張海啟,朱黎寬,趙海波,劉磊,郭峰,劉廣學(xué),伊躍軍,張宏麗

1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所，河南 鄭州 450006；2.國(guó)家非金屬礦資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450006；3.自然資源部高純石英資源開(kāi)發(fā)利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450006

引言

高純石英是光伏能源、集成電路、信息通信、人工智能等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)不可或缺的關(guān)鍵性基礎(chǔ)材料，是世界稀缺、我國(guó)短缺的戰(zhàn)略性資源，在國(guó)家資源安全保障方面具有重要地位[1-3]。

高純石英原料的來(lái)源主要分為水晶、脈石英和花崗偉晶巖三種。水晶礦床一般規(guī)模較小，目前主要用作工藝品原料；脈石英礦床一般規(guī)模不大，僅部分可用做高純石英原料；偉晶巖型高純石英具有規(guī)模大、品質(zhì)高的特點(diǎn)，其中以北卡羅來(lái)納州Spruce Pine偉晶巖礦床最為典型，美國(guó)矽比科(Sibelco)公司利用該礦床偉晶巖生產(chǎn)的IOTA系列高純石英砂產(chǎn)品，幾乎壟斷了國(guó)際市場(chǎng)上高端石英砂產(chǎn)品[4]。偉晶巖型高純石英是將來(lái)高純石英相關(guān)勘查和研究的重要對(duì)象。

北秦嶺地區(qū)出露花崗偉晶巖脈群(6 913條，平均密度約8.6條/km2)，前人在該地區(qū)的研究主要集中在與偉晶巖有關(guān)的鈮、鉭、鋰、鈾等礦床(化)[5-7]，對(duì)高純石英資源的有關(guān)方向的研究較少。

近年來(lái)我們開(kāi)展了北秦嶺盧氏、商南、丹鳳等地區(qū)偉晶巖型高純石英資源找礦研究，在盧氏地區(qū)發(fā)現(xiàn)多處偉晶巖型高純石英資源，找礦潛力巨大。本次研究可為我國(guó)偉晶巖型高純石英資源的調(diào)查評(píng)價(jià)提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于北秦嶺構(gòu)造帶東部，該構(gòu)造帶南以商丹縫合帶為界，北以洛南—欒川斷裂帶為界[8]。地層主要由寬坪巖群、二郎坪巖群、秦嶺巖群、峽河巖群和丹鳳群組成[9](圖1)。區(qū)內(nèi)發(fā)育早古生代花崗巖和深熔脈巖，包括侵入秦嶺巖群中的漂池巖體(496.1±4.2 Ma)、灰池子巖體(445.6±6.1 Ma)等[8]。已發(fā)現(xiàn)花崗偉晶巖6 000余條，形成商南、欒莊、官坡、龍泉坪4個(gè)花崗偉晶巖巖密集區(qū)。秦嶺巖群中發(fā)現(xiàn)多個(gè)變質(zhì)年齡為500 Ma的高壓—超高壓巖塊。

圖1 北秦嶺地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)張成立等，2013，修改)

北秦嶺地區(qū)已發(fā)現(xiàn)偉晶巖型稀有金屬礦床(點(diǎn))4處，分別為南陽(yáng)山、七里溝、蔡家溝和白廟溝稀有金屬礦，大多為含鈮、鉭、鋰、鈹?shù)牡V床，同時(shí)分布多個(gè)偉晶巖型鈾礦化點(diǎn)和鈾礦床，如陳家莊、光石溝鈾礦。該地區(qū)是我國(guó)重要的偉晶巖型稀有金屬礦和硬巖型鈾礦成礦遠(yuǎn)景區(qū)。

