英中 含量应 、杂质元素含量 ；（）认为高纯石英为杂质元素 且包裹体含量也达到相关领域要求；李光惠等（）认为高纯石英中 、等 种有害元素总含量 ，并且 含量 ；郝文俊等（）和王九一（）认为 含量 的石英即可称为高纯石英；汪灵（）按照 纯度将高纯石英划分为四个等级，分别为低端（）、中端（）、中高端（）和高端（）；张海?等（）早期认为高纯石英是 的石英产品，并将高纯石英分为低端（）、中端（）、高端（）三个等级；湖南省地方标准 高纯（）石英砂（湖南省工业和信息化厅，）规定，高纯石英中 含量 ，且对 、等 项杂质元素进行了相应规定；地质矿产行业标准 高纯石英用硅质原料评价工作指南（报批稿）规定（中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所，），高纯石英是指 含量 ，包裹体含量、粒度等达到特定域要求石英产品，并且对 、等 种杂质元素给出了相应规定。针对高纯石英定义可以汇总为两种观点：一是 含量 的石英即可称之为高纯石英（郝文俊，；王九一，；汪灵，；张海?等，），且这种观点多结合石英纯度和应用进行了进一步分级，通常 石英多用于电子级工业硅、高端硅微粉、光伏玻璃等领域，的石英多用于光伏、半导体、电光源、光学、通讯光纤等特定领域；另一种观点是 含量 （或 ），且对杂质元素等有特定要求的石英产品（，；，；，；张佩聪等，；，），这种观点通常认为高纯石英是应用于特定领域的石英。本文认为结合高纯石英的应用领域和矿石特点对高纯石英定义进行限定是十分必要的。首先高纯石英和普通石英在应用领域上应有所区别，高纯石英是能够用于光伏、半导体、电光源、光学、通讯光纤等特定领域的、达到一定纯度（通常 ）的石英；其次，加工高纯石英原料矿石与常规硅质原料有所区别，高纯石英原料矿石是特定成矿条件下形成的、稀缺的战略性资源，这类原料的找矿评价方法和常规的硅质原料评价方法完全不同，常规硅质原料通常更注重原料本身品位，而高纯石英原料矿石则更注重天然石英矿物的可加工性，需要结合地质、选冶、检测、材料评价等多学科进行综合分析，对石英品位要求并不严格。目前国内可制作 含量 的资源十分常见，例如云南大关 彝良地区石英砂岩资源丰富，仅大关青杠矿区一处资源量达到 亿 ，镜下石英颗粒中包裹微细粒的金红石和锆石，粘土矿物、云母及长石等多以胶结物的形式赋存在石英颗粒之间或被石英颗粒包裹（图 ），处理后石英 纯度可以达到 ，但很难突破 ，产张亮等：关于高纯石英原料矿石地质学评价方法的探讨中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所 高纯石英用硅质原料评价工作指南 报批稿品适用于特级工业硅、超白玻璃、硅微粉等领域（中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所，），但不能用于光伏、半导体等领域，从这个角度讲，含量 石英不能称为高纯石英。因此本文认为，高纯石英是指经加工后 含量 ，杂质元素含量、包裹体含量、羟基含量以及粒度等达到光伏、半导体、电光源、光学、通讯光纤等相关领域要求的石英产品。通常高纯石英中主要杂质元素含量 、，且所有杂质元素总含量 。石英中的杂质 石英矿物学特征石英是由硅原子（）和氧原子（）组成的架状结构的氧化物矿物，广泛存在于岩浆岩、变质岩、沉积岩及热液脉中，是自然界最常见造岩矿物之一，其有两种形态，一种为高温 石英（六方晶系），一种为低温变体 石英（三方晶系），常压下，二者转变温度为 ，通常所说的石英是指在地表环境下能够稳定存在的 石英（常丽华等，）。石英的变体矿物有蛋白石（非晶质）、玉髓（隐晶质）、柯石英（假六方晶系）、方石英（四方晶系，高温下等轴晶系）等，严格意义上，这些变体矿物不属于石英矿物。