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摘要：高純石英是世界稀缺和我國短缺的資源，在戰略性新興產業中具有重要地位和作用。我國是高純石英消費大國，中低端產品自給有余，高端產品依賴進口。但是能夠生產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現狀，分析了高純石英的需求趨勢。
關鍵詞：高純石英；原料特征；資源開發；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）組成礦物的學名，廣泛應用在玻璃、建筑、寶玉石裝飾等傳統行業。20世紀60年代以來，計算機、新材料、新能源等新興技術對石英產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，但未經加工的天然石英難以達到高純石英的質量要求。也就是說，高純石英（highpurity quartz）是以天然石英礦為原料，經過比較復雜的提純工藝加工獲得的SiO2純度極高的石英及其產品 [1]。
高純石英是半導體、光伏、光纖、精密光學、照明設備、新型玻璃等產業不可缺少的重要功能材料。嚴格而言，高純石英不是一種礦產，而是由水晶、脈石英、石英巖、花崗偉晶巖等礦石作為原料經提純后的一種產品，因此，將能夠提純生產高純石英的礦床稱為高純石英原料礦更為適宜[2,3]。
由于不同產業需要不同質量的石英，使得高純石英沒有普適性的質量評價指標。不同的人有不同的定義。早期的研究認為，高純石英的雜質含量應小于50×10-6，即SiO2純度大于99.995%的石英為高純石英。挪威地質調查局則提出更詳細的指標，要求不僅雜質總質量要小于十萬分之五，而且Al的含量應小于十萬分之三，Ti的含量應小于十萬分之一，Na和K的含量應小于百萬分之八，Li、Ca的含量應小于百萬分之五，Fe的含量應小于百萬分之三，P的含量應小于百萬分之二，B的含量應小于百萬分之一。2014年，Flook根據市場產業需求，提出新的質量指標，認為SiO2純度在99.95%、總雜質含量小于萬分之五的石英即為高純石英，純度為99.5%~99.8%的石英可滿足半導體填料、光纖、液晶屏生產行業的要求，純度小于99.5%的石英可用在透明玻璃行業[3]。
我國汪靈專家認為，關于高純石英的概念，應同時具備純度、粒度、物相三個特征[1]。
2.1純度特征
高純石英產品的第一個特征，即最顯著特征是它們的SiO2純度高。汪靈[1]根根據我國高純石英產品生產及應用情況，按SiO2純度將高純石英產品劃分為4個等級，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）；或以產品中Al、B、Li、Na、K、Ca、Mg、Ti、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni等13種雜質元素總量進行劃分，即高端≤20×10−6，中高端≤50×10−6，中端≤100×10−6，低端≤1000×10−6。
表1高純石英產品分類與礦石原料品質要求
2.2粒度特征
高純石英產品第二個重要特征是它們的粒度要求，即加工的產品是砂，是具有一定粒度的產品。粒度作為高純石英一個重要指標，其粒度范圍一般是40~150目，具體粒度應根據工業應用確定。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高純石英砂產品主要粒度范圍與工業應用特點
2.3物相特征
高純石英產品第三個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，占到地殼質量的12.6%。
石英的成因多種多樣，但其礦床工業類型有天然水晶、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晶體礦物，主要成分為SiO2。
天然水晶的自然生長環境多是在巖洞、巖石裂縫或節理、斷層中，其生長條件比較苛刻，必須同時滿足四個條件: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，足夠生長時間。
天然水晶制備高純石英砂工藝較為簡單，水晶原礦經過粉碎、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，但礦床規模小、儲量少。
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，多呈粒狀結構，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。根據已有的研究成果，脈石英是由巖漿作用或變質作用(或混合巖化)產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，一個礦區可由單條礦脈或多條礦脈組成，脈體傾角較陡。礦床規模一般不大，但與天然水晶相比，其資源儲量相對較豐富、開采條件較有優勢。
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個省份，約占總資源儲量的84.74%，其他地區僅占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的高純石英高端系列產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現的獨特的高純石英優質原料−花崗偉晶巖石英。美國尤尼明公司采用經過改進的浮選技術，利用花崗偉晶巖中的石英替代了天然水晶，生產出了高純石英砂。
