4N8級以上的高純度石英是半導(dǎo)體、光伏等產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，其天然原料是稀缺的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)。作為全球4N8級以上高純度石英原料主要供應(yīng)地的美國北卡羅來納州Spruce Pine礦山，礦體規(guī)模大且穩(wěn)定，其石英純度高，雜質(zhì)元素具有特殊結(jié)構(gòu)比例，晶格雜質(zhì)鋁（A1）、鈦（Ti）含量呈現(xiàn)特定數(shù)值，對材料性能起著關(guān)鍵影響，使之難以被其他類型的原料取代（超純礦物新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，2024）。近年來，中國在地質(zhì)找礦以及高純石英砂制備技術(shù)層面均取得了重要進(jìn)展（汪靈，2019；張海啟等，2022a；唐春花等，2024），但在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的單晶硅生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，坩堝用石英砂的供應(yīng)難題長期未能攻克；光伏產(chǎn)業(yè)所需石英坩堝的內(nèi)層砂供應(yīng)問題，也始終未能得到有效解決?；谠摤F(xiàn)狀，中國迫切需要找尋有關(guān)的工業(yè)原料礦床。東秦嶺地區(qū)與美國Spruce Pine礦山所處的地質(zhì)條件相似（張正偉，1991；王建平和裴放，2002），很有可能找到類似的高純石英原料礦床。基于此，超純礦物新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院組織研究開發(fā)團(tuán)隊(duì)，在東秦嶺地區(qū)展開了系統(tǒng)的調(diào)查研究工作，在古生代花崗巖體中成功識別出高分異花崗巖，其中部分判定為白崗巖單元，并在白崗巖單元中開展了普查、詳查和勘探工作，提交了國內(nèi)首個白崗巖型高純石英原料礦床，經(jīng)過對該礦床原材料制備所得的高純石英砂檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的使用標(biāo)準(zhǔn)。

高純石英礦礦石（花崗偉晶巖型，趙金洲等，2022）

（A）東秦嶺地區(qū)，（B）美國北卡羅來納州Spruce Pine地區(qū)

白崗巖的識別與巖石特征

根據(jù)前人研究資料，高分異（高演化）花崗巖大多經(jīng)歷強(qiáng)烈分異作用，礦物組合主要由長石、石英和白云母構(gòu)成，含少量或不含暗色礦物，呈淺色或白色（吳福元等，2017），它們產(chǎn)出的地質(zhì)背景常與造山帶密切相關(guān)。在高分異熔漿體系的分異結(jié)晶過程中，巖石組合呈現(xiàn)出從黑云母花崗巖向二云母花崗巖再向白云母花崗巖的演化趨勢（吳福元等，2023）。巖石由酸性向超酸性演化，致使SiO2含量逐漸升高，甚至?xí)霈F(xiàn)白崗巖或高硅花崗巖。

東秦嶺的主要地質(zhì)單元是一個復(fù)合型造山帶（王建平和裴放，2002），古生代花崗巖顯著出露，較大的巖基分布于灰池子和漂池一帶，主體巖性有二長花崗巖以及花崗閃長巖、英云閃長巖和鉀長花崗巖類（張正偉，1991）。最近的調(diào)查研究顯示，在灰池子和漂池巖基中可以分解出高分異巖石單元（超純礦物新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，2024），其巖石組合包括二云母花崗巖、白云母花崗巖、似偉晶巖（圖la、ld、lg）以及細(xì)晶巖和花崗偉晶巖。不同巖石類型的主要礦物組成沒有明顯區(qū)別，主要礦物為斜長石、石英和白云母以及少量鉀長石（圖lb、le、lh）；次要礦物有黑云母和綠簾石族礦物等，以及少量石榴子石、磷灰石、電氣石、榍石、鋯石、黃鐵礦、黃銅礦和磁黃鐵礦，但在巖石類型之間副礦物分布有一定差異，如在似偉晶巖中分布有較多的石榴子石、磷灰石和電氣石，在二云母花崗巖中含有較多的黑云母和榍石，而在白云母花崗巖中少見石榴子石、磷灰石和電氣石。巖石結(jié)構(gòu)包括花崗結(jié)構(gòu)、粗粒-中粒-細(xì)粒不均勻混雜結(jié)構(gòu)和似斑狀結(jié)構(gòu)，巖石構(gòu)造主要有塊狀構(gòu)造和斑雜構(gòu)造。

巖石中石英呈半自形-他形粒狀，含量20%~30%；斜長石的聚片雙晶發(fā)育良好，雙晶紋細(xì)密且近平行消光，多為鈉長石、更長石；鉀長石多為條紋長石、微斜長石，顏色以淺肉紅色為主，少數(shù)呈灰白色。其中石英顆粒內(nèi)部的礦物包裹體較少，可見云母類、磷灰石、長石，偶見閃石類、金紅石、鋯石。石英內(nèi)的流體包裹體也較少，主要為氣液兩相包裹體，呈串珠狀分布，粒徑大多小于5um，個別包裹體粒徑較大，約5~10um（圖lc、1f、1i）。

