眾所周知，美國尤尼明公司高純石英砂的原礦為花崗質(zhì)偉晶巖（曾稱(chēng)為白崗巖），產(chǎn)自北卡羅來(lái)納州Spruce Pine地區。該區的偉晶巖最初的工業(yè)價(jià)值是用來(lái)生產(chǎn)長(cháng)石和白云母，石英是尾礦中的廢棄物。
 

 
▲尤尼明（Unimin）在北卡羅萊納的石英工廠(chǎng)提供了世界上大部分的高純度和超高純度石英

在上世紀70年代，由于石英玻璃原料——水晶的日漸枯竭，尋找可替代水晶的天然石英成為當時(shí)許多國家急需攻克的國家目標。在此背景下，經(jīng)過(guò)改進(jìn)浮選技術(shù)，利用花崗質(zhì)偉晶巖中的石英替代了水晶，生產(chǎn)出了高純石英砂，直到今天美國尤尼明仍然壟斷著(zhù)全球90%的高純石英砂市場(chǎng)。
 
我國新疆阿爾泰地區是世界聞名的花崗偉晶巖集中區。在長(cháng)達413km，寬20~60km的變質(zhì)巖區帶內，出露各類(lèi)花崗偉晶巖脈數萬(wàn)條，形成十余個(gè)偉晶巖密集區。
 

 ▲新疆阿爾泰地區花崗偉晶巖脈

本文試圖通過(guò)對新疆庫衛和青河兩地一些花崗偉晶巖樣品的分析，從地質(zhì)背景、礦物巖石學(xué)和地球化學(xué)特征等方面，與美國Spruce Pine地區的產(chǎn)高純石英的偉晶巖對比，進(jìn)而評價(jià)阿爾泰地區偉晶巖中高純石英資源的前景。
 

1、地質(zhì)背景

 
美國產(chǎn)高純石英的花崗質(zhì)偉晶巖，位于北卡羅來(lái)納州西部，Blue Ridge省的Avery、Mithell和Yancey縣的Spruce Pine偉晶巖地區（圖1），偉晶巖帶長(cháng)40km，寬16km。
 

在Spruce Pine地區，最豐富的巖石是前寒武紀的云母和角閃石片麻巖、片巖，含有少量的白云石大理巖。這些巖石相繼被前寒武紀的小巖體純橄欖巖、早古生代（可能是晚奧陶世或者早志留世）的白崗巖和相關(guān)的偉晶巖、三疊紀玄武巖和輝綠巖巖脈和巖床侵入。這些巖石的風(fēng)化作用十分強烈，在一些地方被風(fēng)化成厚達15m的腐泥土，一些白崗巖和偉晶巖被風(fēng)化形成了有經(jīng)濟價(jià)值的高嶺土礦床。
 
我國新疆庫衛偉晶巖區位于阿爾泰富蘊縣境內。該區出露的地層主要為中-上奧陶統哈巴河群上亞群（O2-3hbc），巖性主要為二云母微斜長(cháng)石豆狀混合巖、條痕狀混合巖、石英片巖（圖2）。
 

在變質(zhì)巖中偉晶巖脈十分發(fā)育，富含白云母，形成時(shí)代為海西期和印支期。海西期的其他侵入巖有輝長(cháng)蘇長(cháng)巖、輝長(cháng)輝綠巖、黑云母混合花崗巖、片麻狀二云母花崗巖等。燕山期侵入巖的巖性主要為硅線(xiàn)石二云母混合花崗巖、二云母花崗巖等。
 
青河偉晶巖區位于新疆阿爾泰青河縣境內（圖3）。調查區出露的地層主要為中-上奧陶統哈巴河群（O2-3hb），巖性為一套復雜的中深度變質(zhì)的片巖、片麻巖、混合巖、變粒巖、千枚巖、變質(zhì)砂巖，在其上下亞群均分布有大量的偉晶巖脈，富含白云母，形成于加里東期。海西期中粒閃長(cháng)巖侵入于中上奧陶統哈巴河群下亞群（O2-3hba）之石榴子石片麻巖、條帶狀混合巖之中。在青格里河沿岸地面均覆蓋著(zhù)第四紀巖塊、砂礫、砂土等。
 

