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摘要：高純石英是世界稀缺和我國短缺的資源，在戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中具有重要地位和作用。我國是高純石英消費(fèi)大國，中低端產(chǎn)品自給有余，高端產(chǎn)品依賴進(jìn)口。但是能夠生產(chǎn)高純石英的礦床極為稀缺。本文梳理了全球高純石英原料礦床的資源分布和開發(fā)現(xiàn)狀，分析了高純石英的需求趨勢。

關(guān)鍵詞：高純石英；原料特征；資源開發(fā)；脈石英

1前言

石英是自然界中最常見的礦物之一，是一組由二氧化硅（SiO₂）組成礦物的學(xué)名，廣泛應(yīng)用在玻璃、建筑、寶玉石裝飾等傳統(tǒng)行業(yè)。20世紀(jì)60年代以來，計(jì)算機(jī)、新材料、新能源等新興技術(shù)對(duì)石英產(chǎn)品的純度提出更高要求，誕生了高純石英的概念。

2高純石英的概念

石英在自然界中分布非常廣泛，但未經(jīng)加工的天然石英難以達(dá)到高純石英的質(zhì)量要求。也就是說，高純石英（highpurity quartz）是以天然石英礦為原料，經(jīng)過比較復(fù)雜的提純工藝加工獲得的SiO₂純度極高的石英及其產(chǎn)品 ^[1]。

高純石英是半導(dǎo)體、光伏、光纖、精密光學(xué)、照明設(shè)備、新型玻璃等產(chǎn)業(yè)不可缺少的重要功能材料。嚴(yán)格而言，高純石英不是一種礦產(chǎn)，而是由水晶、脈石英、石英巖、花崗偉晶巖等礦石作為原料經(jīng)提純后的一種產(chǎn)品，因此，將能夠提純生產(chǎn)高純石英的礦床稱為高純石英原料礦更為適宜^[2,3]。

由于不同產(chǎn)業(yè)需要不同質(zhì)量的石英，使得高純石英沒有普適性的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。不同的人有不同的定義。早期的研究認(rèn)為，高純石英的雜質(zhì)含量應(yīng)小于50×10^-6，即SiO₂純度大于99.995%的石英為高純石英。挪威地質(zhì)調(diào)查局則提出更詳細(xì)的指標(biāo)，要求不僅雜質(zhì)總質(zhì)量要小于十萬分之五，而且Al的含量應(yīng)小于十萬分之三，Ti的含量應(yīng)小于十萬分之一，Na和K的含量應(yīng)小于百萬分之八，Li、Ca的含量應(yīng)小于百萬分之五，F(xiàn)e的含量應(yīng)小于百萬分之三，P的含量應(yīng)小于百萬分之二，B的含量應(yīng)小于百萬分之一。2014年，F(xiàn)look根據(jù)市場產(chǎn)業(yè)需求，提出新的質(zhì)量指標(biāo)，認(rèn)為SiO₂純度在99.95%、總雜質(zhì)含量小于萬分之五的石英即為高純石英，純度為99.5%~99.8%的石英可滿足半導(dǎo)體填料、光纖、液晶屏生產(chǎn)行業(yè)的要求，純度小于99.5%的石英可用在透明玻璃行業(yè)^[3]。

我國汪靈專家認(rèn)為，關(guān)于高純石英的概念，應(yīng)同時(shí)具備純度、粒度、物相三個(gè)特征^[1]。

2.1純度特征

高純石英產(chǎn)品的第一個(gè)特征，即最顯著特征是它們的SiO₂純度高。汪靈[1]根根據(jù)我國高純石英產(chǎn)品生產(chǎn)及應(yīng)用情況，按SiO₂純度將高純石英產(chǎn)品劃分為4個(gè)等級(jí)，即高端ω(SiO₂)≥99.998%（4N8），中高端ω(SiO₂)≥99.995%（4N5），中端ω(SiO₂)≥99.99%（4N），低端ω(SiO₂)≥99.9%（3N）；或以產(chǎn)品中Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni等13種雜質(zhì)元素總量進(jìn)行劃分，即高端≤20×10⁻⁶，中高端≤50×10⁻⁶，中端≤100×10⁻⁶，低端≤1000×10⁻⁶。