在自然界中石英的变体极为少见，如柯石英、斯石英为高压条件下产出，方石英、鳞石英为高温条件下（）产出，并且高温高压往往会导致 、等晶格杂质含量超标（，），因此变体石英不能被规模化利用。本文所谈石英均为石英单矿物。理论上纯净石英矿物中 含量为 ，无色透明，但由于石英结晶形成过程中周围环境不可能为单一 成分，因此，天然石英矿物中或多或少都会含有裂隙矿物、包裹体、杂质元素等不同类型的杂质，导致石英会呈现出不同的特点，如石英中包裹体含量多时，其矿物透明度会大大降低；水晶中 等替代晶格中部分 形成色心时，会呈现出紫色等颜色（，；李胜荣等，）。各类杂质会影响石英在后端应用时的物理化学性质，如高纯石英坩埚在大于 的高温下拉晶时，其中的 、等杂质元素会产生析晶现象，影响坩埚的强度。天然石英能否加工为高纯石英的主要影响因素有脉石矿物及晶界杂质、包裹体、晶格杂质等。脉石矿物及晶界杂质不同成因类型岩石中，与石英共伴生的矿物种类和赋存状态并不一样。岩浆成因岩石如花岗伟晶岩中与石英共生的矿物有碱性长石、斜长石、云母等主矿物以及磷灰石、锆石、金红石、电气石等副矿物，花岗伟晶岩中石英矿物含量往往 ；沉积成因岩石如石英砂岩，与石英共伴生的矿物有长石、云母、粘土矿物、锆石、有机物等，岩石中石英矿物含量往往 ，但是在沉积成岩过程中，往往伴随不同颗粒胶结和次生加大现象（，），云母、长石、粘土矿物等物质也容易被多期次生长石英胶结包裹；变质成因岩石如石英岩，与石英共伴生的矿物有长石、云母、角闪石以及红柱石、十字石等不同级别的变质矿物，这类岩石中石英含量 ，石英往往经历重结晶，存在多期次生长并包裹金红石、红柱石等矿物现象（常丽华等，）。除常规的与石英共伴生的脉石矿物外，沿着石英矿物的晶界、矿物凹陷或矿物裂隙等还会存在长石、云母等杂质微晶，这类杂质通常独立赋存于矿物晶界，也可以理解为一种更细粒度的脉石矿物。脉石矿物主要影响高纯石英原料矿石的初始品位和选矿产率，晶界杂质则会对高纯石英纯度产生一定程度影响（，；刘广学等，）。可以利用石英与长石、云母等硅酸盐矿物表面性质的差异，将石英矿物和杂质矿物的晶界解离，通过磁选、浮选、酸浸等物理化学分选方法去除大部分脉石矿物和晶界矿物杂质（马超等，；刘广学等，；张海?等，）。相较于包裹体、晶格杂质等难去除杂质，在高纯石英提纯加工过程中，脉石矿物和晶界杂质相对容易去除，采用适当方法去除后一般不会对高纯石英最终纯度产生影响。包裹体石英中广泛分布有不同尺寸的固相、液相、气相以及混合相的包裹体，是自然界中最重要的包裹体寄主矿物。由于包裹体赋存于天然石英矿物中，在不破坏石英晶体结构的条件下，只能实现少部分大尺寸包裹体的去除（张海?等，；马亚梦等，）。包裹体是影响高纯石英原料矿石质量的最重要因素之一，当高纯石英中包裹体尤其是微细粒气液两相包裹体和矿物包裹体过多时，会对高纯石英的产品性能产生严重影响（，）：一方面包裹体中的杂质元素（如 、等）会导致高纯石英纯度降低，影响产品品质；另一方面，制成产品后产品中细小的气液两相包裹体在高温下会逐渐膨胀汇聚，进而影响高纯石英产品性能。评价高纯石英原料矿石时，对石英矿物中包裹体的类型、形态、大小、数量等特征进行研究是十分必要的。本文按照包裹体的尺寸大小和去除难度，将包裹体分为显微包裹体（）和亚微米 纳米级（）包裹体。显微包裹体石英中包含一些尺寸不等的流体包裹体、熔融体包裹体 岩石学报 ，（）：中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所 华东地区脉石英晶质石墨等重要非金属矿综合利用评价报告以及矿物包裹体等，当这些包裹体尺寸 时，通常可以利用光学显微镜对其特征进行观察。石英中包裹体的种类、含量主要取决于石英结晶环境以及结晶后物理化学条件的变化。