2 礦床特征

龍泉坪偉晶巖型高純石英礦床位于灰池子巖體東南(圖1)。礦區(qū)地層主要為古元古代秦嶺巖群石槽溝組、中-新元古代峽河巖群寨根組和第四系。石槽溝組巖性主要為黑云斜長(zhǎng)片麻巖、黑云二長(zhǎng)片麻巖、二云斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃片麻巖和大理巖；寨根組巖性主要為石榴二云石英片巖、黑云石英片巖、斜長(zhǎng)角閃巖；第四系主要分布于河谷兩側(cè)及邊坡地帶，由沖洪積砂、黃土、腐殖土等組成(圖2)。

1—第四系；2—秦嶺巖群石槽溝組；3—峽河巖群寨根組；4—偉晶巖脈；5—礦體；6—河流；7—道路

區(qū)內(nèi)斷裂多為毛河斷裂的次級(jí)斷裂，規(guī)模較小，一般傾向北東，以脆性斷裂為主；發(fā)育規(guī)模較小的為褶皺構(gòu)造。

礦區(qū)內(nèi)無(wú)巖體出露，礦區(qū)外圍北西約7 km處出露灰池子巖體(445.6±6.1 Ma)，主要巖性為黑云母二長(zhǎng)花崗巖(ηγβ3)和黑云母花崗閃長(zhǎng)巖(γδβ3)。該巖體與礦體關(guān)系密切。

通過(guò)地質(zhì)填圖、勘查工程和分析測(cè)試，初步圈定6條偉晶巖型高純石英礦體。其中LD-5號(hào)礦體規(guī)模最大，位于礦區(qū)西南，長(zhǎng)255 m，寬10～33 m，總體走向近南北，傾向283°，傾角43°～52°。礦石類型為白云母花崗偉晶巖型，礦石呈淡綠～灰白色，偉晶結(jié)構(gòu)、文象結(jié)構(gòu)，分帶不明顯。主要礦物成分為鈉長(zhǎng)石(31%～51%)、微斜長(zhǎng)石(11%～20%)、石英(25%～38%)和白云母(7%～9%)，含少量石榴子石、黑云母、磷灰石、針鐵礦等。經(jīng)深度提純石英SiO2含量達(dá)到99.995%，部分樣品純度達(dá)到99.997%。

3 偉晶巖型高純石英礦床的發(fā)現(xiàn)過(guò)程

2019年至今，依托于自然資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查二級(jí)項(xiàng)目，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院鄭州礦產(chǎn)綜合利用所持續(xù)開(kāi)展了高純石英資源調(diào)查研究。

2019年，通過(guò)江西宜春地區(qū)花崗巖資源的綜合利用評(píng)價(jià)，認(rèn)為原礦中石英礦物含量不是決定石英高純化程度的關(guān)鍵因素，石英礦物所含包裹體、尤其是氣液包裹體是制約石英高純化的關(guān)鍵因素。在系統(tǒng)總結(jié)國(guó)內(nèi)外高純石英礦床地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，提出在北秦嶺、新疆阿爾泰、江西石城等地開(kāi)展花崗偉晶巖型高純石英資源的調(diào)查評(píng)價(jià)意義重大。

2020年，調(diào)查評(píng)價(jià)了北秦嶺、阿爾泰地區(qū)的偉晶巖型高純石英資源，構(gòu)建了高純石英“成礦遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)—調(diào)查區(qū)圈定—樣品精準(zhǔn)采集—預(yù)處理—選礦深度除雜—化學(xué)深度提純—產(chǎn)品檢測(cè)分析”的全鏈條調(diào)查評(píng)價(jià)體系，利用“構(gòu)造特征+礦物組合+石英標(biāo)型”的高純石英找礦方法，在北秦嶺地區(qū)發(fā)現(xiàn)偉晶巖型高純石英礦體10余處，部分礦石經(jīng)提純加工，石英中SiO2含量達(dá)到或超過(guò)99.995%，取得了偉晶巖型高純石英資源的重大發(fā)現(xiàn)。