表1高純石英產(chǎn)品分類與礦石原料品質(zhì)要求

2.2粒度特征

高純石英產(chǎn)品第二個(gè)重要特征是它們的粒度要求，即加工的產(chǎn)品是砂，是具有一定粒度的產(chǎn)品。粒度作為高純石英一個(gè)重要指標(biāo)，其粒度范圍一般是40~150目，具體粒度應(yīng)根據(jù)工業(yè)應(yīng)用確定。如表2所示，采用真空氣氛下電熔工藝制備石英玻璃，粒度要求40~80目；提拉法制備單晶硅的石英坩堝，粒度要求80~140目；以氫氣與氧氣為能源的氣煉工藝制備石英玻璃，粒度要求100~200目。

表2高純石英砂產(chǎn)品主要粒度范圍與工業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)

2.3物相特征

高純石英產(chǎn)品第三個(gè)重要特征是它們的物相為晶相，即石英礦物晶體。圖1是美國和挪威高純石英砂的X-射線粉晶衍射分析（XRD）譜圖，可以看出：它們都是結(jié)晶度非常高的石英單礦物晶體。其主要原因是，所有高純石英原料均來源于天然石英礦。

圖1　美國和挪威高純石英砂的X-射線粉晶衍射分析（XRD）譜圖

3高純石英原料

地殼中SiO₂主要以石英等礦物的形式存在，石英在地殼中分布是僅次于長石的礦物，占到地殼質(zhì)量的12.6%。

石英的成因多種多樣，但其礦床工業(yè)類型有天然水晶、石英砂巖、石英巖、粉石英、脈石英、天然石英砂和花崗偉晶巖石英等7種。目前，能夠用作高純石英原料的礦床工業(yè)類型只有其中的天然水晶、脈石英和花崗偉晶巖石英等3種^[4]。

3.1天然水晶^[1,4]

高純石英最初是從一、二級(jí)天然水晶中深度提純得到的。天然水晶是一種無色透明的石英結(jié)晶體礦物，主要成分為SiO₂。

天然水晶的自然生長環(huán)境多是在巖洞、巖石裂縫或節(jié)理、斷層中，其生長條件比較苛刻，必須同時(shí)滿足四個(gè)條件:充裕的生長空間，能夠提供富含二氧化硅的熱液，一定的溫度和壓力，足夠生長時(shí)間。

天然水晶制備高純石英砂工藝較為簡單，水晶原礦經(jīng)過粉碎、磁選、浮選、酸浸、干燥、焙燒后得到成品石英砂。

我國的天然水晶分布廣泛，但礦床規(guī)模小、儲(chǔ)量少。

3.2脈石英

脈石英是一種幾乎全部由致密石英塊體組成的脈體，白色、乳白色，多呈粒狀結(jié)構(gòu)，SiO2含量通常在98%左右，是加工高純石英砂理想的礦物原料之一^[1]。

脈石英常與水晶伴生，其形成與熱液密切相關(guān)。根據(jù)已有的研究成果，脈石英是由巖漿作用或變質(zhì)作用(或混合巖化)產(chǎn)生的富硅的熱液充填于裂隙，冷卻形成。此外在偉晶巖脈中含有脈石英，并與鉀長石、云母伴生^[5]。

脈石英礦體呈不規(guī)則脈狀，長度一般十幾米至幾百米，寬度一般為幾米，厚度一般幾米至幾十米，一個(gè)礦區(qū)可由單條礦脈或多條礦脈組成，脈體傾角較陡。礦床規(guī)模一般不大，但與天然水晶相比，其資源儲(chǔ)量相對(duì)較豐富、開采條件較有優(yōu)勢。

我國脈石英礦床分布廣泛，以中小型礦床為主，主要分布在江西、四川、安徽、黑龍江、新疆、陜西、浙江7個(gè)省份，約占總資源儲(chǔ)量的84.74%，其他地區(qū)僅占15.26%^[5]。

