新疆阿爾泰偉晶巖型高純石英礦床地質(zhì)特征及4N8 級產(chǎn)品制備技術

張海啟，譚秀民，馬亞夢，陳叢林，張生輝，王利，劉磊，朱黎寬，郭理想，張宏麗，劉廣學

1.中國地質(zhì)科學院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所, 河南 鄭州 450006；

2.國家非金屬礦資源綜合利用工程技術研究中心, 河南 鄭州 450006；

3.自然資源部高純石英資源開發(fā)利用工程技術創(chuàng)新中心, 河南 鄭州 450006；

4.中國地質(zhì)調(diào)查局, 北京 100037

前言

高純石英作為半導體、光纖、光伏、光學、電光源等產(chǎn)業(yè)不可或缺且無法替代的重要功能性材料，是世界稀缺、我國短缺的戰(zhàn)略性資源。我國是全球最大的高純石英工業(yè)原料進口國，每年進口4N 級及以上高純石英原料14.45 萬t，約占全球總進口量（20.54 萬t）的70%[1]，4N8 級以上高端高純石英原料主要依賴美國進口。因此，加快高純石英資源的國產(chǎn)化自主供給迫在眉睫。

近年來，偉晶巖型石英資源以其規(guī)模大、雜質(zhì)少、品質(zhì)穩(wěn)定、流體包裹體含量低等優(yōu)點，成為我國尋找高純石英資源的新方向[2-3]。我國新疆阿爾泰地區(qū)是世界聞名的花崗偉晶巖集中區(qū)，在 長413 km、寬20～60 km 的變質(zhì)巖帶內(nèi)，出露各類花崗偉晶巖脈數(shù)萬條，形成十余個偉晶巖密集區(qū)[4]，具有偉晶巖型高純石英資源的稟賦條件。陳培榮等通過對比該區(qū)域與美國Spruce Pine 地區(qū)花崗偉晶巖在地質(zhì)背景、礦物學、巖石學和地球化學方面的特征差異，認為阿爾泰地區(qū)具有尋找高純石英的前景[5-6]。

不同石英原料的提純潛力受礦石的化學成分、嵌布粒度、脈石礦物、包裹體和晶格雜質(zhì)等性質(zhì)的影響[7-9]，提純后對各雜質(zhì)元素的含量要求根據(jù)所制備的高純石英制品用途不同而不同，總體要求是雜質(zhì)元素的含量越低越好。高純石英的提純工藝主要包括物理提純和化學深度提純，色選、磁選、浮選等物理分選幾乎可以去除所有以單體形式存在的脈石礦物，得到SiO2含量為99.3%～99.9%的石英，而要獲得更高純度的石英，則需進行化學提純?；瘜W深度提純主要包括酸（堿、鹽）處理法和熱處理法，主要去除以包裹體形式存在于石英砂顆粒表面或鑲嵌于顆粒中的雜質(zhì)，以獲得高純石英砂。

作者在系統(tǒng)收集、整理已有資料的基礎上，經(jīng)過對比國外偉晶巖型高純石英資源特征，選擇新疆阿爾泰地區(qū)為重點研究區(qū)域。系統(tǒng)性開展了典型偉晶巖脈體調(diào)查和樣品優(yōu)選工作，基于樣品的野外識別技術，進行了潛力樣品的采樣；通過工藝礦物學評價，查明了重點脈體的礦物組成和流體包裹體賦存特征；選擇代表性潛力樣品進行提純技術研究，并判定區(qū)域高純石英的可制備性。

1 地質(zhì)背景與礦床特征

1.1 地質(zhì)背景

礦區(qū)位于新疆阿爾泰造山帶瓊庫爾地體，北以阿巴宮-庫爾提斷裂為界，南以特斯巴汗斷裂為界[10]。

區(qū)內(nèi)出露地層主要為震旦系-下寒武統(tǒng)喀納斯巖群，為一套半深海相類復理石建造夾少量中基性火山巖（圖1）。該巖群巖石組合以黑云斜長變粒巖與黑云斜長片麻巖互層為特征。該巖群分為3 個亞組，區(qū)內(nèi)主要分布第一亞組和第二亞組?？{斯巖群第一亞組巖性為灰色（石榴硅線）黑云斜長變粒巖夾黑云石英片巖、含十字矽線黑云片巖、斜長角閃巖及少量淺粒巖等。第二亞組巖性為灰色黑云斜長變粒巖與黑云斜長片麻巖互層，夾黑云石英片巖及少量斜長角閃巖、淺粒巖、石英巖、大理巖、變質(zhì)長石石英砂巖等。

圖1 阿爾泰某偉晶巖型高純石英礦區(qū)地質(zhì)簡圖Fig. 1 Geological map of pegmatite-type high-purity quartz deposit in Altai