目前，偉晶巖型石英已引起國內的關注，并在新疆阿爾泰、北秦嶺等地區的找礦方面取得初步進展。在開發利用方面，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現狀[2,3]
根據現有資料，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個國家。除中國外，共有14處礦床，其中，有生產礦山的7處，尚未開采生產的7處。美國斯普魯斯派恩礦的高純石英原料資源規模最大，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，在相當長時間內甚至是唯一的來源地。
圖3 斯普魯斯派恩礦床
該礦區礦石的主要造巖礦物為斜長石、鉀長石、石英、白云母，幾乎不含鎂鐵質礦物。石英的雜質元素含量極低，經機械和化學提純后，制得的高純和超純石英主要用于半導體晶圓、精密光學玻璃以及光伏、照明等產業。
4.1.2博維爾礦床
博維爾礦位于愛達荷州北部拉塔縣博維爾鎮。經電子探針分析，該礦石中石英晶體的純度大于99.9%。2010年，艾礦產股份公司(I-Minerals，Inc.)完成預可行性研究，研發出SiO2純度為99.9%~99.997%的高純石英砂產品。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1323.5萬噸。
近年來，由于美國光伏產業逐漸移至他國，對鉀長石和高純低鐵石英的需求下降，艾礦產公司在預研報告中，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劃。但是，博維爾高純石英資源量巨大，采用傳統、類似斯普魯斯派恩礦的浮選提純工藝，即可生產高純石英砂，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、埃肯股份等全球石英產業巨頭。挪威地質調查局根據境內石英礦石的測試數據，還提出一套基于晶格雜質元素含量的高純石英質量評價指標。當前，北部的德拉格礦床和南部的內索登礦床是挪威主要的高純石英原料產地。
4.2.1德拉格礦床
德拉格礦區位于挪威北部，由分布在方圓5km2的數十個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等晶格雜質元素均達到高純石英原料的質量要求。德拉格礦區的開采始于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年開始采礦生產用于光學、照明設備、光伏的高純石英砂。
圖4 德拉格礦區地質簡圖
4.2.2內索登礦床
內索登礦(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，尚未開采內索登高純石英礦。但是，該礦對高純石英砂及制品行業具有相當大的影響。礦床的資源量大且礦區高純石英的后備資源相當豐富。在斷裂帶北段也發現了克瓦維克(Kvalvik)熱液脈石英礦，推斷資源量70萬噸，其礦石質量與內索登礦類似，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，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，克什特姆礦的規模較大，開發程度高，其高純石英產品質量優，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。礦區總長15km，寬1~3km，面積20km2，石英儲量136萬噸。礦床開發始于20世紀60~70年代，至今已超過50年。早期采礦主要用于建筑材料、玻璃等傳統行業。2011年之后開始開采生產高純石英砂。
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2014年礦區的勘探報告，可用作高純石英的資源量為33萬噸。此外，在礦區范圍外發現有多條尚未勘探的石英脈，遠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，目前已發現燈塔、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。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。經測試東、西礦體的礦石純度＞99.9%，主要雜質元素Al、Ti、Fe、P、Ca等含量均較低，經過簡單機械提純后，純度即可達99.95%以上，證明燈塔礦床為優質的高純石英原料礦。
圖5 燈塔礦
4.4.2糖袋山礦床
礦床位于喬治敦區，礦石質量極為優質，原位SiO2純度可達99.99%以上。2016年普查結果表明，礦體長約600m，平均厚度20m，鉆孔揭示礦體深度60~80m(Alper，2019)。經取樣測試和選礦提純實驗，可制得高純石英砂純度達99.995%~99.999%，滿足太陽能和半導體產業的質量要求。目前，糖袋山礦床尚未開采和生產高純石英砂，但其探明和控制的資源量規模可觀，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。白泉礦的礦石質量優異，原料SiO2純度達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%，預測高純石英資源量達1400萬噸，資源規模巨大。白泉礦可生產的高純石英砂純度涵蓋99.99%~99.999%，年產高純石英砂3萬噸，應用于光伏和半導體產業領域。目前，石英山礦床尚未進入開采期。