2、樣品采集和分析方法
 

樣品分別采自美國北卡羅來(lái)納州Spruce Pine地區的白崗巖礦山和中國新疆阿爾泰地區庫衛和青河的白云母花崗巖/偉晶巖體中。
 
對所采集的樣品首先磨制薄片進(jìn)行巖相學(xué)研究，在此基礎上篩選出新鮮的代表性樣品進(jìn)行化學(xué)組成分析。
 
考慮到樣品的代表性，一般是選取多塊樣品組合在一起破碎，重量2~3kg，然后通過(guò)縮分器縮分后，稱(chēng)重約100g磨細用作化學(xué)分析。全巖樣品的主要化學(xué)組成利用XRFS方法分析，微量元素和稀土元素采用ICP-MS方法分析。
 

3、礦物巖石學(xué)特征
 

美國Spruce Pine地區以SP-01和SP-02號樣品為代表。據Brobst對該地區的地質(zhì)調查成果：白崗巖的平均顆粒大小為1.3cm，偉晶巖巖塊不規則地分布在整個(gè)白崗巖巖體中，粒度大于1.3cm。
 
按照Brobst的粒度標準，SP-01和SP-02號樣品應稱(chēng)其為白崗巖。白崗巖和偉晶巖含有大約40%的更長(cháng)石、25%石英、20%微斜長(cháng)石（一般為條紋長(cháng)石）和15%的白云母（圖4）。最常見(jiàn)的伴生礦物有黑云母、石榴子石、磷灰石、褐簾石、綠簾石、錳黝簾石、黃鐵礦和磁黃鐵礦。伴生礦物總量不超過(guò)5%。
 

新疆庫衛地區以KW-04和KW-08號樣品為代表。KW-04號樣品為偉晶狀含石榴子石白云母花巖，平均粒度大于1cm。主要礦物成分大約為70堿性長(cháng)石、25%石英、5%石榴子石和少量細粒云母，長(cháng)石絕大多數為鈉長(cháng)石，呈聚片雙晶，外可見(jiàn)少量的反條紋長(cháng)石（圖5a）。KW-08號樣是偉晶狀白云母花崗巖，平均粒度大于1cm，主礦物成分大約為60%堿性長(cháng)石、20%石英和20%云母，以含大片狀白云母為特征。堿性長(cháng)石以斜長(cháng)石為主，多數呈格子雙晶，另外可見(jiàn)一些紋長(cháng)石；少量為鈉長(cháng)石，呈聚片雙晶（圖5b）。
 

新疆青河地區以QH-01，QH-06-1和QH-08樣品為代表。QH-01樣品為花崗質(zhì)偉晶巖，主要物成分大約為60%堿性長(cháng)石、40%石英和少量鱗狀白云母。堿性長(cháng)石主要為呈格子雙晶的微斜石，少量是呈聚片雙晶的鈉長(cháng)石，長(cháng)石和石英常構成文象結構。QH-06-1為中粒白云母花崗巖主要礦物組成大約為60%堿性長(cháng)石、20%石英、20%白云母，含少量副礦物石榴子石和電氣石。堿性長(cháng)石以鈉長(cháng)石為主，呈聚片雙晶，少量為微斜長(cháng)石，呈格子雙晶（圖6a）。QH-08號樣品為中粗粒含電氣石白云母花崗巖，主要礦物成分大約為55%堿性長(cháng)石、30%石英和7%白云母，普遍含電氣石，達5%以上。堿性長(cháng)石既有呈格子雙晶的微斜長(cháng)石，顆粒相對較大；又有成聚片雙晶的鈉長(cháng)石，顆粒大小不均（圖6b）。
 

