東秦嶺花崗偉晶巖中高純石英礦物的可利用性研究
趙金洲1,2，張馳1,2，張森森1,2,4，王安書1,2，吳承泉1,3，張正偉1,3
1 河南省自然資源科技創新中心礦物新材料高值綜合評價與利用中心
3 中國科學院地球化學研究所 礦床地球化學國家重點實驗室4 河南有色金源實業有限公司
第一作者：趙金洲，教授級高工，研究方向：礦產地質勘查.通信作者：張森森，博士，高級工程師，研究方向：地球化學.導讀：
高純石英（或稱高純石英砂）屬于戰略性緊缺資源，我國90%高純石英依賴進口，其中99.998%以上純度的高純石英砂全部依賴進口，其根源是我國高品質高純石英礦石原料和提純技術被國外“卡脖子”。發現高品質高純石英原料礦床和研發高純石英提純技術是促進我國相關新興產業發展的重大迫切需求，是我國地學科技工作者的光榮使命！據中國自然資源報、河南省人民政府網站、學習強國平臺和《礦物巖石地球化學通報》期刊等報道，高純石英砂提純技術和勘查取得突破性進展。河南有色地礦局設立了高純石英專項，主要任務有3項，一是找到含有高純石英顆粒的特殊資源，二是把這種含有高純石英顆粒的特殊資源分離加工提純達到高純、超高純標準，三是推進高純石英產業化開發。科研攻關團隊在河南省有色金屬地質礦產局重點科技攻關項目（KCXM202105）、河南省自然資源廳科技創新項目（20211572）支持下，開展了高純石英原料礦產資源調查和高純石英提純技術研究。他們在我國著名的東秦嶺花崗偉晶巖群中發現了高純度石英自然礦物，并查證了兩條含高純石英花崗偉晶巖脈，巖石類型均為白云母花崗偉晶巖：I號脈寬約5m、出露長約400m，石英礦物含量70%~75%；Ⅱ號脈寬10~40m、出露長約450m，石英礦物含量40%~55%，為此次提純技術研究提供了選礦原料。實現了高純石英原料資源勘查和高純石英提純技術突破。東秦嶺花崗偉晶巖脈群，在以往地質調查中發現偉晶巖脈6900余條，其中達中大型規模的偉晶巖脈近400條，石英礦物資源極其豐富，開發利用潛力巨大！東秦嶺地質背景與花崗偉晶巖脈群分布圖（據秦克章等，2019）1—第四系；2—新近系和古近系；3—北秦嶺單元；4—蛇綠混雜巖；5—新元古代花崗巖；6—新元古代橄欖巖；7—新元古代變玄武巖/榴輝巖；8—古生代花崗巖；9—古生代輝長巖；10—偉晶巖脈；11—偉晶巖密集區；12—斷裂；13—地質界線。A—巒莊偉晶巖密集區；B—官坡偉晶巖密集區；C—龍泉坪偉晶巖密集區；D—商南偉晶巖密集區河南有色地礦局高純石英專項成果獲得了同行專家高度稱贊，中國科學院合肥物質科學研究院陳健研究員認為，河南有色地礦局利用國內的花崗偉晶巖原料提純出的高純度石英砂，其純度接近國外最高的高純度石英礦水平，在突破國內高純石英砂制備“卡脖子”技術方面取得了重要進展。2022年5月，在河南省科技廳舉行的《東秦嶺花崗偉晶巖高純石英的發現以及超高純石英提純技術研究》科技成果評審會上，由成秋明院士、胡瑞忠院士、毛景文院士組成的專家組認為項目成果為國內首創，整體達到國際先進，部分達到國際領先水平。因機構改革，后續研究工作河南地質研究院繼續進行中。本文對上述相關內容進行了介紹。研究成果對勘查開發東秦嶺花崗偉晶巖脈群具有重要意義，也為全國高純石英原料礦床勘查和提純技術研究提供了重要參考。------內容提綱------
0 引言
1 發現高純度石英自然礦物
2 高純石英提純流程
3 含高純石英花崗偉晶巖脈地質特征
4 高純石英礦石特征與選礦效果
5 討論與結論
6 成果意義
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0 引言
高純石英砂是高科技行業關鍵性原料之一，對脈石英和花崗偉晶巖中的石英進行提純加工是制備高純石英砂的主要途徑，而高純石英礦物的特性是影響高純石英砂產品質量的關鍵因素。美國尤尼明公司憑借北卡羅來納州Spruce Pine地區優質的花崗質偉晶巖，持續壟斷著純度達到4N8級（99.998%）以上的國際高端高純石英砂市場。我國是高純石英消費大國，但高端產品長期依賴進口。因此，尋找礦石質量好、品質穩定、礦體規模大的高純石英礦床具有重要的經濟意義。1 發現高純度石英自然礦物