流体包裹体是石英中最普遍的包裹体类型，最常见的是在石英晶体生长过程中形成原生包裹体，除原生包裹体外，后期的流体穿过早期形成的石英晶体时，会沿石英的微裂缝渗透，在微裂缝闭合时形成次生流体包裹体（，；王云月等，）。在显微镜下原生包裹体通常呈面状分布，次生包裹体呈线状分布。常见的流体包裹体成分包括 、以及各种水化金属离子及其混合物（倪培等，）。当流体包裹体中的溶解物质（如 、等）较多时，在向地表运移冷却过程中，这些溶解物质会随着物理化学条件的变化逐渐结晶为岩盐、方解石、白云石、石膏、重晶石等子矿物（杨晓勇等，）。伟晶岩石英流体包裹体中往往还包含大量的岩浆演化晚期的 、以及 等各种不相溶元素离子组分（，；，；严清高等，）。当石英矿物中流体包裹体含量过高时，包裹体中的各种金属离子尤其是 、及沉淀生成的子矿物是后期高纯石英 、等杂质元素的重要污染源之一，石英中气液两相包裹体含量是影响后期高纯石英产品中气泡的主要因素。流体包裹体是各类型包裹体中对高纯石英品质影响最重要的包裹体类型。熔融包裹体是岩浆岩造岩矿物在生长过程中捕获原始熔浆固化形成的玻璃质或结晶体的硅酸盐熔体（，）。常温下，熔融包裹体通常由玻璃质熔体、晶体和气泡等构成，其通常呈小气泡状分布于造岩矿物中。在花岗伟晶岩中，这类包裹体尺寸多为几微米至几十微米，分布稀少，且多为伟晶岩演化早期捕获形成的（，）。石英中熔融体包裹体的组分与矿物结晶时硅酸盐熔融物的组分是一致的，反映了硅酸盐原始熔浆成分，主要由 、等主量元素组成，此外，伟晶岩石英在捕获熔融包裹体的过程中，也容易捕获演化晚期富含 、等不相溶元素和挥发性元素的熔浆或流体，从而造成相关元素含量上升，可达到整体重量的几个百分点（，）。一般认为熔融包裹体是花岗伟晶岩型石英矿物中 和 杂质主要污染源（，），也是 杂质的污染源之一。理论上，石英矿物母岩中出现的所有矿物都可以以矿物包裹体的形式出现在石英矿物中（，）。石英中矿物包裹体的形式是多种多样的，岩浆岩中的矿物包裹体多为石英矿物生长过程中捕获早期的造岩矿物或者副矿物形成，此外在富 的石英中，由于温压的降低而导致的针状金红石的析出也比较常见（，）；变质岩和沉积岩中矿物包裹体多是在胶结成岩和变质作用及后生结晶生长过程中，沿石英矿物颗粒边缘或裂隙分布的细小矿物颗粒被包裹形成的。不同成因类型石英中矿物包裹体类型通常不同：岩浆岩石英中的矿物包裹体通常有长石、金红石、黑云母、白云母、锆石、磷灰石等岩浆成因矿物；变质岩石英中矿物包裹体多以变质矿物为主，包裹体矿物类型受变质程度影响，在低级变质石英中常见绿泥石、白云母（绢云母）、红柱石等低级变质矿物，在高级变质程度石英中常见十字石、蓝晶石、石榴石等中高级变质矿物；沉积成因的石英中矿物包裹体主要为石膏、方解石、盐类矿物以及有机物等沉积型矿物或物质。石英矿物中金红石、云母、含铁矿物等矿物包裹体含量较多时，会成为高纯石英中 、等杂质的重要污染源。亚微米 纳米级包裹体（）除显微包裹体外，石英晶体中还会出现尺寸 的亚微米 纳米级的固态包裹体，这类包裹体多以矿物或熔融包裹体为主，由于这类包裹体尺寸 ，因此用常规的光学显微镜已经无法观察，需要借助扫描电镜镜（）、透射电镜（）、电子探针（）及激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（）等观测分布特征，测定相应成分。前人关于天然石英中的亚微米 纳米级包裹体研究较少，且这些研究主要集中在一些有色石英方面（，；杨晓勇等，），因此关于这类包裹体在石英中的分布状态和含量仍不确定。目前观测到的亚微米 纳米级包裹体中矿物类型有锆石、独居石、云母、金红石、钛铁矿、电气石等，矿物形态通常呈针状或长条状。