3.3花崗巖石英^[1,4]

花崗偉晶巖石英，又叫花崗巖石英或偉晶巖型石英。

美國尤尼明公司和挪威石英公司生產(chǎn)的高純石英高端系列產(chǎn)品能獲得國際壟斷地位的根本原因是，擁有世界上迄今為止唯一發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特的高純石英優(yōu)質(zhì)原料−花崗偉晶巖石英。美國尤尼明公司采用經(jīng)過改進(jìn)的浮選技術(shù)，利用花崗偉晶巖中的石英替代了天然水晶，生產(chǎn)出了高純石英砂。

目前，偉晶巖型石英已引起國內(nèi)的關(guān)注，并在新疆阿爾泰、北秦嶺等地區(qū)的找礦方面取得初步進(jìn)展。在開發(fā)利用方面，李育彪等以北秦嶺偉晶巖石英為原料，采用破碎、篩分、浮選、高溫焙燒、水淬和熱壓酸浸等方法，制備出4N高純石英砂；王安書等以河南某地花崗偉晶巖為原料，采用粗碎、煅燒水淬、細(xì)碎、磁選、浮選和酸浸等方法，制備出4N5高純石英砂（只檢測了Al、Fe、K、Ti、Ca、Mg等6種元素）。

4高純石英資源分布及開發(fā)現(xiàn)狀^[2,3]

根據(jù)現(xiàn)有資料，全球高純石英原料礦床分布于美國、挪威、澳大利亞、俄羅斯、毛里塔尼亞、中國、加拿大等7個(gè)國家。除中國外，共有14處礦床，其中，有生產(chǎn)礦山的7處，尚未開采生產(chǎn)的7處。美國斯普魯斯派恩礦的高純石英原料資源規(guī)模最大，超過1000萬噸；資源量最小的是挪威德拉格(Drag)礦，僅有26.7萬噸。

圖2 全球高純石英原料礦床分布（引自：王九一，2021）

4.1美國

4.1.1斯普魯斯派恩礦床

斯普魯斯派恩高純石英原料礦位于美國，采礦區(qū)有超過100年的悠久采礦歷史。該礦供給了全球90%以上的高純石英砂需求量，在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)甚至是唯一的來源地。

圖3 斯普魯斯派恩礦床

該礦區(qū)礦石的主要造巖礦物為斜長石、鉀長石、石英、白云母，幾乎不含鎂鐵質(zhì)礦物。石英的雜質(zhì)元素含量極低，經(jīng)機(jī)械和化學(xué)提純后，制得的高純和超純石英主要用于半導(dǎo)體晶圓、精密光學(xué)玻璃以及光伏、照明等產(chǎn)業(yè)。

4.1.2博維爾礦床

博維爾礦位于愛達(dá)荷州北部拉塔縣博維爾鎮(zhèn)。經(jīng)電子探針分析，該礦石中石英晶體的純度大于99.9%。2010年，艾礦產(chǎn)股份公司(I-Minerals，Inc.)完成預(yù)可行性研究，研發(fā)出SiO₂純度為99.9%~99.997%的高純石英砂產(chǎn)品。礦床鉀長石和石英的探明資源量437.8萬噸，控制資源量885.7萬噸，共計(jì)1323.5萬噸。

近年來，由于美國光伏產(chǎn)業(yè)逐漸移至他國，對(duì)鉀長石和高純低鐵石英的需求下降，艾礦產(chǎn)公司在預(yù)研報(bào)告中，將埃洛石和高嶺石作為采礦重心，暫無開采鉀長石和高純石英的計(jì)劃。但是，博維爾高純石英資源量巨大，采用傳統(tǒng)、類似斯普魯斯派恩礦的浮選提純工藝，即可生產(chǎn)高純石英砂，礦石的提純加工難度較低。