2021年，實(shí)地查證了北秦嶺地區(qū)偉晶巖型高純石英資源，對(duì)LD-5號(hào)礦體進(jìn)行了槽探揭露和深部鉆探驗(yàn)證，控制了脈體的分布和延伸，估算高純石英礦物資源量(控制+推斷)69萬(wàn)t，達(dá)到高純石英中型礦產(chǎn)地規(guī)模。

4 礦床對(duì)比與找礦方向

4.1 與美國(guó)Spruce Pine礦床對(duì)比

全球偉晶巖型高純石英原料礦床主要為美國(guó)Spruce Pine礦床，其資源規(guī)模超過(guò)1 000萬(wàn)t，高純石英砂供應(yīng)量占全球供應(yīng)量的90%以上[10]。

Spruce Pine礦床位于北卡羅萊納州西部Spruce Pine鎮(zhèn)，出露地層主要為前寒武紀(jì)Ashe組的云母和角閃片麻巖、片巖，少量白云母大理巖?；◢徺|(zhì)巖石以小的巖體和偉晶巖脈的形式侵入Ashe組中，侵入年代在477～404 Ma之間，接近區(qū)域變質(zhì)作用發(fā)生時(shí)間的高峰。偉晶巖在花崗巖和圍巖中均有出露，部分花崗巖體中包含的偉晶巖塊體體積超過(guò)50%[11-12]。龍泉坪偉晶巖型高純石英礦床位于古元古代秦嶺巖群和中-新元古代峽河巖群的片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖中，晚加里東—早海西期北秦嶺雜巖地體南北海盆發(fā)生陸內(nèi)雙向俯沖，俯沖過(guò)程中新元古代玄武質(zhì)巖石重熔形成花崗質(zhì)巖漿[13]，巖漿侵位后期形成富含揮發(fā)分且高度分異演化的巖漿熱液，巖漿熱液經(jīng)過(guò)結(jié)晶分異作用形成石英中雜質(zhì)極低的高純石英礦。兩者有相似的成礦背景和成礦作用過(guò)程。

Spruce Pine礦床中偉晶巖的礦物成分主要為鈉長(zhǎng)石40%、石英25%、微斜長(zhǎng)石20%、白云母15%，少量黑云母、石榴子石等。巖石中SiO2含量74%～77%，Na2O>K2O，屬過(guò)鋁質(zhì)堿性巖石，具有稀土總量低(11.6×10-6～17.7×10-6)，輕稀土富集，Eu正異常特征[4]。龍泉坪礦床中的偉晶巖礦物成分主要為鈉長(zhǎng)石(31%～51%)、微斜長(zhǎng)石(11%～20%)、石英(25%～38%)和白云母(7%～9%)，含少量石榴子石、黑云母等，SiO2含量76%～79%，Na2O>K2O，屬過(guò)鋁質(zhì)、過(guò)堿性巖石，亦具有稀土總量低(1.6×10-6～8.0×10-6)，輕稀土富集特征，但呈Eu負(fù)異常[14]。兩者有大致相似的巖石礦物成分和地球化學(xué)特征。

北秦嶺地區(qū)偉晶巖脈數(shù)量多，規(guī)模大，新發(fā)現(xiàn)的盧氏龍泉坪石英礦床具有和美國(guó)Spruce Pine高純石英礦床相似的地質(zhì)特征，顯示該地區(qū)具有尋找偉晶巖型高純石英資源的潛力。