最近，在河南東秦嶺-大別造山帶出露的花崗偉晶巖中發現了高純度石英自然礦物（圖1），經河南省有色金屬地質礦產局與中國科學院地球化學研究所聯合攻關研究和野外查證，認為石英礦物賦存的花崗偉晶巖類型與美國北卡羅來納州Spruce Pine花崗偉晶巖相近（圖1），巖石造巖礦物組合簡單，除石英外，其他礦物主要為長石和少量白云母。石英顆粒中少有氣液相包裹體，雜質元素Al、Fe、Ti、Ca、Mg等含量較少，礦物的其他基本特征與國外制備超高純石英砂原料十分相似。圖1 Q01樣品（A）與Spruce Pine地區花崗偉晶巖（B）對比圖2 高純石英提純流程
為了使高純石英礦物達到超高純石英程度，將優選礦石在850℃下煅燒2h后立即水淬，經顎式破碎機破碎后以瑪瑙介質球磨，得到0.200~0.355mm、0.110~0.200mm、0.074~0.110mm3個粒級的石英砂，15000 Oe磁選后進行超聲清洗處理。對0.074~0.110mm粒級石英砂反浮選提純，在0.5L掛槽浮選機內進行，保持礦漿質量分數為20%，用稀硫酸調整pH值為1.5~3.5，調漿3min后，加入一定量的捕收劑丙撐二胺，浮選時間為5min。浮選后用去離子水洗凈石英砂表面殘余藥劑，烘干獲得浮選精砂。用熱混酸（硫酸：鹽酸：硝酸=3：1：1，溫度90℃，酸浸時間8h）處理浮選精砂去除殘余白云母、氧化鐵膜和包裹體等雜質。經鑒定，精礦純度達到4N級（99.99%）以上。3 含高純石英花崗偉晶巖脈地質特征
河南省東秦嶺-大別造山帶花崗偉晶巖類型主要為中粗粒白云母型花崗偉晶巖，一般規模較大，從幾百米到千余米，寬從幾米到幾十米；以脈狀為主，其次有板狀、透鏡狀及不規則狀，具分枝復合、尖滅再現特點，有的局部收縮或膨脹。如盧氏縣官坡一帶的偉晶巖脈展布多受構造裂隙制約，呈北西-南東向成群平行分布，中部巖脈密集，兩端稀少。偉晶巖脈侵位于秦嶺群黑云斜長片麻巖中。野外查證了兩條含高純石英花崗偉晶巖脈，巖石類型均為白云母花崗偉晶巖。I號花崗偉晶巖脈寬約5m，出露長約400m，走向約300°，傾角60°，沿其走向可見局部呈透鏡狀，圍巖為斜長角閃片巖，片理化明顯，脈體由白云母石英花崗偉晶巖組成（圖1），礦物組成主要為石英（70%~75%）它形粒狀、白云母（20%）片狀或厚層狀、鉀長石（7%~9%）半自形-自形柱狀、斜長石（6%~8%）半自形板狀及少量電氣石。石英呈灰白色、半透明、油脂光澤，粒徑0.2~4.0cm，具波狀消光（樣號Q01），礦物特征在外觀上與Spruce Pine地區花崗偉晶巖十分相似（圖1）。Ⅱ號花崗偉晶巖脈寬10~40m，走向150°，沿地表出露長約450m，圍巖為斜長角閃片巖。巖石以含白云母花崗偉晶巖為主，呈白色，花崗結構（樣號Q02）。巖石中礦物組成主要包括斜長石（50%~55%，主要為鈉長石）、石英（40%~45%）、白云母（4%~6%）。石英呈它形粒狀，粒徑0.05~4.0cm，具強烈波狀消光。偉晶巖脈與圍巖接觸部位石英顆粒呈細粒狀，直徑約0.2~0.4cm，白云母呈片狀，礦物的粒徑2~5cm。巖脈內部的石英顆粒和云母明顯變大，石英呈灰白色，透明-半透明，油脂光澤，直徑2~5cm不等，白云母片徑3~10cm不等。巖脈邊部和圍巖交界部位可見充填石英細脈，寬5~10cm不等，呈淺灰白色（樣號Q02）。4 高純石英礦石特征與選礦效果
除了常規巖石化學分析外，重點分析了制約高純石英質量的Al、Fe、K、Ti、Ca、Mg、Li雜質元素的含量。測試分析使用電感耦合等離子體發射光譜儀（制樣方法為酸溶法），分析結果顯示，Q01、Q02樣品中Al、Fe、K、Ti、Ca、Mg6種主要雜質元素的初始含量均低于Spruce Pine地區的花崗偉晶巖，初始Al含量尤其低（表1）。石英中雜質元素的初始含量較低，具有較高的提純潛力。制約高純石英質量的另一個因素是石英中的包裹體和晶格內雜質。巖石礦物測試分析結果顯示，石英均成它形粒狀，粒徑0.05~4.0mm不等。石英顆粒均為透明度較高的灰色，具有強油脂光澤，雜質混溶礦物極少。石英顆粒中流體包裹體含量遠低于國內脈石英中的流體包裹體含量（圖2）。