高純石英是自然界產(chǎn)出的（如水晶）或由較純凈的石英原料加工而成的高品質(zhì)石英，是半導體、高溫燈管、通訊、精密光學(xué)、微電子、太陽(yáng)能等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)所必需的原料。天然形成的高純石英匱乏或極為有限（如水晶），為了得到高純石英，常常是將自然界純度較高的石英原料提純成高純石英。因此，對高純石英原料的評價(jià)，以及對高純石英原料賦存源巖和形成機制的研究，將有益于可持續地供給高純石英原料、加工提純高純石英。
　　
　　1、高純石英原料綜合評價(jià)
　　
　　單靠化學(xué)成分來(lái)評判石英品質(zhì)的優(yōu)劣具有片面性，評價(jià)石英應綜合考慮各種因素。就石英礦物本身而言，應考慮石英的化學(xué)成分、嵌布粒度、共生的脈石礦物、包裹體和晶格雜質(zhì)這五個(gè)因素。
 

　　
　　在評價(jià)石英原料時(shí)，首先要對石英原料SiO2的重量百分比、石英嵌布粒度、脈石礦物種類(lèi)、包裹體的種類(lèi)和數量以及石英晶格雜質(zhì)多少進(jìn)行研究和判斷；然后再對石英原料的這5項指標進(jìn)行等級評價(jià)（等級分a、b、c和d四等），綜合判斷。
　　
　　例如，如果某一石英原料的5項指標中，獲得的a越多，那么石英就越純凈，是理想的高純石英原料；反之，石英原料不理想，需要經(jīng)過(guò)復雜的工藝進(jìn)行提純。
　　
　　當然，外部雜質(zhì)可以比較容易地通過(guò)物理、化學(xué)處理等去除。內部雜質(zhì)包括“類(lèi)質(zhì)同象替代、氣液包裹體、礦物包裹體”三種賦存形式。石英中類(lèi)質(zhì)同象替代雜質(zhì)和礦物包裹體雜質(zhì)去除比較困難。石英中氣液包裹體雜質(zhì)可以通過(guò)加熱爆裂-純水洗滌加以去除，當然氣液包裹體越大越容易爆裂，從而更容易地洗滌去除。
　　
　　在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，需要綜合各方面因素，權衡利弊，綜合評價(jià)。
　　
　　2、高純石英原料理想源巖
　　
　　巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖以及熱液脈體中都可能含有石英，不同地質(zhì)成因巖石中石英的量和質(zhì)不盡相同，提純工藝和難度千差萬(wàn)別，工業(yè)用途也大相徑庭。
　?。?）巖漿巖
　　中酸性巖漿巖如花崗巖、閃長(cháng)巖、流紋巖等是主要的富石英巖石，含有大量的石英。但是由于其他造巖礦物如長(cháng)石、角閃石、云母等常與石英嵌布在一起，并不是很好的石英源巖。在實(shí)際生產(chǎn)中，常常選擇白崗巖、偉晶巖和熱液脈體作為提取石英原料的源巖，因為它們主要由石英組成，雜質(zhì)礦物相對較少，便于分離和提純。
　　
　　例如，矽比科公司（原美國尤尼明公司）生產(chǎn)的IOTA型高純石英加工自美國北卡羅來(lái)納州西部Spruce Pine的白崗巖（主要由淺色礦物組成，平均粒度約1.3cm）。張曄和陳培榮對比了美國SprucePine地區與新疆阿爾泰地區出露的偉晶巖，結果表明阿爾泰地區出露的部分偉晶巖的地球化學(xué)特征可與Spruce Pine地區的偉晶巖對比（如大離子親石元素Sr和Ba含量高，高場(chǎng)強元素和稀土元素含量低等），并推測這些偉晶巖可能源于花崗質(zhì)巖漿經(jīng)熔體－蒸汽高度分異作用產(chǎn)生的流體，因而晶出石英的雜質(zhì)元素含量相對較低，據此為阿爾泰地區部分偉晶巖具有產(chǎn)出高純石英的潛力。
　?。?）變質(zhì)巖