全巖SiO2平均含量為72%~75%，部分在75%以上（下表），顯示富SiO2、Al2O3、K2O，貧CaO、MgO，屬于強(qiáng)過鋁質(zhì)巖石和鈣堿性系列；富集大離子親石元素，虧損高場強(qiáng)元素，稀土元素具有四分組效應(yīng)，Na/Ta-Zr/Hf圖解中具有明顯的演化趨勢（超純礦物新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，2024），在演化程度上相當(dāng)于高分異花崗巖（吳福元等，2023）。巖石單元之間無明顯接觸界限，尤其在淺部區(qū)域，似偉晶巖和偉晶巖大量出現(xiàn)在巖體內(nèi)，且呈混雜狀分布。因此，根據(jù)巖石的顏色、礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及巖體產(chǎn)狀特征厘定其為白崗巖。

白崗巖型高純石英原料礦床勘查評價

基于白崗巖的識別和區(qū)域上資源調(diào)查研究，首選漂池巖體（河南省盧氏縣）的白崗巖分布區(qū)作為勘查評價靶區(qū)（圖2a），分兩個階段開展勘查評價。第一階段進(jìn)行普查及詳查，按照石英純度4N（以Al、B、Ca、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mg、Mn、Na、Ni、P、Ti、Zn等15種雜質(zhì)元素含量折扣而來的SiO2≥99.99%）的邊界指標(biāo)圈定高純石英原料礦體，并按相關(guān)工業(yè)指標(biāo)計(jì)算高純石英原料礦礦石量。第二階段的勘探工作，按照50mx50m網(wǎng)度進(jìn)行了加密控制，形成更高級別的資源量，在自然資源管理部門完成儲量評審備案的高純石英原料礦石量3668萬t，其中探明資源量706萬t，控制資源量礦石量1150萬t，推斷資源量礦石量1811萬"超純礦物新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，2024）。

總體上，礦床具有如下特征：賦礦母巖為白崗巖，巖石組合主要包括二云母花崗巖、白云母花崗巖及似偉晶巖。礦體形態(tài)和產(chǎn)狀受巖體大小和巖相變化控制，局部巖相帶整體上可圈為礦體。礦石類型按巖石類型劃分，主要有二云母花崗巖、白云母花崗巖以及似偉晶巖型。礦石礦物石英呈半自形-他形粒狀，脈石礦物主要為斜長石、鉀長石和白云母等，還有少量石榴子石、磷灰石、電氣石、黑云母、綠簾石族礦物、榍石，局部含少量黃鐵礦、黃銅礦和磁黃鐵礦。礦石結(jié)構(gòu)主要為花崗結(jié)構(gòu)和半自形-他形粒狀結(jié)構(gòu)等，礦石構(gòu)造主要為塊狀構(gòu)造等。從成因角度看來，礦床不僅賦存于白崗巖，而且礦體與巖體關(guān)系密切，它們共同受制于白崗巖的分異演化，故將礦床類型劃分為白崗巖型高純石英原料礦床。

勘探成果最重要的進(jìn)展證實(shí)了兩個設(shè)證：其一，可以按照石英純度4N8（以Al、B、Ca、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mg、Mn、Na、Ni、P、Ti、Zn共15種雜質(zhì)元素含量折扣而來的SiO2≥99.998%）的邊界指標(biāo)圈出高純石英原料礦體（圖2b），證實(shí)在特定地質(zhì)條件下可以形成4N8級以上高純度高純石英原料礦床；其二，白崗巖型高純石英原料礦床雜質(zhì)元素具有特殊結(jié)構(gòu)比例，晶格雜質(zhì)鋁（Al），鈦（Ti）含量呈現(xiàn)特定數(shù)值（表2），這種情況與美國SprucePine礦山相似（超純礦物新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，2024）。

白崗巖型高純石英原料分離提純

利用東秦嶺白崗巖型高純石英原料，在超純礦物新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院實(shí)驗(yàn)室開展了精細(xì)分離—深度純化—定向除雜等工序的分離提純實(shí)驗(yàn)。精細(xì)分離試驗(yàn)主要采用磨礦分級、高梯度磁選、浮選等物理分選方法實(shí)現(xiàn)石英、長石、云母和其他礦物之間的分離。深度純化試驗(yàn)對經(jīng)過精細(xì)分離的石英砂樣品進(jìn)行一次酸洗、煅燒水淬、二次酸洗，確定該樣品的提純潛力。定向除雜試驗(yàn)利用石英的晶型轉(zhuǎn)變，采用氯化焙燒工藝對化學(xué)性質(zhì)活躍的堿金屬元素進(jìn)行定向去除。經(jīng)以上工序加工提純后，可穩(wěn)定制備4N8級高純石英砂（圖3），代表性樣品的檢測結(jié)果（經(jīng)過具有相關(guān)資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)檢測）15項(xiàng)總雜質(zhì)含量為13.02x10-6，SiO2純度為99.9987%（表2）。批量制備出的4N8級高純石英砂，SiO2純度在99.998%以上，各項(xiàng)理化指標(biāo)符合國際公認(rèn)的IOTA-CG標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)GB/T32649-2016標(biāo)準(zhǔn)，可適用于光伏用高純石英砂的質(zhì)量要求，并具備符合IOTA-4標(biāo)準(zhǔn)以及半導(dǎo)體制程用高純石英砂的應(yīng)用潛力。

圖3 漂池礦區(qū)某礦體礦石樣品經(jīng)分選處理后的石英砂純度檢測結(jié)果?