4.2挪威

挪威的石英資源非常豐富，并且擁有TQC、�？瞎煞莸热�球石英產(chǎn)業(yè)巨頭。挪威地質(zhì)調(diào)查局根據(jù)境內(nèi)石英礦石的測試數(shù)據(jù)，還提出一套基于晶格雜質(zhì)元素含量的高純石英質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)前，北部的德拉格礦床和南部的內(nèi)索登礦床是挪威主要的高純石英原料產(chǎn)地。

4.2.1德拉格礦床

德拉格礦區(qū)位于挪威北部，由分布在方圓5km2的數(shù)十個(gè)偉晶巖型的石英礦體組成。石英晶體純凈，粒徑平均6mm，Al、Ti、Li、B等晶格雜質(zhì)元素均達(dá)到高純石英原料的質(zhì)量要求。德拉格礦區(qū)的開采始于1907年。早期的礦山以露天方式開采偉晶巖中的鉀長石，到了1996年開始采礦生產(chǎn)用于光學(xué)、照明設(shè)備、光伏的高純石英砂。

圖4 德拉格礦區(qū)地質(zhì)簡圖

4.2.2內(nèi)索登礦床

內(nèi)索登礦(Nesodden)礦體長約580m，寬15m，延伸150m，礦石中的石英晶體較大。截至目前，尚未開采內(nèi)索登高純石英礦。但是，該礦對(duì)高純石英砂及制品行業(yè)具有相當(dāng)大的影響。礦床的資源量大且礦區(qū)高純石英的后備資源相當(dāng)豐富。在斷裂帶北段也發(fā)現(xiàn)了克瓦維克(Kvalvik)熱液脈石英礦，推斷資源量70萬噸，其礦石質(zhì)量與內(nèi)索登礦類似，可用作高純石英原料。

4.3俄羅斯

在俄羅斯烏拉爾山脈的東側(cè)，有2處高純石英礦床，分別是亞極地烏拉爾的薩蘭保爾礦床和南烏拉爾的克什特姆礦床。其中，克什特姆礦的規(guī)模較大，開發(fā)程度高，其高純石英產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)，在國際市場占有一定比例。

4.3.1克什特姆礦床

克什特姆礦床為熱液脈石英型。礦區(qū)總長15km，寬1~3km，面積20km²，石英儲(chǔ)量136萬噸。礦床開發(fā)始于20世紀(jì)60~70年代，至今已超過50年。早期采礦主要用于建筑材料、玻璃等傳統(tǒng)行業(yè)。2011年之后開始開采生產(chǎn)高純石英砂。

4.3.2薩蘭保爾礦床

薩蘭保爾礦床為熱液脈石英型。礦石呈半透明－透明狀，玻璃光澤。根據(jù)2014年礦區(qū)的勘探報(bào)告，可用作高純石英的資源量為33萬噸。此外，在礦區(qū)范圍外發(fā)現(xiàn)有多條尚未勘探的石英脈，遠(yuǎn)景資源量可能更為可觀。

4.4澳大利亞

澳大利亞的石英資源非常豐富，主要分布于昆士蘭州北部、維多利亞州和西澳大利亞州。其中，昆士蘭州北部為主要的高純石英原料礦來源地，目前已發(fā)現(xiàn)燈塔、糖袋山、白泉、石英山等多處礦床。

4.4.1燈塔礦床

礦床位于昆士蘭州北部的喬治敦區(qū)。燈塔礦床由東、西兩座狀似燈塔、高出地表約440m的石英山峰組成，因此得名。該礦區(qū)礦石純凈、呈半透明或乳白色、塊狀，近直立狀充填于斷層中。經(jīng)測試東、西礦體的礦石純度＞99.9%，主要雜質(zhì)元素Al、Ti、Fe、P、Ca等含量均較低，經(jīng)過簡單機(jī)械提純后，純度即可達(dá)99.95%以上，證明燈塔礦床為優(yōu)質(zhì)的高純石英原料礦。