區(qū)內(nèi)侵入巖發(fā)育，呈巖基狀產(chǎn)出，主要有早寒武世變質(zhì)中細粒英云閃長巖，晚奧陶世變質(zhì)中細粒黑云母二長花崗巖和正長花崗巖等。早寒武世變質(zhì)中細粒英云閃長巖呈巖株、巖枝狀產(chǎn)出，被晚奧陶世混源序列巖體侵入。變質(zhì)中細粒英云閃長巖與喀納斯群的接觸帶上可見矽卡巖化、褐鐵礦化、大理巖化等蝕變現(xiàn)象。

區(qū)內(nèi)偉晶巖脈廣泛分布，脈體多數(shù)呈北西向展布，少量呈北東向。脈體規(guī)模不等，寬2～140 m、長100～1 600 m。偉晶巖脈體結構簡單，一般無明顯的偉晶巖結構分帶，偉晶巖礦物成分主要為鈉長石、鉀長石、石英、白云母、黑云母、石榴子石等。區(qū)域偉晶巖脈的形成時代為晚二疊世-早三疊世，與區(qū)域侵入巖無成因聯(lián)系，是地殼物質(zhì)小部分熔融的產(chǎn)物[11]。

區(qū)內(nèi)偉晶巖分布受北西向斷裂及其次級斷裂控制。較大規(guī)模的斷裂有克什坎拜薩依斷裂、塔爾拉烏斷裂和賽肯布拉克溝斷裂等。

區(qū)內(nèi)無稀有金屬礦點，礦產(chǎn)主要有銅、砂金、白云母、石灰?guī)r、芒硝、巖鹽、石膏等礦產(chǎn)。

1.2 礦體及礦石特征

礦體為灰白色白云母鈉長偉晶巖，長約120 m、寬14～25 m，走向北西—南東向。礦體賦存于震旦系—下寒武統(tǒng)喀納斯巖群中，礦體無明顯偉晶巖結構分帶，礦物組成主要為鉀長石、斜長石、石英、白云母，少量黑云母、石榴子石。鉀長石呈淺肉紅色，半自形粒狀，粒徑0.1～2 cm；斜長石呈淺灰白色，半自形板狀，粒徑0.2～3 cm；石英呈無色透明，他形粒狀，粒徑多為0.2～1.5 cm；白云母呈白色，片狀，片徑0.5～6 cm；黑云母呈黑色片狀、厚層狀，片徑（1～5） mm×（2～10） mm；局部含少量石榴子石，呈淺褐紅色，粒狀，粒徑1～5 mm。

2 樣品采集、篩選及測試方法

在全面梳理區(qū)域偉晶巖巖脈分布、規(guī)模、類型等特征和初步建立的高純石英野外識別標志基礎上，通過一般性面上路線調(diào)查研究，采集區(qū)內(nèi)代表性樣品；利用石英礦物透明度、交代關系和風化程度的差異，通過便攜電子顯微照相技術對高純石英樣品快速野外初步篩選，選擇代表性樣品開展工藝礦物學研究，查明主要礦物的嵌布特性，精準獲取代表性礦物特征。最后，篩選潛力樣品進行深度提純研究。

工藝礦物學研究利用ZEISS Axioskop 40 光學顯微鏡對樣品薄片進行觀察鑒定，查明樣品中的礦物種類、相對含量、結構構造及嵌布特征；采用Olympus SZ61 雙目體視顯微鏡人工挑選石英單礦物，制備油浸片，在ZEISS Axioskop 40 光學顯微鏡下觀察石英礦物顆粒中的流體包裹體發(fā)育情況，查明流體包裹體的空間分布特征、尺寸及類型。

高純石英產(chǎn)品選冶流程樣品采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法進行雜質(zhì)元素含量測定：即稱取1.000 0～2.000 0 g 在105～110 ℃溫度下烘干的高純石英選冶流程樣品于30 mL 聚四氟乙烯燒杯中，采用氫氟酸-硝酸-多元醇溶解體系于高溫電熱板上加熱冒煙，趕盡酸試劑；取下冷卻后加入少許水及1 mL 硝酸，置于電熱板上微沸后取下，將樣品溶液轉(zhuǎn)移入50 mL全氟聚丙烯容量瓶，定容、搖勻。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜，在選定的儀器條件下測定待測Al、Ca、Fe、K、Mg、Na、Ti、B、Cr、Cu、Li、Mn、Ni、P 及Zr等15 項雜質(zhì)元素。