（）通过对澳大利亚 地区变形花岗岩石英中 峰值的研究，认为云母类物质可能为这类包裹体的主要成分；（）利用背散射（）和透射电镜（）对岩浆成因蓝色石英中亚微米级包裹体进行统计，得出包裹矿物有金红石、钛铁矿等，并且石英颗粒核心部位亚微米级包裹体数量（个 立方微米）往往大于边部（个 立方微米），认为其可能为固溶体出溶形成；（）认为一些特殊的地质环境下，这类包裹体的密度可能会超过 个 平方毫米，并对高纯石英的纯度产生重要影响。在开展高纯石英工艺矿物学研究过程中，需重视对这类包裹体研究。晶格杂质晶格杂质是石英中常见杂质元素，在石英结晶过程中，一些外来元素离子在符合价位平衡的前提下，主要通过三种形式进入石英晶体形成杂质（，；，；，）（图 ）：一是单个离子如 、等，直接替代晶格中 位置；二是以耦合离子团（）的形式替代相邻 （如 和 组合替代 ，耦合键电价 ）；三是大半径离子（如 、等）作为晶格替代离子的补偿配位离子（如配位电价 ）进入原子连接间隙之间。除上述常见三种形式张亮等：关于高纯石英原料矿石地质学评价方法的探讨图 石英晶格中杂质元素赋存状态（据 ，修改）（，）图 石英矿物中常见杂质微量元素的丰度变化（据 ，修改）（，）外，在石英晶格缺陷处还会存在二价离子和三价离子组合进入石英的现象（如 ），但这种替换机制比较少见，对高纯石英的影响很小（，；，）。石英中常见的晶格杂质元素有 、等（，），这些杂质元素含量通常超过 ，很难利用经济的选矿手段和化学提纯方法除去，是影响高纯石英纯度和产品性能的重要因素之一，如赋存于硅氧四面体原子间隙之间的、等离子在高温条件下容易于从石英晶体中扩散出来，在高纯石英产品表面形成析晶并影响产品品质；含量过高会改变 的键合结构，大幅降低高纯石英制品的耐高温性能。石英晶格的外来元素中，的研究和分析是最重要的（，），是判断高纯石英矿物原料品质的重要标志物，这是因为其相较天然石英中其他杂质元素，含量往往最高，也最容易通过测试分析方法分析出来（图 ）。在进入石英晶格替代 过程中，、等补偿配位离子或 、等耦合替代离子也会进入石英，造成当石英晶格中 含量提升时，相关 、等杂质含量也会相应提升，研究表明，在大多数情况下更容易作为 的补偿配位离子进入石英，二者呈较好的正相关关系（，；，；，）。除 外，也是判断高纯石英矿物原料品质的重要标志物之一，这是因为石英晶格中 主要以晶格替代形式直接代替 ，由于二者均为 价离子，因而在合适浓度和温度条件下，置换 现象也较为常见，成为主要杂质元素之一。需要指出的是，由于 键非常稳定，不易破坏，无论是晶格间 还是包裹体中的含 矿物，均很难通过常规的选矿手段和化学提纯方式经济合理除去，因此当石英中 含量超过一定程度时，其也很难加工成高纯石英。元素在石英中主要存在两种形式，一是流体包裹体 、等中的 ，二是晶格中的 （，；严清高等，），元素作为单独的杂质对高纯石英纯度影响较小，但存在于包裹体中的 和 却会对高纯石英品质产生重要影响。矿物中 含量通常受温度、压力、值流体成分等多种因素影响，石英晶体中的 键断裂会产生缺陷，这时 便会与这些缺陷结合形成 基团，与 的结合强度远低于 键，因此可以认为其为一种结构缺陷。此外，还会吸引 、，以及 分子等聚集，见图 ，形成相应杂质聚集团（，），进而影响石英的纯度。石英中晶格杂质元素（如 、等）的含量与石英形成时温度、压力、溶液浓度、值、晶体生长速度等因素有密切关系（，；卞玉冰等，；，；，；郑贝琪等，；，）。研究表明，在石英中的含量往往会随着温度上升而提高（，；，；，），这是因为随着温度升高，流体中 的溶解度也会随之升高，导致进入石英中的 含量升高，石英结晶温度高于 时，石英中 含量往往会超过 ，但当熔体或溶液中 不饱和时这个温度会更高（，）；当超过 时，其含量会超过 （，；赵海波等，），与此同时温度越高，杂质元素活度越大，、等元素相对越容易进入石英晶格（，）。随着岩浆演化和温度的降低，熔体中 、等元素逐渐富集，溶液元素浓度的提升也会加强元素在矿物中的分配（，），石英结晶过程中更容易发生 及补偿电子的晶格替代，造成石英晶体中 、等杂质元素含量升高。