在分離提純實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，還開展了噸級中試、千噸級工業(yè)試驗(yàn)。總體結(jié)論：東秦嶺白崗巖型高純石英原料礦以巖體形式產(chǎn)出，規(guī)模大且?guī)r性巖相穩(wěn)定；礦物組成相對簡單，主要礦物為斜長石、石英、白云母、鉀長石，含有少量石榴子石、磷灰石；石英嵌布特征相對簡單，流體包裹體很少且呈串珠狀，利于分離提出過程中的定向解離。另外，還對花崗偉晶巖、石英巖、石英脈型高純石英原料礦進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，這些原料礦的礦物組成復(fù)雜，雜質(zhì)元素含量變化大，導(dǎo)致工業(yè)化提純與礦物解離難度增加，影響石英砂產(chǎn)品穩(wěn)定性。

問題討論

東秦嶺造山帶與阿巴拉契亞造山帶南部區(qū)域具有相似的構(gòu)造演化歷史，在加里東期-海西期，兩個地區(qū)都經(jīng)歷了俯沖和造山過程，并且都伴隨了超高壓變質(zhì)巖片的折返。由此推測，相似的地質(zhì)背景有可能導(dǎo)致相似的成巖成礦作用。美國北卡羅來納州Spruce Pine礦山的高純石英原料礦床，雖常被稱之為花崗偉晶巖型，但主要賦存于白崗巖。東秦嶺地區(qū)，雖然在花崗偉晶巖型高純石英的相關(guān)研究和找礦工作取得快速進(jìn)展（趙金洲等，2022；張海啟等，2022b；李開文等，2023；趙海波等，2024），但在白崗巖型高純石英原料礦發(fā)現(xiàn)方面還屬新的突破性進(jìn)展。根據(jù)東秦嶺白崗巖型高純石英原料礦床特征與Spruce Pine礦山對比，礦物學(xué)圖解均投影于花崗閃長巖區(qū)域，按照淡色礦物含量劃分，可以歸為淡色（淺色）花崗巖，同時也屬于白崗巖。礦體賦存的白崗巖體，外圍分布大量花崗偉晶巖脈，內(nèi)部也發(fā)育似偉晶巖且呈漸變過渡關(guān)系。礦石礦物組合以石英、斜長石（更長石）和堿性長石（條紋長石、微斜長石）為主，含石榴子石、磷灰石及電氣石等特征副礦物。地球化學(xué)特征顯示二者均屬過鋁質(zhì)系列，經(jīng)過高分異演化，所處的地質(zhì)環(huán)境相似。特別在石英品質(zhì)方面，東秦嶺礦區(qū)所產(chǎn)石英砂純度及晶格雜質(zhì)鋁（A1）、鈦（Ti）含量呈現(xiàn)特定數(shù)值，也與Spruce Pine礦山所產(chǎn)石英砂相似。因此，隨著研究和勘探工作的深入進(jìn)行，東秦嶺地區(qū)很可能形成與Spruce Pine礦山類似的白崗巖型4N8級以上高純度高純石英原料礦山。

結(jié)論

（1）在東秦嶺古生代造山帶識別出高分異花崗巖單元，并在這些巖石單元中分解出白崗巖，巖石組合主要包括二云母花崗巖、白云母花崗巖和似偉晶巖。這對于研究區(qū)域巖漿演化和成巖成礦作用都具有重要意義。

（2）通過區(qū)域資源調(diào)查優(yōu)選找礦靶區(qū)，選擇漂池白崗巖體開展高純石英原料礦勘查與評價，精準(zhǔn)圈定出4N8級高純石英原料礦體，提交高純石英原料礦石量3000多萬噸，確認(rèn)了東秦嶺地區(qū)存在白崗巖型高純石英原料礦床。

（3）利用東秦嶺白崗巖型高純石英原料開展了系統(tǒng)的分離提純實(shí)驗(yàn)，批量制備出4N8級高純石英砂，各項(xiàng)理化指標(biāo)符合國際公認(rèn)的IOTA-CG標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)GB/T32649-2016標(biāo)準(zhǔn)，這對于解決半導(dǎo)體和光伏坩堝內(nèi)層砂等高端原料的關(guān)鍵來源，滿足半導(dǎo)體用高品質(zhì)高純石英砂的需要具有重要價值。

文章內(nèi)容綜合來源于《東秦嶺白崗巖型高純石英原料礦發(fā)現(xiàn)、研究與意義》，作者：王建平，李開文，張正偉，方懷賓，左鵬飛，吳承泉，黃業(yè)豪，內(nèi)容僅供參考，交流分享，轉(zhuǎn)載請注明出處！