3 工藝礦物學研究

3.1 礦物組成及嵌布特征

新疆阿爾泰偉晶巖型石英的主要礦物組成為石英（20%～25%）、斜長石（55%～60%）、鉀長石（5%～10%）和白云母（1%～5%），此外還可見少量黑云母等。

石英單偏光下無色透明，部分顆粒內(nèi)部裂紋發(fā)育；正交偏光下可見其呈他形粒狀，多呈集合體形式產(chǎn)出，普遍可見波狀消光（圖2a），粒徑總體介于0.3～4 mm。斜長石正交偏光下可見其呈半自形～他形板狀結構，普遍發(fā)育聚片雙晶（圖2b），部分顆粒內(nèi)部包裹有細小的鉀長石，局部可見其發(fā)生絹云母化（圖2c），粒徑最大約7 mm。鉀長石正交偏光下可見其呈半自形～他形結構，普遍可見格子狀雙晶（圖2c），部分顆粒內(nèi)部可見包裹有細小的石英顆粒，局部可見其發(fā)生絹云母化，粒徑最大約8 mm。白云母單偏光下呈無色或淺藍色，多色性明顯（圖2d），閃突起明顯，片狀晶形，一組極完全解理；正交偏光下可見二級鮮艷干涉色，近平行消光，多分布于石英和長石粒間，片徑最大約6 mm。黑云母單偏光下呈深褐色，吸收性明顯，正中突起，片狀晶形，一組極完全解理；正交偏光下近平行消光，片徑普遍較小。

圖2 樣品顯微特征Fig. 2 Photomicrograph of samples

3.2 樣品流體包裹體特征

利用光學顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)石英顆?？煞譃榧儍纛w粒和非純凈顆粒，其中純凈顆粒幾乎不含流體包裹體和礦物包裹體等雜質(zhì)，而非純凈的石英顆粒中主要包含流體包裹體（圖3a）。石英礦物中含有流體包裹體的非純凈顆粒含量相對較多。流體包裹體主要有呈面狀分布（圖3b）和呈線狀分布（圖3c）兩類，兩類包裹體的尺寸均較小，多數(shù)在10 μm 以下，僅有個別面狀分布的包裹體尺寸大于10 μm。類型多為富液相氣液兩相包裹體（見圖3d），此外還可見純液相包裹體。線狀分布包裹體尺寸普遍很小，不易分辨其包裹體類型[12]。

圖3 石英中包裹體特征Fig. 3 Characteristics of inclusions in quartz

4 4N8 級產(chǎn)品制備

4.1 試驗方法

以往工作中，作者團隊基于大量不同雜質(zhì)類型、不同雜質(zhì)含量的偉晶巖型石英高純化評價，提出了包括礦石預處理、選礦深度除雜及化學深度提純?nèi)齻€階段的高純石英深度提純技術（圖4）。工藝礦物學研究表明，礦石中含有較多的白云母，石英非純凈顆粒含量較多，流體包裹體較多。依據(jù)區(qū)域礦石特征，作者團隊在前期提純技術的基礎上，進一步優(yōu)化了高純石英產(chǎn)品制備技術。

圖4 高純石英深度提純技術原則流程Fig. 4 Principle process of high-purity quartz deep purification technology

礦石預處理工藝流程為“選擇性破碎-精細分級-粗粒預選”，使大塊礦石沿不同礦物的結晶面進行解離并將合格粒級及時分離，防止過粉碎，實現(xiàn)了石英礦物的預富集，同時綜合利用了長石、云母等礦物。

選礦深度除雜工藝流程為“磨礦制砂-重選-磁選-浮選”，該工藝由綠色高效的物理選礦方法組成，可快速精準地完成偉晶巖型石英的選礦提純，去除幾乎全部單體解離的脈石礦物和絕大部分貧連生體。首先采用階段棒磨配合泰勒標準篩完成磨礦制砂，按照一般高純砂粒度要求控制分級粒度-0.425 mm；通過搖床重選獲得搖重產(chǎn)品（赤褐鐵礦、石榴子石、電氣石等）、搖中產(chǎn)品（石英）、搖輕產(chǎn)品（片狀黑白云母）和礦泥產(chǎn)品；磁選采用周期式脈動高梯度磁選機完成，可最大限度地去除包括連生體在內(nèi)的黑云母、破磨過程次生鐵及細粒赤鐵礦、褐鐵礦等弱磁性雜質(zhì)礦物；浮選采用XFDⅣ型系列實驗室單槽浮選機進行，主要分為云母浮選和長石浮選兩個階段，云母浮選采用硫酸調(diào)漿至pH 值3～5，十二胺作為捕收劑；長石浮選pH 值控制在2～3，以氫氟酸為長石活化劑，以胺類陽離子捕收劑和脂肪酸類陰離子捕收劑組合成混合捕收劑。