例如，（）通过对阿尔卑斯山的脉石英进行研究，认为在 形成石英中的 元素含量明显低于 形成的石英中的含量；（）对挪威 岩石学报 ，（）：图 花岗质岩石石英晶格中 含量变化 地区花岗岩、热液脉石英、石英岩等不同成因类型石英研究发现，花岗岩等相对高温石英往往更倾向于富 （）；（）对 西 班 牙 地区的二长花岗 花岗伟晶岩石英中 、等元素含量进行分析，认为 、等受温度、压力、熔体成分以及结晶速率等因素影响，在整个演化体系中随着岩浆演化 、表现出两端高，中间低的 型分布特征，晚期低温条件下石英中 、含量高；赵海波等（）对美国尤尼明伟晶岩型高纯石英矿石样本进行了全岩 饱和测温，得出伟晶岩形成温度平均在 左右，侧面反映石英形成温度低于该温度；（）通过对挪威北部 高纯石英矿床中 、等晶格杂质变化研究，认为伟晶岩早期阶段更有利于高纯石英原料矿物的形成。石英中晶格杂质含量随温度变化规律从侧面反映出温度较低的伟晶岩核部带和温度较高的边缘带杂质含量往往较高，可能不利于高纯石英形成。本文总结了不同地区花岗质岩浆石英中 变化关系（图 ），随着岩浆演化，石英晶格中 呈一定负相关关系，相较花岗岩，伟晶岩石英中 含量更低，并且部分伟晶岩落入高纯石英潜力原料区域。石英中杂质元素含量与形成时 值也有一定关系，金属矿物的溶解需要消耗，通常溶液 值越小，金属矿物溶解越多（陈福，），对应的游离于溶液中的 含量相应减少。在常见元素中，石英中 的含量与 值变化关系相对最为敏感，通常 含量会随 值降低而增加（，；，；陈菲等，）。石英晶体不同的结晶速度其内部杂质含量也不相同，如 （）认为石英晶体中杂质元素提升会加快晶体生长，（）研究认为石英中 的含量会随着晶体生长速率的增加而增加。（）在进行人工合成石英试验时发现，石英晶体中的 含量随结晶速度提升而提升，这与伟晶岩晚期阶段石英颗粒往往比较粗大，、含量较高这一现象吻合。除上述因素外，后期的变质作用也会对伟晶岩型石英中包裹体和杂质元素起到一定的“净化”作用（，；，）。石英在经历后期变质变形作用时，随着变质程度提升，会发生脆性破裂、晶质塑性变形、扩散物质迁移等现象（，；，），这些作用相当于对早期形成石英进行了天然的“破碎”、“提纯”。如美国 矿床被认为是受后期绿片岩相变质变形作用，导致晶格杂质迁移，对矿床进行了二次净化而形成（马超等，；，；王云月等，）；（）对比挪威 高纯石英矿床中天然石英矿物在遭受不同程度变质作用下 、杂质元素总含量，得出相对强变质、弱变质、以及未变质条件下的石英中杂质总含量分别为 、。天然石英矿物在遭受后期变质作用时，需要一定的温度 压力条件才能够去除原岩中石英的杂质元素，但过高的变质程度又会造成晶格中 的含量偏高（，），综合前文温度对石英晶格杂质影响讨论，因此本文认为变质程度在绿片岩相 低角闪岩相之间可能更为张亮等：关于高纯石英原料矿石地质学评价方法的探讨合适。综上所述，高纯石英原料中关键的标志性元素 和 在石英中含量限定了石英形成温度既不能太高也不能太低，生长速度不宜太快。综合温度、值、生长速率等，本文认为，在 环境下，岩浆演化晚期不含暗色矿物的伟晶状花岗岩 花岗伟晶岩早期阶段结晶形成的石英矿物，可能更有利于低 、低 高纯石英矿物原料形成。后期适当的变质作用会更有利于高纯石英矿床的形成。高纯石英原料矿石评价方法研究进展近年来，针对石英矿物结构、包裹体以及微量元素特征的研究成为广泛关注的热点，高纯石英通常注重天然石英矿物的可加工性，手标本及石英矿物特征、包裹体含量及赋存状态、杂质元素含量及赋存状态等方面研究成为高纯石英的重要研究内容。由于高纯石英对杂质的要求为 级别，需要借助各类型的仪器设备开展综合评价。