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，質量優異，雜質元素含量低，尤其是B和P含量很低，可用于液晶顯示器、光伏、半導體、光學玻璃等產業。經澳大利亞聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)采用傳統機械和化學提純工藝處理后，制得的高純石英砂SiO2純度可達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，但因缺少鉆孔驗證和測試分析以及必備的選礦實驗，可用作高純石英原料的資源量不明。截至目前未進行有效的采礦活動。
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量72.5萬噸；2.7m以下礦體可延伸至8m，探明儲量有進一步擴大的空間。
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。結果顯示礦石的SiO2含量為98.7%~99.6%，雜質元素B和P的平均含量分別低于0.25×10-6和0.2×10-6，可用來生產光伏石英坩堝。在計入采礦損失后，2號脈和9號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225萬噸。
4.7中國
近年來，我國一些石英砂礦山企業正努力研發高純石英的提純工藝，取得了突破性進展。湖北蘄春、江蘇東海、安徽旌德和太湖等地的優質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。鉆孔取樣分析結果表明，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%，Fe2O3＜0.02%。目前，靈虬山石英礦采用露天開采，其設計礦山規模為年采1.5萬噸礦石。
5高純石英砂需求趨勢
未來，高純石英砂在大規模及超大規模集成電路制造、光纖光纜電子通信半導體、LED照明制造封裝、軟件芯片制造材料、新能源太陽能、電子產品及器件、國防、激光技術、化工合成、精密鑄造方面應用前景也非常廣闊[5,6]。
5.1半導體行業
半導體石英產品種類繁多，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，是半導體材料生產過程中的關鍵輔助材料。半導體行業技術門檻高，對石英制品的純度和性能要求非常高。隨著物聯網、區塊鏈、汽車電子、無人駕駛、5G、AR/VR及AI等多項技術的創新發展，半導體設備、芯片等增長明顯，拉動半導體石英需求前景廣闊。
5.2光伏行業
高純石英砂耐高溫性、熱穩定性好，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層的使用比例為2:1。石英坩堝直接盛裝高溫硅液體，其質量（雜質含量、高溫下的力學性能、使用時長等）直接影響單晶的質量，對石英坩堝的質量要求較高[7，8]。
目前我國光伏行業已經基本掌握了太陽能電池制造、多晶硅生產等關鍵工藝技術，依托“一帶一路”等建設引導產業規模快速提升，拉動對光伏用石英產品的巨大市場需求。
5.3電光源行業
電光源石英制品可用于生產紫外管、高純石英管、透明管燈，廣泛運用于照明及特種光源行業，如鹵素燈、HID燈、殺菌設備及半導體行業所用的LED燈等。隨著LED對白熾燈的替代加快，LED市場規模和滲透率不斷提升，石英管作為LED的制作原料，市場需求也會不斷增加。
5.4航天航空領域
石英纖維具有強度高、借點常數和借點損耗小、耐高溫、膨脹系數小、耐腐蝕、可設計性能好等一系列特點，是航天航空領域不可或缺的戰略材料。航天航空已被列入國家戰略性新興產業和有限發展的高技術產業，石英制品需求前景廣闊。
6總結
我國以天然石英為原料加工高純石英起步較晚，目前，國產高純石英量尚不能滿足高新技術應用領域對其的需求。隨著高純石英在半導體、太陽能光伏和光纖等高新技術應用領域的需求量不斷增加，掌握高純石英加工技術愈發重要。選擇合適石英原料是成功加工出高純石英最為關鍵的一步，尋找合適的大型優質石英礦床，對石英原料進行工藝礦物學研究，確定有針對性的石英除雜提純方案極其關鍵[9]。
參考來源：
[1]汪靈.高純石英的概念及其原料品級劃分[J].礦產保護與利用,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現狀[J].巖石礦物學雜志,2021,40(01):131-141.
[3]中科院地質地球所.高純石英從何而來？
[4] 汪靈.石英的礦床工業類型與應用特點[J].礦產保護與利用,2019,39(06):39-47.
[5] 顏玲亞,高樹學,陳正國,焦麗香,詹建華,周雯,陳軍元,歐陽友和,劉艷飛.我國脈石英礦床類型及成礦規律[J].中國非金屬礦工業導刊,2020(05):10-14.
[6] 顏玲亞,劉艷飛,于海軍,陳軍元,焦麗香.中國高純石英資源開發利用現狀及供需形勢[J].國土資源情報,2020(10):98-103.
[7] 郝文俊,馮書文,詹建華,張徐,李光惠.全球高純石英資源現狀、生產、消費及貿易格局[J].中國非金屬礦工業導刊,2020(05):15-19.
[8]東方財富證券.高純石英：皇冠上的明珠.2022.
[9]馬超. 馬超,馮安生,劉長淼,邵偉華,趙平.高純石英原料礦物學特征與加工技術進展[J].礦產保護與利用,2019,39(06):48-57.
（中國粉體網編輯整理/星耀）
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