4、巖石地球化學(xué)特征

 
（1）主量元素地球化學(xué)特征
 

Spruce Pine地區的樣品中SiO₂含量為74.50%和77.60%；K₂O+Na₂O=7.91%和7.25%，鈉大于鉀，K₂O/Na₂O=0.19和0.52；Al₂O₃=12.95%~15.60%；鐵鎂含量相近，鐵略高，FeOT=0.34%和0.32%，MgO=0.21%和0.19%，CaO=1.54%和1.15%；鋁飽和指數（ACNK）為1.05和1.03。因此具有亞堿性和弱過(guò)鋁質(zhì)的主元素化學(xué)特征（圖7），在圖8中落于花崗巖區。
 

庫衛地區的樣品中SiO₂含量為72.49%和74.56%；K₂O+Na₂O=9.21%和8.56%，K₂O/Na₂O=0.03和3.42，一個(gè)富鉀，一個(gè)富鈉；Al₂O₃=16.43%和14.70%；Fe，Mg，Ca分別為FeOT=0.55%和0.40%，MgO=0.16%和0.25%，CaO=0.53%和0.42%；鋁飽和指數（ACNK）為1.03和1.32。因此具有亞堿性和弱到強過(guò)鋁質(zhì)的巖石化學(xué)特征（圖7），在圖8中落于花崗巖區。
 

青河地區的樣品中SiO₂含量為73.89%，79.29%和75.28%；K₂O+Na₂O=11.19%，5.44%和9.10%；K₂O/Na₂O=2.98，0.34和1.14，一個(gè)富鈉，兩個(gè)富鉀；Al₂O₃=14.30，11.74和14.40%；Fe，Mg，Ca分別為FeOT=0.06%，0.83%和0.25%，MgO=0.14%，0.26%和0.24%；CaO=0.09%，0.52%和0.45%；鋁飽和指數（ACNK）為1.03，1.29和1.10。因此QH-08和QH-06-1樣品屬于亞堿性，QH-01樣品具有堿性，它們都有弱到強過(guò)鋁質(zhì)的主元素地球化學(xué)特征（圖7）。由于QH-06-1中的鉀含量較低，導致K₂O+Na₂O含量過(guò)低，不能在圖8中投出，其它兩個(gè)樣品均落于花崗巖區。
 
（2）微量元素地球化學(xué)特征
 
從表1中可以看出，在美國Spruce Pine地區，兩個(gè)樣品的微量元素除了Zr和Ba有較大差別外，其他元素差別不大，它們的原始地幔不相容元素標準化模式比較接近（圖9）。
 

該地區樣品的稀土元素都存在Eu的正異常（圖9），δEu值分別為1.19和2.97；稀土總量較低，分別為17.70×10-6和11.65×10-6；都屬于輕稀土元素富集型，LREE/HREE為3.61和5.85。SP-02號樣品的第一組La-Ce-Pr-Nd和第二組Pm-Sm-Eu-Gd具有典型的M型稀土元素四分組效應，SP-01號樣品僅第二組的四分組效應明顯。
 

在新疆庫衛地區，樣品的微量元素差別較大（表1，圖10），KW-08樣品的Rb，Ba，Sr，Nb，Ta明顯高于KW-04樣品。它們的稀土元素更是差異明顯，KW-04為重稀土元素富集型，LREE/HREE為0.73；Eu負異常，δEu值0.38；稀土總量為5.41×10-6。KW-08樣品為輕稀土元素富集型，LREE/HREE為6.97；Eu正異常，δEu值13.5；稀土總量很低，僅有3.03×10-6。KW-04樣品具有典型的M型稀土元素四分組效應，其中第一組La-Ce-Pr-Nd，第三組Gd-Tb-Dy-Ho和第四組Er-Tm-Yb-Lu四分組效應比較明顯，第二組Pm-Sm-Eu-Gd因Eu虧損而偏離上凸曲線(xiàn)。KW-08的第二組和第三組的四分組效應明顯。
 