利用光学显微镜可以有效观察天然石英矿物组成及含量、矿物粒度、矿物结构构造、矿物嵌布关系、晶界杂质等基础矿物学信息（常丽华等，）。包裹体的含量及赋存特征是判断高纯石英原料矿石的重要依据，针对石英中包裹体的研究越来越受到重视（，；蓝廷广等，；杨晓勇等，；仲歆等，）。包裹体岩相学特征方面，借助光学显微镜、扫描电子显微 镜 配 合 阴 极 荧 光 光 谱 分 析（）、电 子 探 针（）等仪器设备能够准确识别包裹体类型、形态、大小、数量、发育情况等特征（卢焕章等，；卢焕章，；倪培等，；王云月等，）；亚微米 纳米级包裹体则可利用背散射（）、透射电镜（）进行统计分析（，；，）。包裹体成分分析方面，激光拉曼光谱仪（）、电感耦合等离子质谱仪（）、电子探针分析（）、激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（）等分析仪器和方法被应用于不同类型、精度、尺寸包裹体的分析（，；蓝廷广等，；倪培等，；李晓东等，），如 （）利用电子探针分析了德国 地区伟晶岩石英中熔融包裹体成分，并指出激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（）、透射电镜（）等方法可以用于石英中包裹体分析；李晓东等（）系统总结了扫描电子显微镜配合阴极荧光光谱分析（）、激光拉曼探针（）、激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（）等在石英包裹体测试方面的进展和应用；蓝廷广等（）总结了激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（）在分析流体包裹体方面的优势和具体操作方法，为精准分析流体包裹体成分提供较好参考；（）综合利用光学显微镜、扫描电镜（）、电感耦合等离子质谱仪（）等对芬兰中南部地区 个矿点高纯石英的包裹体和杂质含量进行分析，评价了其制备高纯石英的潜力；杨晓勇等（）利用激光拉曼光谱（）分析了我国广西姑婆山脉石英中的矿物包裹体成分和制备高纯石英的潜力。石英矿物中杂质元素含量可以反映岩浆 热液的来源、演化历史、矿物形成时的物理化学条件等（，；，；，；，），石英晶格中杂质元素高低是高纯石英原料矿石重要影响因素之一。随着现代分析测试技术的发展，越来越多的仪器和方法（如 、等）用来分析石英晶格杂质元素含量及赋存状态，并积累了大量矿物学和地球化学数据（，；，；，；，）。在高纯石英晶格杂质元素含量判断方面，可以快速分析石英中的各类杂质，缺点为不能反应原位信息，容易受石英中矿物包裹体、晶界杂质等影响；目前利用阴极荧光光谱分析系统（）配合激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（）对晶格元素进行分析被认为是一种有效方法（，；王云月等，）；（）利用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（）对石英晶格元素进行分析，认为可以进入石英的晶格中的杂质元素主要有 、和 等，其余杂质多存在于矿物包裹体和流体包裹体中；（）总结了挪威地调局的 个不同类型石英的激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（）分析数据，总结了该仪器设备的优点，利用该设备分析了 等 个地区石英杂质含量，评价其可加工高纯石英的潜力；（）利用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（）和阴极荧光光谱分析系统（）分析了纳米比亚 造山带伟晶岩样品和脉石英样品晶格杂质元素含量，评价其可加工高纯石英的潜力；（）总结全球各种类型花岗岩石英（包括挪威 高纯石英矿床）微量元素赋存规律，并利用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（）分析不同类型花岗质石英中杂质元素含量随岩浆演化变化规律；（）利用高强度激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（）对挪威北部 高纯石英矿床花岗伟晶岩中 、等晶格杂质进行了分析，并总结了矿床成因。