4N8級以上的高純度石英是半導體、光伏等產業(yè)的關鍵基礎材料，其天然原料是稀缺的戰(zhàn)略性礦產。作為全球4N8級以上高純度石英原料主要供應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，雜質元素具有特殊結構比例，晶格雜質鋁（A1）、鈦（Ti）含量呈現特定數值，對材料性能起著關鍵影響，使之難以被其他類型的原料取代（超純礦物新材料產業(yè)技術研究院，2024）。近年來，中國在地質找礦以及高純石英砂制備技術層面均取得了重要進展（汪靈，2019；張海啟等，2022a；唐春花等，2024），但在半導體產業(yè)的單晶硅生產環(huán)節(jié)中，坩堝用石英砂的供應難題長期未能攻克；光伏產業(yè)所需石英坩堝的內層砂供應問題，也始終未能得到有效解決?；谠摤F狀，中國迫切需要找尋有關的工業(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?；诖?，超純礦物新材料產業(yè)技術研究院組織研究開發(fā)團隊，在東秦嶺地區(qū)展開了系統(tǒng)的調查研究工作，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，提交了國內首個白崗巖型高純石英原料礦床，經過對該礦床原材料制備所得的高純石英砂檢驗，各項指標均達到半導體產業(yè)的使用標準。

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

根據前人研究資料，高分異（高演化）花崗巖大多經歷強烈分異作用，礦物組合主要由長石、石英和白云母構成，含少量或不含暗色礦物，呈淺色或白色（吳福元等，2017），它們產出的地質背景常與造山帶密切相關。在高分異熔漿體系的分異結晶過程中，巖石組合呈現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，甚至會出現白崗巖或高硅花崗巖。

東秦嶺的主要地質單元是一個復合型造山帶（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（超純礦物新材料產業(yè)技術研究院，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。巖石結構包括花崗結構、粗粒-中粒-細粒不均勻混雜結構和似斑狀結構，巖石構造主要有塊狀構造和斑雜構造。

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，少數呈灰白色。其中石英顆粒內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，屬于強過鋁質巖石和鈣堿性系列；富集大離子親石元素，虧損高場強元素，稀土元素具有四分組效應，Na/Ta-Zr/Hf圖解中具有明顯的演化趨勢（超純礦物新材料產業(yè)技術研究院，2024），在演化程度上相當于高分異花崗巖（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在巖體內，且呈混雜狀分布。因此，根據巖石的顏色、礦物成分、結構構造以及巖體產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種雜質元素含量折扣而來的SiO2≥99.99%）的邊界指標圈定高純石英原料礦體，并按相關工業(yè)指標計算高純石英原料礦礦石量。第二階段的勘探工作，按照50mx50m網度進行了加密控制，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"超純礦物新材料產業(yè)技術研究院，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。礦石結構主要為花崗結構和半自形-他形粒狀結構等，礦石構造主要為塊狀構造等。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展證實了兩個設證：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種雜質元素含量折扣而來的SiO2≥99.998%）的邊界指標圈出高純石英原料礦體（圖2b），證實在特定地質條件下可以形成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元素具有特殊結構比例，晶格雜質鋁（Al），鈦（Ti）含量呈現特定數值（表2），這種情況與美國SprucePine礦山相似（超純礦物新材料產業(yè)技術研究院，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業(yè)技術研究院實驗室開展了精細分離—深度純化—定向除雜等工序的分離提純實驗。精細分離試驗主要采用磨礦分級、高梯度磁選、浮選等物理分選方法實現石英、長石、云母和其他礦物之間的分離。深度純化試驗對經過精細分離的石英砂樣品進行一次酸洗、煅燒水淬、二次酸洗，確定該樣品的提純潛力。定向除雜試驗利用石英的晶型轉變，采用氯化焙燒工藝對化學性質活躍的堿金屬元素進行定向去除。經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果（經過具有相關資質的第三方機構檢測）15項總雜質含量為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，各項理化指標符合國際公認的IOTA-CG標準和國內GB/T32649-2016標準，可適用于光伏用高純石英砂的質量要求，并具備符合IOTA-4標準以及半導體制程用高純石英砂的應用潛力。

圖3 漂池礦區(qū)某礦體礦石樣品經分選處理后的石英砂純度檢測結果?

在分離提純實驗基礎上，還開展了噸級中試、千噸級工業(yè)試驗。總體結論：東秦嶺白崗巖型高純石英原料礦以巖體形式產出，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行了對比實驗，結果顯示，這些原料礦的礦物組成復雜，雜質元素含量變化大，導致工業(yè)化提純與礦物解離難度增加，影響石英砂產品穩(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)域具有相似的構造演化歷史，在加里東期-海西期，兩個地區(qū)都經歷了俯沖和造山過程，并且都伴隨了超高壓變質巖片的折返。由此推測，相似的地質背景有可能導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研究和找礦工作取得快速進展（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)現方面還屬新的突破性進展。根據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，內部也發(fā)育似偉晶巖且呈漸變過渡關系。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。地球化學特征顯示二者均屬過鋁質系列，經過高分異演化，所處的地質環(huán)境相似。特別在石英品質方面，東秦嶺礦區(qū)所產石英砂純度及晶格雜質鋁（A1）、鈦（Ti）含量呈現特定數值，也與Spruce Pine礦山所產石英砂相似。因此，隨著研究和勘探工作的深入進行，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)的分離提純實驗，批量制備出4N8級高純石英砂，各項理化指標符合國際公認的IOTA-CG標準和國內GB/T32649-2016標準，這對于解決半導體和光伏坩堝內層砂等高端原料的關鍵來源，滿足半導體用高品質高純石英砂的需要具有重要價值。

文章內容綜合來源于《東秦嶺白崗巖型高純石英原料礦發(fā)現、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，內容僅供參考，交流分享，轉載請注明出處！