通過礦物浮選結果對比，石英原砂、浮選精砂和浮選尾砂具有明顯的區別（圖3），其中浮選精砂具有雜質元素含量低和雜質包裹體較少的特點，選礦實驗流程的經濟計算結果也顯示成本較低。由此認為，這些賦存于花崗偉晶巖中石英礦物通過系列的選礦和提純，有可能成為生產高純石英砂的原料。圖2 Q01、Q02與安徽鳳陽脈石英Q03、Q04礦物包裹體對比巖石礦物組合以及石英礦物的結構狀態是影響選礦可行性的重要指標。研究顯示，巖石中主要礦物成分均為斜長石和石英，次要礦物為白云母和鉀長石，黑云母含量很少。對樣品進行浮選，分離出石英礦物（圖3）。對分離后精砂進行“熱混酸”酸浸處理獲得精礦，石英砂純度均達到了4N級（99.99%）以上（圖4）。實驗樣品與美國尤尼明公司產出的IOTA超高純石英砂產品相比，Al、Ti、Fe、Na元素相對較高，而P、B.等元素接近了IOTA系列標準。與挪威Crystallites AS公司HPQ石英砂相比，Q02樣品雜質含量，除Na元素略高之外，其他雜質含量均低于HPQ石英砂（表2）。圖4 Q01和Q02高純石英成品砂
表2 實驗樣品與IOTA產品和HPQ石英砂主要雜質化學成分對比
5 討論與結論
高純度自然石英的形成受制于特定的地質環境，是一種稀缺的礦產資源。雖然石英是自然界最豐富的礦物之一，但高純石英作為一種雜質含量極低的礦物，只有在特定的物理化學條件和極端地質條件下才能形成，由此只有為數不多的石英礦床能夠為高純石英的加工提供原材料。我國石英資源儲量豐富，多為石英巖、石英砂巖和脈石英，但是能制備高純石英高端產品的比例極低，導致國內高純石英砂生產企業嚴重依賴進口。在河南東秦嶺-大別造山帶所發現的可制備高純度石英砂的花崗偉晶巖，呈巖脈產出，脈體規模大，巖石類型和石英礦物的結構構造特征類似于Spruce Pine花崗偉晶巖，并且其全巖石英礦物含量(40%~45%)大于后者(25%~35%)，有望開發成為制備高純石英砂的原材料基地。高純石英砂是現代高新技術產業的基礎原材料，其質量優劣不僅受制于原料中雜質元素含量高低，更重要的是與原料工藝礦物學特征所決定的雜質可選性有關，亦即石英原料中流體雜質和元素雜質的含量是高純石英成品質量的重要影響因素之一。對于高純石英原料來講，包裹體類型和含量都對高純石英砂的品質有顯著影響，一方面構成了雜質元素的主要來源，另一方面也將改變石英工業原料的熔融行為。我國對以石英礦物為原料制備高純石英砂的相關研究起步晚，其關鍵技術被國外長期壟斷。我們通過初步的研究認為，Q01和Q02樣品的流體包裹體含量遠低于國內常用的脈石英提純的石英砂中的流體包裹體含量，有可能成為生產高純高質量的石英砂的原料。經過加工的高純石英砂也顯示，其質量已經超越了挪威Crystallites AS公司HPQ石英砂的質量標準，而原材料中石英礦物的Al、Fe、Ti、Ca、Mg等主要雜質的含量低于美國Unimin公司原料礦產地，加大石英提純加工技術的研究力度，精礦純度有可能達到5N級以上。6 成果意義
河南東秦嶺-大別造山帶已發現花崗偉晶巖脈近7000條，平均密度約為86條/km2，中大型偉晶巖脈近400條，東秦嶺-大別山造山帶高純石英工業礦床方面具有重大的找礦潛力。最近發現的自然高純度石英礦物，其原材料主要的雜質含量低于美國Unimin公司原料礦產地，可以通過浮選和提純程序進一步制備高純石英砂，初步實驗即得到了達到國際標準的高純石英砂樣品。若進一步通過關鍵技術攻關，優化加工、分離、浮選、除雜、提純工藝流程，有望突破高純石英高端產品的工業化生產瓶頸。原文來源1：趙金洲，張馳，張森森，王安書，吳承泉，張正偉．東秦嶺花崗偉晶巖中高純石英礦物的可利用性研究[J/0L].礦物巖石地球化學通報.https：//doi.org/10.19658/j.issn.1007-2802.2021.40.104原文來源2：河南省人民政府網站（2021年12月20日）,《河南省高純石英砂提純技術獲突破》。原文來源3：強國號發布內容（2021年12月22日）,《河南有色地礦局高純石英砂提純技術獲突破——實驗室提純二氧化硅純度達99.998%》導讀評論和排版整理等：《覆蓋區找礦》公眾號.
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