圖5 燈塔礦

4.4.2糖袋山礦床

礦床位于喬治敦區(qū)，礦石質(zhì)量極為優(yōu)質(zhì)，原位SiO₂純度可達(dá)99.99%以上。2016年普查結(jié)果表明，礦體長約600m，平均厚度20m，鉆孔揭示礦體深度60~80m(Alper，2019)。經(jīng)取樣測試和選礦提純實(shí)驗(yàn)，可制得高純石英砂純度達(dá)99.995%~99.999%，滿足太陽能和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量要求。目前，糖袋山礦床尚未開采和生產(chǎn)高純石英砂，但其探明和控制的資源量規(guī)�？捎^，可露天開采。

4.4.3白泉和石英山礦床

白泉和石英山礦的礦床為熱液石英脈型。白泉礦的礦石質(zhì)量優(yōu)異，原料SiO₂純度達(dá)99.99%以上，被推斷高純石英的資源量150萬噸。石英山礦石原料純度大于99.5%，預(yù)測高純石英資源量達(dá)1400萬噸，資源規(guī)模巨大。白泉礦可生產(chǎn)的高純石英砂純度涵蓋99.99%~99.999%，年產(chǎn)高純石英砂3萬噸，應(yīng)用于光伏和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。目前，石英山礦床尚未進(jìn)入開采期。

4.4.4克雷西克礦床

該礦床為金礦尾礦型，由19世紀(jì)淘金熱開采金礦廢棄后的尾礦組成。礦石是尾礦中6～200mm的石英礫石，質(zhì)量優(yōu)異，雜質(zhì)元素含量低，尤其是B和P含量很低，可用于液晶顯示器、光伏、半導(dǎo)體、光學(xué)玻璃等產(chǎn)業(yè)。經(jīng)澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)采用傳統(tǒng)機(jī)械和化學(xué)提純工藝處理后，制得的高純石英砂SiO₂純度可達(dá)99.995%。

4.5毛里塔尼亞

4.5.1烏姆阿奎尼納礦床

該礦床為熱液脈石英型。礦石呈淺灰色的半透明狀、光滑透明狀，部分采樣礦石的SiO₂含量大于99.8%。地表出露的礦體表現(xiàn)為破碎的大塊脈石英礫石，其上覆蓋少量紅土。石英的推斷資源量為500~1000萬噸，但因缺少鉆孔驗(yàn)證和測試分析以及必備的選礦實(shí)驗(yàn)，可用作高純石英原料的資源量不明。截至目前未進(jìn)行有效的采礦活動(dòng)。

圖6 烏姆阿奎尼納礦床

4.5.2查米礦床

查米礦床距烏姆阿奎尼納礦20km。礦床成因、礦石類型、圍巖、賦存特征與烏姆阿奎尼納礦類似，礦石呈半透明狀、光滑透明狀，礦石SiO₂含量為98%~99.9%。表層2.7m以上礦體的高純石英原料探明儲(chǔ)量72.5萬噸；2.7m以下礦體可延伸至8m，探明儲(chǔ)量有進(jìn)一步擴(kuò)大的空間。

4.6加拿大

在加拿大魁北克省東南部約翰比茲灣的海岸帶，10條北東－南西向的熱液脈石英礦體出露地表，即約翰比茲高純石英原料礦。結(jié)果顯示礦石的SiO₂含量為98.7%~99.6%，雜質(zhì)元素B和P的平均含量分別低于0.25×10^-6和0.2×10^-6，可用來生產(chǎn)光伏石英坩堝。在計(jì)入采礦損失后，2號(hào)脈和9號(hào)脈地表礦體的高純石英控制資源量分別為174.3萬噸和50.7萬噸，合計(jì)225萬噸。

4.7中國

近年來，我國一些石英砂礦山企業(yè)正努力研發(fā)高純石英的提純工藝，取得了突破性進(jìn)展。湖北蘄春、江蘇東海、安徽旌德和太湖等地的優(yōu)質(zhì)熱液脈石英可能具有高純石英原料的潛力。靈虬山脈石英礦位于湖北省蘄春縣西北約20km的橫車鎮(zhèn)。鉆孔取樣分析結(jié)果表明，礦石幾乎全由石英組成，晶體粒徑1~2mm。礦石SiO₂純度＞99.35%，Al₂O₃＜0.22%，F(xiàn)e₂O₃＜0.02%。目前，靈虬山石英礦采用露天開采，其設(shè)計(jì)礦山規(guī)模為年采1.5萬噸礦石。