青河地區樣品的微量元素差別不是十分明顯，在原始地幔不相容元素標準化圖解上有相近的變化趨勢（圖11），其差別主要表現在稀土元素上。QH-01和QH-06-1都屬于輕稀土元素富集型，LREE/HREE分別為7.60和6.04；都有明顯的Eu負異常，δEu分別為0.21和0.13；但是它們的稀土總量有明顯差別，分別為4.73×10-6和40.95×10-6。QH-08號樣品與它們相比有明顯不同，后者相對富集重稀土元素，LREE/HREE為2.73；明顯虧損中稀土元素，Eu負異常不甚明顯，只有0.68；稀土總量為5.29×10-6。QH-06-1和QH-08樣品表現出明顯的M型稀土元素四分組效應，其中第一組La-Ce-Pr-Nd，第三組Gd-Tb-Dy-Ho和第四組Er-Tm-Yb-Lu四分組效應較明顯，第二組Pm-Sm-Eu-Gd因Eu虧損而偏離上凸曲線(xiàn)。QH-01樣品的四分組效應不明顯。
 
綜上可以看出，美國Spruce Pine和新疆庫衛、青河地區巖石樣品中的稀土總量（ΣREE）都不高；除了KW-04號樣品富集重稀土以外，其它均為輕稀土富集型；美國Spruce Pine樣品和KW-08樣品都出現了Eu正異常，而其他樣品為Eu負異常；在所研究的樣品中，多數樣品具有M型稀土元素四分組效應。
 

5、石英中的元素雜質(zhì)
 

國際公認的高純石英砂是Al，K，Na，Li，Ca，Fe，Mg，Mn，Ti，Zr，Cu，Cr，Ni，P，B共15種元素雜質(zhì)小于22.26×10^-6的高技術(shù)產(chǎn)品，是半導體、太陽(yáng)能光伏、高端電光源（如汽車(chē)金鹵燈）行業(yè)的重要支撐材料。
 
本項研究對Spruce Pine、庫衛和青河地區的白崗巖/偉晶巖中的石英純度進(jìn)行了初步評價(jià)。對這些地區的一些代表性樣品，在顯微鏡下通過(guò)人工挑選石英，然后進(jìn)行酸浸，利用ICP-AES方法分析石英中的雜質(zhì)含量，結果見(jiàn)表2。
 

表2可以看出，本文分析的Spruce Pine樣品中Al，Na，Ca和K的含量明顯偏高，可能是在挑選石英時(shí)混入了主要造巖礦物鈉長(cháng)石。從其他元素的對比可以看出，新疆庫衛、青河、可可托海的樣品與產(chǎn)高純石英的Spruce Pine樣品比較接近。由此可見(jiàn)，若對阿爾泰地區的這些偉晶巖進(jìn)行嚴格的加工，其中的石英有可能達到高純石英砂的標準。
 

6、討論和結論
 

美國Spruce Pine白崗巖/偉晶巖地區，產(chǎn)高純英的花崗質(zhì)偉晶巖，形成于早古生代，可能是奧陶世或者早志留世，圍巖為前寒武紀的云母角閃石片麻巖、片巖，含有少量的白云石大理。
 
我國新疆阿爾泰地區庫衛和青河的花崗質(zhì)偉巖，形成于晚古生代和中生代，圍巖為中上奧陶統哈巴河（O2-3hbc），巖性主要為中深度變質(zhì)的片巖、片巖、混合巖、變粒巖、千枚巖、變質(zhì)砂巖。
 
就圍巖來(lái)看，二者的變質(zhì)程度接近，但時(shí)代差別較，Spruce Pine地區的偉晶巖發(fā)育在前寒武紀變質(zhì)基底之上，而阿爾泰地區的偉晶巖的圍巖則為古生代沉積的變質(zhì)巖。偉晶巖的形成時(shí)代也不同，阿爾泰地區的偉晶巖時(shí)代新、期次多。Spruce ine地區的偉晶巖形成時(shí)代老，為早古生代。
 