針對礦石特征，深度化學提純工藝流程為“一段混合酸浸-煅燒水淬-二段混合酸浸”，一段混合酸浸主要采用混酸體系最大限度地去除礦物表面雜質(zhì)和石英晶間雜質(zhì)；煅燒水淬主要利用石英晶體缺陷和氣液包裹體的膨脹爆裂使顆粒表面形成大量裂紋，暴露出填隙類雜質(zhì)，從而增加雜質(zhì)與酸接觸的概率，提高雜質(zhì)去除率；同時，高溫煅燒過程，能除掉揮發(fā)性雜質(zhì)以及精礦中殘留的浮選藥劑；二段混合酸浸主要用于去除包裹體內(nèi)雜質(zhì)。為更好地去除表層附著的白云母和去除包裹體雜質(zhì)，進一步研究了高純石英定向除雜技術，利用不同的煅燒溫度、白云母晶體結構和物性特征產(chǎn)生的變化，通過對煅燒溫度的工藝優(yōu)化，進一步進行化學深度提純。

4.2 結果與討論

經(jīng)過物理除雜，去除了偉晶巖中脈石礦物包裹體和極微細脈石礦物連生體以外所有已充分解離和暴露的雜質(zhì)礦物，獲得了較為純凈的石英礦物顆粒，分析結果見表1。

表1 經(jīng)物理深度除雜后主要雜質(zhì)含量 /(μg·g-1) Table 1 Main impurity elements content of samples after deep beneficiation de-impurity

由表1 可知，物理除雜獲得的粗精礦中雜質(zhì)含量較高的是Al、Na、Ca、Fe、K 五種雜質(zhì)元素，其含量占雜質(zhì)總量的90.80%，是化學提純的主要目標。物理除雜精礦中SiO2含量為99.97%，即高純化等級為3N7，因此，采用物理除雜工藝，該偉晶巖可制備出低端高純石英產(chǎn)品。

石英粗精礦經(jīng)過深度化學提純后，有效去除高純石英晶間雜質(zhì)和大部分包裹體雜質(zhì)，其分析結果見表2。

表2 經(jīng)化學深度提純后主要雜質(zhì)含量 /(μg·g-1) Table 2 Main impurity elements content of samples after chemical deep purification

由表2 可知，石英精礦經(jīng)深度化學提純后，雜質(zhì)總量為23.35 μg/g，初步結果表明，新疆阿爾泰某地區(qū)偉晶巖型高純石英具備制備高端高純石英產(chǎn)品的潛力。經(jīng)過進一步試驗改進優(yōu)化，制備出偉晶巖型高純石英產(chǎn)品SiO2含量達到99.998 3%，產(chǎn)品純度等級達到4N8。高純石英中各雜質(zhì)元素的含量決定其高純石英的應用性能，根據(jù)前期企業(yè)調(diào)研和相關標準資料綜合分析研究，影響高純石英應用性能的6 種關鍵雜質(zhì)分別為Al、Ti、Ca、K、Na 和Li，其含量(μg/g)要求分別為Al＜14、Ti＜4、Ca＜2、K＜1、Na＜1、Li＜1，經(jīng)對比，本研究制備的高純石英產(chǎn)品6 種關鍵雜質(zhì)含量均滿足企業(yè)制備坩堝相關要求，說明該地區(qū)偉晶巖型高純石英資源可制備高端高純石英產(chǎn)品，潛力巨大，亟需對其開展材料性能評價等更為詳細的研究。

5 結論

新疆阿勒泰某地區(qū)偉晶巖型高純石英資源賦存于震旦系-下寒武統(tǒng)喀納斯巖群中，成礦時代為晚二疊世-早三疊世。礦石為灰白色白云母偉晶巖，礦物成分主要為鈉長石、鉀長石、石英、白云母，少量黑云母、石榴子石等。石英顆粒粒徑大小不一，最大約4 mm，部分石英顆粒包裹于長石內(nèi)部。石英礦物中含有流體包裹體的非純凈顆粒含量相對較多，其中流體包裹體主要呈面狀分布，尺寸較小，多在10 μm 以下，類型以富液相氣液兩相包裹體為主。

針對礦石特征，創(chuàng)新性地建立了配套的礦物精細浮選分離除雜技術體系，提出了原礦中微細粒礦物雜質(zhì)的深度分離技術，而后基于雜質(zhì)元素定向除雜技術，進一步去除石英礦物中晶間雜質(zhì)和包裹體雜質(zhì)，成功制備了4N8 級高純石英砂，表明該地區(qū)偉晶巖型高純石英資源在純度層面上可滿足高端高純石英產(chǎn)品要求，潛力巨大，亟需對其開展材料性能評價等更加詳細的研究。該研究為我國高純石英資源安全供給奠定了重要基礎，可有力地支撐服務我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)關鍵資源材料的安全供給。