4.2 偉晶巖型高純石英找礦方向

國(guó)內(nèi)目前具有高純石英潛力的原料產(chǎn)地主要為湖北蘄春、江蘇東海、安徽旌德和太湖等地，為熱液脈型石英[15]，龍泉坪偉晶巖型高純石英礦床的發(fā)現(xiàn)為高純石英地質(zhì)找礦提供了新思路。偉晶巖型高純石英資源具有獨(dú)特的地質(zhì)背景，Spruce Pine礦床和盧氏龍泉坪石英礦床均產(chǎn)于前寒武紀(jì)的古老變質(zhì)巖中，與古生代的花崗質(zhì)巖漿關(guān)系密切。分布于我國(guó)古老變質(zhì)巖中的偉晶巖集中分布區(qū)是高純石英資源的重要找礦遠(yuǎn)景區(qū)。北秦嶺、新疆阿爾泰等地區(qū)偉晶巖分布廣泛，且具有形成高純石英資源的地質(zhì)背景條件，建議加大北秦嶺河南盧氏和陜西商南、新疆阿爾泰等地區(qū)的高純石英調(diào)查評(píng)價(jià)研究。

美國(guó)矽比科公司選擇高純石英原料的標(biāo)準(zhǔn)主要有兩項(xiàng)：一是選擇晶體結(jié)構(gòu)中雜質(zhì)最少的石英，二是選擇氣液包裹體少的石英[1]。石英中雜質(zhì)含量和流體包裹體含量是制約高純石英提純的最主要因素[16-17]。目前高純石英產(chǎn)品質(zhì)量分類主要以雜質(zhì)含量為依據(jù)，如英國(guó)工業(yè)礦物手冊(cè)定義高純石英雜質(zhì)總含量小于50×10-6[3]；挪威地調(diào)局提出高純石英雜質(zhì)總含量應(yīng)小于50×10-6、Al含量小于30×10-6、Ti含量小于10×10-6[18]。石英礦物中雜質(zhì)元素的含量與巖漿體系中元素的含量相關(guān)，與稀有金屬成礦相關(guān)的石英中往往具有較高的金屬元素Al、Li含量，如江西某地稀有金屬白崗巖石英中Al和Li的含量分別為443.93×10-6和68.09×10-6，河南盧氏南陽(yáng)山含稀有金屬礦化偉晶巖石英中Al和Li含量分別為111.80×10-6和14.61×10-6。石英中高含量的Al、Li雜質(zhì)元素制約了石英最終加工處理后的純度，因此應(yīng)盡量選擇不含稀有金屬礦化的偉晶巖脈體開(kāi)展地質(zhì)找礦。

流體包裹體是影響高純石英提純的關(guān)鍵性因素。包裹體中的K、Na等雜質(zhì)元素影響了高純石英的純度；包裹體中的水和氣體間接導(dǎo)致石英管、石英坩堝等產(chǎn)品制備過(guò)程中氣泡、氣線瑕疵的產(chǎn)生，對(duì)產(chǎn)品表觀質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。目前去除石英礦物中流體包裹體的方法主要為高溫爆裂法，該方法較好適用于個(gè)體較大的流體包裹體，對(duì)于細(xì)小的流體包裹體去除效果不理想[17]；偉晶巖中石英內(nèi)部的流體包裹體一般個(gè)體較小，多數(shù)在10 μm以下，一般情況下對(duì)其較難去除。找礦中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注流體包裹體含量低的偉晶巖脈。

5 結(jié)論

(1)河南盧氏龍泉坪偉晶巖型高純石英礦和美國(guó)Spruce Pine高純石英礦具有相似的成礦地質(zhì)背景和地球化學(xué)特征，顯示北秦嶺地區(qū)具有尋找偉晶巖型高純石英資源的潛力。

(2)雜質(zhì)元素和包裹體是制約高純石英品質(zhì)的關(guān)鍵因素，不含稀有金屬礦化、流體包裹體含量低的偉晶巖脈體是尋找高純石英資源理想的目標(biāo)地質(zhì)體。

(3)該地區(qū)偉晶巖型高純石英礦床的首次發(fā)現(xiàn)，對(duì)我國(guó)高純石英地質(zhì)勘查具有重要的示范和引領(lǐng)作用。建議加大對(duì)北秦嶺和新疆阿爾泰等地區(qū)的高純石英調(diào)查評(píng)價(jià)工作。