岩石学报 | 张亮、刘磊等：关于高纯石英原料矿石地质学评价方法的探讨

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关于高纯石英原料矿石地质学评价方法的探讨

张亮^1,2,3, 刘磊^1,2,3, 朱黎宽^1,2,3, 王红杰^1,2,3, 原垭斌⁴

1.中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所, 郑州 450006

2.国家非金属矿资源综合利用工程技术研究中心, 郑州 450006

3.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 450006

4.中国科学院深海科学与工程研究所, 三亚 572000

基金项目:本文受中国地质调查局地质矿产调查评价项目(DD20221698、DD20230038)和国家自然科学基金项目(U2344206)联合资助

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: (1)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NYF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。(2)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 < 10μm包裹体应尽量少; Al和Ti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Al < 50×10-6和Ti < 10×10-6。(3)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(SEM)、阴极荧光光谱分析系统(SEM-CL)、激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪(LA-ICP-MS)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

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(张海啟等, 2022a)。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(Götze et al., 2017; 王九一, 2021; 张海啟等, 2022b; 汪灵, 2022; Zhou et al., 2023)，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95%，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(Shearer et al., 1992; London, 2008; Thomas and Davidson, 2012)，一是地壳部分熔融模型(Stewart, 1978; Shaw et al., 2016; Chen et al., 2020)，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(Larsen et al., 2000, 2004; Flem et al., 2002; Jacamon and Larsen, 2009; Müller and Koch-Müller, 2009; Götze, 2009; Breiter et al., 2020; Müller et al., 2021)，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(Breiter and Müller, 2009; Müller et al., 2012; Götze et al., 2017; Zhou et al., 2023)。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LA-ICP-MS、SEM-CL、EPMA、BSE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(Rusk and Reed, 2002; Landtwing and Pettke, 2005; Jacamon and Larsen, 2009; Flem and Müller, 2012; Müller et al., 2012; Al-Ani et al., 2019; Zhou et al., 2023)，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(2010)通过对比美国Spruce Pine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(2021)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(2022)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；张海啟等(2022b, c)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4N8级纯度的花岗伟晶岩型高纯石英矿体；赵海波等(2024)对比了美国Spruce Pine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600℃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。

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