虽然利用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（）、电子探针（）等极小的光束范围可以分析 的精度（，），然而在分析时受 亚微米 纳米级包裹体中所含的微量元素叠加导致产生误差是不能避免的，因此利用这些仪器设备所测出石英晶格杂质元素数值也是相对的。但无论是晶格杂质还是亚微米 纳米级别包裹体都是目前技术手段无法去除的，因此，利用相关仪器测定的数据反映原料矿石潜力是合适的。岩石学报 ，（）：高纯石英原料矿石评价方法讨论 原料矿石的选择常见硅质原料矿石有脉石英、石英砂岩、石英岩、天然石英砂、水晶等，但可以加工为高纯石英的矿石类型相对稀少，目前可以作为潜在原料矿石的矿石类型有花岗伟晶岩、脉石英以及水晶（，；汪灵，）。花岗伟晶岩型石英原料矿石具有规模大、品质稳定、矿石品质优良等特点，是目前全球生产高纯石英最重要的原料（，），目前美国矽比科和挪威天阔石均以此类型矿石为生产原料（张海?等，）。国外多数伟晶岩型高纯石英矿床产于太古宙 元古宙黑云母片麻岩、片岩等变质岩系中，受古生代 中生代花岗质岩浆活动控制，伟晶岩类型多为 型，并遭受了一定程度的变质作用影响（王九一，；，；，；，）。近年来随着国内伟晶岩型稀有金属矿床找矿的不断突破，如阿尔泰早中生代成矿带、松潘 甘孜 甜水海中生代成矿带、东秦岭早古生代成矿带、柴北缘中生代成矿带等，大量的含矿和不含矿的伟晶岩带被发现，未来可能会是我国高纯石英原料矿石的潜在产区。需要指出的是，虽然花岗岩与花岗伟晶岩成分上均为花岗质岩浆并可能存在演化关系（，；，；，），矿物组成均为石英、长石、云母等，并且花岗岩也可以通过选矿提纯加工出石英颗粒，但普遍研究认为，花岗岩中石英形成温度相较晚期的伟晶状花岗岩和花岗伟晶岩形成温度更高，往往含有更高浓度的 、等晶格杂质（，；，；，；，；张亮等，；，），因此，笔者认为，花岗岩并不能作为高纯石英的原料矿石。脉石英是目前除花岗伟晶岩外，高纯石英第二大原料矿石，我国的石英股份、福东正佑，俄罗斯石英公司等企业均以此种类型矿石为生产原料，与花岗伟晶岩相比，虽然脉石英具有原矿品位高、共伴生矿物少、产率高等优点，但脉石英往往矿体规模小、品质相对差且不稳定等，如笔者前期调研高纯石英生产企业了解到，虽然俄罗斯 脉石英矿床产出石英原料加工后最高可提纯至 ，但其矿石品质不稳定、矿床产量小。目前国内加工半导体级、光伏级坩埚内层原料仍使用花岗伟晶岩型石英原料，脉石英多用于拉管、坩埚中外层等中低端材料。以往水晶曾作为高纯石英的重要生产原料，但由于水晶资源稀缺、规模小、过度开发等，目前水晶资源基本面临枯竭（王九一，；汪灵，；张海?等，）。石英砂岩、石英岩、天然石英砂等虽然原矿品位高、分布广泛，但从成矿机理上，其制作高纯石英的潜力小，这是因为：石英砂岩、天然石英砂等往往是由源岩（例如花岗岩、花岗伟晶岩等）经剥蚀、沉积等地质作用形成（姚凤良和孙丰月，），由于源岩往往具有不稳定性，如花岗伟晶岩具有分带性，常以伟晶岩群形式分布（，；，；陈衍景等，），在风化剥蚀过程中，并不会选择性剥蚀品质好的源岩，因此造成了不同品质石英矿物的“混合”。石英岩往往为石英砂岩、硅质岩等经过变质作用形成（陈曼云等，），石英砂岩等的不稳定性也决定了石英岩品质不稳定，因此，从矿床成因角度出发，石英砂岩、天然石英砂、石英岩等作为高纯石英原料矿石其品质并不理想。