　　變質(zhì)巖中包含眾多含石英巖類(lèi)，如糜棱巖、角閃巖、片麻巖、麻粒巖等。不過(guò)，這些巖石的中石英晶體的粒度大多是細粒的，并與其他造巖礦物緊密嵌布，并不是理想的石英原料。對于變質(zhì)巖，常選擇全巖SiO2含量較高，幾乎由石英組成的巖石，如變質(zhì)石英巖、部分的硅質(zhì)板巖以及經(jīng)變質(zhì)作用分異的石英脈等。這些巖石或是經(jīng)歷了變質(zhì)作用的改造，使部分原有的雜質(zhì)元素遷移，從而提高了石英的純度（如變質(zhì)石英巖和硅質(zhì)板巖）；或是由雜質(zhì)元素少的變質(zhì)流體結晶形成（如變質(zhì)脈體）。
　　例如，Müller et al研究了挪威北部藍晶石石英巖，分析發(fā)現石英中的雜質(zhì)元素含量低、流體包裹體缺乏、石英與其他礦物的顆粒邊界多為平直面等優(yōu)點(diǎn)。結合區域地質(zhì)背景，作者推測退變質(zhì)作用影響了石英原有微量元素組成。在退變質(zhì)過(guò)程中，石英發(fā)生了晶格恢復，伴隨著(zhù)顆粒邊界區縮小、晶界遷移的過(guò)程，這有利于愈合石英的晶格缺陷，將晶格中的雜質(zhì)元素（如Al、Ti等）驅逐到顆粒邊界或/和濃縮到包裹體中。
　?。?）沉積巖
　　沉積巖是工業(yè)上二氧化硅原材料的主要供給巖石。在沉積巖中，相對較純的含石英巖石包括沉積成因的石英砂和石英巖。沉積成因的石英砂通常形成于外動(dòng)力地質(zhì)作用強烈的環(huán)境，如風(fēng)化強烈區域和海灘淘洗強烈地區；沉積成因的石英巖的化學(xué)純度高，隱晶質(zhì)和/或無(wú)定形的二氧化硅膠結物含量有所提升。
　　
　　除了上述提到的以石英為主要礦物組成的高純石英原料巖石外，仍需對其他含石英巖石及其石英進(jìn)行研究，綜合評價(jià)其能否成為生產(chǎn)高純石英的原料。這將有益于高純石英原料的可持續供給。
　　
　　不同地質(zhì)環(huán)境形成的相對純凈的石英，其化學(xué)純度和雜質(zhì)元素不盡相同，因此它們首選應用領(lǐng)域有差別。
 

　　
　　3、高純石英原料地質(zhì)成因
　　一般地，石英的微量元素組成與石英結晶時(shí)熔體/流體性質(zhì)和結晶后受到的后期改造（如構造變形、變質(zhì)作用、熱液交代等）有關(guān)。所以相對純凈石英可以在外界環(huán)境適宜，同時(shí)雜質(zhì)少的熔/流體中直接結晶形成；如果一開(kāi)始熔/流體形成石英的純度、粒度等均不佳，也可以在后期的改造（如構造變形、變質(zhì)作用、熱液交代等）過(guò)程，通過(guò)晶格恢復、顆粒間界遷移等方式驅除雜質(zhì)得以“凈化”；當然，也可以形成于上述兩種方式的疊加。
　　挪威北部的Nedre Øyvollen偉晶巖是優(yōu)質(zhì)的高純石英原料，其產(chǎn)出的石英顆粒晶體大、純度高且化學(xué)成分均一?；瘜W(xué)成分測定表明，Nedre Øyvollen偉晶巖本身含有較低的雜質(zhì)元素。Müller et al推斷Nedre Øyvollen偉晶巖中性質(zhì)優(yōu)良的石英是直接從雜質(zhì)元素相對較少的硅酸鹽熔體中晶出的。
　　與之相似，美國尤尼明公司生產(chǎn)用于加工生產(chǎn)高純石英的原料巖石是美國北卡羅來(lái)納州西部Spruce Pine地區的白崗巖，其中較粗粒的石英晶體也可能源自雜質(zhì)元素相對較少的高度分異演化的巖漿。
　　另外，挪威Nesodden和Kvalvik石英脈是具有提純成高純石英潛力的石英源，其化學(xué)純度高，雜質(zhì)元素少，推測晶出這些石英脈的熱液流體本身的雜質(zhì)元素就很少。當然，這兩處石英脈與其他礦物嵌布，并包含包裹體和亞顯微包裹體，這會(huì )增加提純的難度。
　　