5高純石英砂需求趨勢

未來，高純石英砂在大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造、光纖光纜電子通信半導(dǎo)體、LED照明制造封裝、軟件芯片制造材料、新能源太陽能、電子產(chǎn)品及器件、國防、激光技術(shù)、化工合成、精密鑄造方面應(yīng)用前景也非常廣闊^[5,6]。

5.1半導(dǎo)體行業(yè)

半導(dǎo)體石英產(chǎn)品種類繁多，主要用于硅片制造單晶的石英坩堝、硅片承載器具、光掩膜版的基板材料等，是半導(dǎo)體材料生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵輔助材料。半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)門檻高，對(duì)石英制品的純度和性能要求非常高。隨著物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、汽車電子、無人駕駛、5G、AR/VR及AI等多項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，半導(dǎo)體設(shè)備、芯片等增長明顯，拉動(dòng)半導(dǎo)體石英需求前景廣闊。

5.2光伏行業(yè)

高純石英砂耐高溫性、熱穩(wěn)定性好，可用于制造單晶硅用石英坩堝。高純石英砂在石英坩堝外層和內(nèi)層的使用比例為2:1。石英坩堝直接盛裝高溫硅液體，其質(zhì)量（雜質(zhì)含量、高溫下的力學(xué)性能、使用時(shí)長等）直接影響單晶的質(zhì)量，對(duì)石英坩堝的質(zhì)量要求較高^[7，8]。

目前我國光伏行業(yè)已經(jīng)基本掌握了太陽能電池制造、多晶硅生產(chǎn)等關(guān)鍵工藝技術(shù)，依托“一帶一路”等建設(shè)引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)規(guī)�？焖偬嵘�，拉動(dòng)對(duì)光伏用石英產(chǎn)品的巨大市場需求。

5.3電光源行業(yè)

電光源石英制品可用于生產(chǎn)紫外管、高純石英管、透明管燈，廣泛運(yùn)用于照明及特種光源行業(yè)，如鹵素?zé)�、HID燈、殺菌設(shè)備及半導(dǎo)體行業(yè)所用的LED燈等。隨著LED對(duì)白熾燈的替代加快，LED市場規(guī)模和滲透率不斷提升，石英管作為LED的制作原料，市場需求也會(huì)不斷增加。 

5.4航天航空領(lǐng)域

石英纖維具有強(qiáng)度高、借點(diǎn)常數(shù)和借點(diǎn)損耗小、耐高溫、膨脹系數(shù)小、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性能好等一系列特點(diǎn)，是航天航空領(lǐng)域不可或缺的戰(zhàn)略材料。航天航空已被列入國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和有限發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，石英制品需求前景廣闊。

6總結(jié)

我國以天然石英為原料加工高純石英起步較晚，目前，國產(chǎn)高純石英量尚不能滿足高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ涞男枨�。隨著高純石英在半導(dǎo)體、太陽能光伏和光纖等高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的需求量不斷增加，掌握高純石英加工技術(shù)愈發(fā)重要。選擇合適石英原料是成功加工出高純石英最為關(guān)鍵的一步，尋找合適的大型優(yōu)質(zhì)石英礦床，對(duì)石英原料進(jìn)行工藝礦物學(xué)研究，確定有針對(duì)性的石英除雜提純方案極其關(guān)鍵^[9]。

參考來源：

[1]汪靈.高純石英的概念及其原料品級(jí)劃分[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用,2022,42(05):55-63.

[2] 王九一.全球高純石英原料礦的資源分布與開發(fā)現(xiàn)狀[J].巖石礦物學(xué)雜志,2021,40(01):131-141.

[3]中科院地質(zhì)地球所.高純石英從何而來？

[4] 汪靈.石英的礦床工業(yè)類型與應(yīng)用特點(diǎn)[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用,2019,39(06):39-47.

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