此外，在石英砂岩、石英岩等岩石成岩过程中，石英颗粒往往伴随胶结、次生加大（，）或重结晶等现象，这种条件下形成矿物粒度往往不稳定，并且细粒云母、长石、粘土矿物以及金红石、红柱石等矿物也容易被多期次生长石英包裹或胶结（图 ），这类矿物及杂质在石英矿物内类似于“矿物包裹体”的形式存在，在后期加工过程中，包含这类杂质的石英颗粒往往很难打开，脱出困难，从而造成这类岩石作为原料矿石加工高纯石英其纯度很难达到合格范围。目前全球实际生产高纯石英砂的企业还没有开发利用上述矿床类型的生产实践也证实了这一点。工艺矿物学研究评价高纯石英原料矿石品质通常受脉石矿物及晶界杂质、包裹体、晶格杂质等因素影响（，；，；，；杨晓勇等，；汪灵，；张海?等，），因此工艺矿物学研究对于高纯石英原料矿石评价极为重要。通过工艺矿物学研究，确定矿石特征、共伴生矿物特征、石英的嵌布粒度及与其他矿物的空间嵌布关系、包裹体特征、杂质元素赋存状态及含量，评价矿石加工制备高纯石英的潜力。开展工艺矿物学研究评价时，通常建议按照手标本特征 石英矿物特征 石英中包裹体特征 石英中杂质元素赋存状态及含量的顺序，从宏观到微观逐步开展研究。手标本及镜下研究颜色灰暗、光泽度低、结晶度较差、裂隙较为发育的石英往往不是加工高纯石英的优质原料（，；王云月等，）。美国 矿床制作 系列高纯石英的原料矿石类型为不含暗色矿物的伟晶状花岗岩和花岗伟晶岩（张晔和陈培荣，；赵海波等，），镜下观察矿石中石英矿物无色透明至半透明，晶粒完整，石英结晶颗粒大致在 之间，主要矿物组成为石英，钠长石，条纹长石和白云母（图 ，），伴生矿物偶见极少量的黑云母、石榴子石、蛋白石、磷灰石、绿帘石、黄铁矿和磁黄铁矿等。我国福东正佑公司所用印度北部脉石英原料矿石，手标本石英晶粒呈鱼籽状聚集，镜下观察石英颗粒呈透明 半透明，表面干净，粒度 ，矿物中包裹体含量少（图 ，）。中国新疆阿勒泰地区发现的 级伟晶岩型高纯石英原料矿石矿物组成主要为钠长石、石英、白云母，极少量石榴子石等，石英晶体纯净，呈无色透明，他形粒状，镜下观察石张亮等：关于高纯石英原料矿石地质学评价方法的探讨图 高纯石英潜力原料矿石（）和非原料矿石（、）手标本及镜下特征（、）美国 矿床花岗伟晶岩；（、）印度北部 级脉石英；（、）中国新疆阿勒泰 级花岗伟晶岩；（、）中国北秦岭某地非原料矿石花岗伟晶岩 钠长石；微斜长石；白云母 （）（，）英粒度总体介于 之间，并呈波状消光（图 ，）。中国北秦岭某地花岗伟晶岩矿石组成微为斜长石、白云母、石英，石英呈暗色半透明，镜下观察石英中存在矿物包裹体以及各类微细粒包裹体（图 ，），经后续评价该样品并不能加工为高纯石英。整体上，可以加工高纯石英的伟晶岩矿物组成多为石英、钠长石、条纹长石、白云母等，副矿物为极少量的黑云母、石榴子石、蛋白石、磷灰石、绿帘石、黄铁矿和磁黄铁矿等，基本不见锂辉石、独居石等稀有金属矿物和电气石、萤石等含挥发分矿物。石英矿物微细组构（）方面，将扫描电子显微镜配合阴极荧光光谱分析（）技术能够有效研究石英矿物的生长期次、微细裂隙、蚀变情况、晶格杂质（定性）等常规光学显微镜无法观察的更为微观的现象。微细裂隙、包裹体等可以通过 图像直接在镜下观察（，）。不同期次石英矿物生长环境不同，其中富集 、等杂质元素浓度不同，从而导致阴极发光图像呈现出明暗相间不同亮度的多样性，形成 图像中的石英的“环带结构”，如大量研究表明，含量与石英阴极图像亮度呈密切正相关关系，高 含量石英相较低 含量石英其阴极发光图像更亮并且呈蓝色特征（，；，；李 岩石学报 ，（）：艳青等，；，；崔源远等，）。此外，石英矿物经历多期次生长时，矿物除杂质元素富集不一外（，），往往会胶结、包裹金红石、粘土矿物等不易去除矿物杂质，因此石英 图像亮度和颜色可以作为排除非高纯石英原料矿石的重要手段之一。包裹体特征研究在包裹体