　　石英在后期遭受的改造也可能使其純度提高。例如，Van den Kerkhof and Hein和Müller et al分別對挪威的麻粒巖（Bamble sector地區）和藍晶石石英巖（地點(diǎn)廣泛）研究后，都發(fā)現退變質(zhì)過(guò)程形成石英晶體的化學(xué)純度較高，雜質(zhì)相對較少。這是因為原生的石英包含眾多的點(diǎn)缺陷（置換原子和間隙原子），這會(huì )增加石英晶體的內能，使之處于熱力學(xué)不穩定狀態(tài)。而在退變質(zhì)過(guò)程中，石英會(huì )以顆粒間界遷移的方式（重結晶過(guò)程）進(jìn)行晶格恢復，逐步消除缺陷，驅除石英中的雜質(zhì)元素。雜質(zhì)元素會(huì )向晶界遷移或聚集形成包裹體。
　　
　　此外，后期的動(dòng)力擾動(dòng)和熱擾動(dòng)也會(huì )使石英中的某些雜質(zhì)元素去除。例如，Müller et al在研究芬蘭的Sveconorwegian偉晶巖時(shí)，發(fā)現相對于未變形、未遭受熱接觸變質(zhì)偉晶巖中的石英，發(fā)生糜棱巖化且遭受熱接觸變質(zhì)的偉晶巖中石英的Li和Al的含量相對更低，這表明后期的動(dòng)力擾動(dòng)和熱擾動(dòng)可以去除石英中的Li和Al這兩類(lèi)雜質(zhì)元素。不過(guò)，發(fā)生糜棱巖化和熱接觸變質(zhì)偉晶巖中石英的Ti和Ge含量相對提高（類(lèi)似于將一種雜質(zhì)元素轉換成另一種雜質(zhì)元素），這也會(huì )增加石英提純的困難。
　　
　　除了上述提到的兩種主要石英“純凈”機制（從雜質(zhì)少的熔體或流體中晶出、原有石英受后期改造）外，還需對其他有利于石英純化的內動(dòng)力和外動(dòng)力地質(zhì)作用進(jìn)行研究，這不僅有益于找尋高純石英原料，還會(huì )對石英原料的提純加工有所啟示和裨益。
　　
　　4、雜質(zhì)對高純石英提純的影響
　　
　　石英理論化學(xué)組成是SiO2，但是在自然界不存在純SiO2石英。石英或多或少都包含一些雜質(zhì)元素（如Al、Ti、K、Na、Ge等），其種類(lèi)和含量與晶出石英時(shí)的熔/流體和外界環(huán)境與結晶后受到的改造有關(guān)。
　　
　　石英晶體中雜質(zhì)含量及賦存狀態(tài)，是決定石英晶體能否成為高純石英的重要制約因素。結合工藝指標和商業(yè)價(jià)值綜合評價(jià)高純石英成礦潛力時(shí)，要綜合考查石英礦物的嵌布特征、共存的脈石礦物和種類(lèi)等。詳細查明雜質(zhì)元素在石英晶體內部的賦存狀態(tài)、數量和分布特征，對于后續的礦物提純加工和探討其工業(yè)用途至關(guān)重要。
　　
　　在提純技術(shù)方面，在整個(gè)工藝流程中，經(jīng)過(guò)焙燒水淬、磁選、酸浸工序，石英中雜質(zhì)元素Fe、Cr、Ni、Na、K、Ca、Mg、Cu等可以大幅度降低。但Al在經(jīng)歷一系列提純工序之后，去除效果有限，這主要是因為Al3+進(jìn)入晶格替代Si4+、而且離子半徑也比較接近，不易提純。類(lèi)似的還有Ti4+、B3+、P3+等雜質(zhì)元素?？梢?jiàn)，天然石英內部的雜質(zhì)，特別是以類(lèi)質(zhì)同像狀態(tài)存在的雜質(zhì)，直接制約著(zhù)高純石英產(chǎn)品生產(chǎn)，當原礦Al、Ti、Li、B、P等雜質(zhì)元素含量較高，就不易獲得高純石英。
　　
　　資料來(lái)源：《楊曉勇,孫超,曹荊亞,施建斌.高純石英的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].地學(xué)前緣:2021》，由【粉體技術(shù)網(wǎng)】編輯整理，轉載請注明出處！