從巖相學(xué)特征來(lái)看，Spruce Pine地區的白崗/偉晶巖和新疆庫衛、青河地區的白云母花崗巖晶巖的主要造巖礦物都由堿性長(cháng)石、石英和白母組成，但堿性長(cháng)石的性質(zhì)有明顯差別，前者要為鈉長(cháng)石，后者多數樣品主要為微斜長(cháng)石，有KW-04和QH-06-1樣品與前者類(lèi)似，其中堿長(cháng)石主要為鈉長(cháng)石。
 
在副礦物方面，KW-04和QH-06-1亦與前者相似，都含有石榴子石，只是QH-06-1還含有電氣石。
 
從元素地球化學(xué)特征來(lái)看，Spruce Pine地區的白崗巖/偉晶巖和新疆庫衛、青河地區的白云母花崗巖/偉晶巖的主元素SiO₂和Al₂O₃沒(méi)有明顯差別，暗色組分Fe，Mg，Ti等也較相近。但在堿金屬和堿土金屬方面存在不同，前者的K₂O+Na₂O相對于后者偏低，CaO偏高。除了QH-01號樣品外，它們都屬于亞堿性的過(guò)鋁質(zhì)花崗巖類(lèi)（圖4，圖5），并具有高分異鈣堿性的特征（圖12）。
 

但是，需要特別注意的是，在K₂O/Na₂O上，新疆庫衛和青河地區的樣品中只有KW-04和QH-06-1與Spruce Pine地區可以類(lèi)比，它們都表現為鈉大于鉀的地球化學(xué)性質(zhì)，與其斜長(cháng)石大于堿性長(cháng)石的巖石學(xué)特征一致。
 
在微量元素方面，美國的樣品含有較高的大離子親石元素（LILE），特別是Sr和Ba的含量明顯高于阿爾泰地區。但Spruce Pine和阿爾泰地區樣品的高場(chǎng)強元素（HFSE）和稀土元素（REE）都普遍較低，高場(chǎng)強元素的含量變化在（11.67~104.19）×10^-6之間，稀土元素為（3.03~40.95）×10^-6，而且多數樣品都具有M型稀土元素四分組效應。如此低的高場(chǎng)強元素和稀土元素，以及四分組效應，表明形成偉晶巖的“巖漿”可能是過(guò)鋁質(zhì)花崗質(zhì)巖漿通過(guò)了熔體-蒸汽的分異作用形成的富流體的端員，因為在此過(guò)程中，這些元素的蒸汽/熔體分配系數都很低。Eu正異?？赡芘cEu相對于熔體相而更易于進(jìn)入流體相有關(guān)。
 
鑒此，可得出初步結論：Spruce Pine地區和新疆阿爾泰的庫衛、青河地區的偉晶巖可能是過(guò)鋁質(zhì)花崗巖漿通過(guò)熔體-蒸汽高度分異作用的產(chǎn)物。產(chǎn)高純石英的偉晶巖發(fā)育在片巖、片麻巖的背景之上，主要造巖礦物中富含鈉長(cháng)石，全巖樣品中以Na₂O>K₂O，大離子親石元素Sr和Ba含量高、高場(chǎng)強元素和稀土元素含量低、四分組效應明顯、Eu正異常，以及石英中雜質(zhì)元素含量低為特征，這些特征可作為高純石英偉晶巖的判別標志。
 
我國阿爾泰地區的偉晶巖脈十分發(fā)育，所研究的樣品中，有些樣品已經(jīng)具有這些特點(diǎn)，而且石英本身的純度較高，值得繼續開(kāi)展更加深入和全面的研究。期望通過(guò)本文，起到拋磚引玉作用，以引起對高純石英偉晶巖研究的重視，為我國的半導體和太陽(yáng)能光伏行業(yè)的發(fā)展打造資源基地。
 
 
來(lái)源：美國Spruce Pine與新疆阿爾泰地區高純石英偉晶巖的對比研究，作者：張曄，陳培榮
編輯整理：粉體技術(shù)網(wǎng)