高纯石英的矿床类型、典型矿床和成矿规律

The high-purity quartz sand used in industry is fine-grained quartz sand that has been processed and purified. Therefore, theoretically, any geological body with a quartz content exceeding 20% and meeting purity requirements is a potential high-purity quartz deposit. According to existing source data, high-purity quartz deposits can be categorized into several types based on genesis, including white granite type, pegmatite type, hydrothermal vein type, and quartzite type. This section summarizes the geological characteristics of different types of high-purity quartz deposits, introduces foreign deposit examples, and preliminarily explores the corresponding mineralization.

3.1   白岗岩型高纯石英矿床

白岗岩(alaskite)，即白色-灰色的碱长花岗岩，主要由石英(20%~60vol%)和长石组成，长石以钾长石为主(钾长石占全部长石90%以上)，岩石中铁镁暗色矿物的含量往往在10%以下。白岗岩型高纯石英矿床是最为重要的一类，因为 表 1不同高纯石英砂产品杂质元素含量(×10^-6)天然已知的最纯石英就产自美国的Spruce Pine白岗岩，这也是已知的唯一在生产的白岗岩型高纯石英矿床。Spruce Pine位于北卡罗莱纳州西部的阿巴拉契亚山蓝岭地区，开采的白岗岩高纯石英矿体主要有2处，包括Hawkins和School House(图 2)。Hawkins矿体位于白岗岩体北部(图 3a)，分别由Sibelco和TQC公司开采; 而School House由Sibelco单独开采。

Spruce Pine白岗岩为粗粒结构(图 3b, c)，平均粒度约1cm，主要由40%奥长石、25%石英、20%微斜长石和15%白云母以及少量副矿物组成(Brobst, 1962; Swanson and Veal, 2010)。副矿物包括黑云母、石榴子石、磷灰石、绿帘石、锰黝帘石、黄铁矿、黄铜矿和磁铁矿(Swanson and Veal, 2010)。按照矿物组成，可定名为花岗闪长岩。地球化学上，白岗岩为过铝质。值得注意的是，Spruce Pine中的长石以斜长石为主，并不严格符合白岗岩的定义，因此更准确的名称应该是淡色花岗岩(淡色花岗岩对长石的种类没有明确要求)，并且由于该岩体粒度明显大于一般的花岗岩体，有学者建议命名为细粒伟晶岩(Parker Ⅲ，1952)。考虑到许多资料中将白岗岩和淡色花岗岩等同，且普遍使用“白岗岩”来描述Spruce Pine的花岗闪长岩，本文延续这一用法。Spruce Pine白岗岩型高纯石英矿床资料较为少见，目前尚未见到专门针对其成矿理论的论著。

Spruce Pine地区主要为Ashe变质系的蓝晶石片麻岩和片岩，先后被纯橄岩和白岗岩侵入(图 2)。Spruce Pine西南部Chalk Mountain的白岗岩体显示不同程度的片理化现象，该处的锆石U-Pb年龄指示岩体形成时代为377.7±2.5Ma(Miller et al., 2006)。Spruce Pine地区也广泛发育和白岗岩同时代的伟晶岩，产在白岗岩中与后者呈渐变关系，部分伟晶岩也侵入Ashe变质系岩石中(Swanson and Veal, 2010)。按照Černý and Ercit(2005)的伟晶岩分类方案，Spruce Pine伟晶岩可归为白云母-稀有金属类型，并显示弱的Nb-Y-F稀有元素富集信号(Rakovan, 2008; Wise and Brown, 2009)。长期以来，由于缺乏直接的地质资料，Spruce Pine高纯石英产自白岗岩还是伟晶岩一直存在争议。笔者经多方确认，Spruce Pine白岗岩才是主要来源，而这些伟晶岩由于规模太小并不构成高纯石英工业矿体。

Spruce Pine地区最早开采伟晶岩中的长石、云母以及伟晶岩、白岗岩风化层中的高岭石。随着泡沫浮选技术的引入，分选白岗岩矿物的成本迅速降低。相比伟晶岩，白岗岩粒度、矿物组分相对均一，因此其最终取代伟晶岩，成为Spruce Pine长石的主要来源(Callahan，1985)。起初，石英仅作为长石采矿中的伴收矿物，经过研磨、擦洗、浮选和磁选等物理选矿步骤，得到的石英砂杂质元素含量最高值如下：Al < 200×10^-6、Na < 100×10^-6、K < 50×10^-6~80×10^-6、Ca < 50×10^-6、Mg < 30×10^-6、Fe < 20×10^-6、Ti < 5×10^-6、Li < 2×10^-6，这些石英砂产品也被称为Quintas; 通过进一步化学处理，包括酸洗和氯化等步骤，可得到相当高品质的高纯石英砂(图 3d)，各种杂质成分的含量最高值如下：Al < 15×10^-6、Na < 2×10^-6、K < 2×10^-6、Ca < 2×10^-6、Mg < 0.5×10^-6、Fe < 1×10^-6、Ti < 1×10^-6、Li < 0.5×10^-6，这些石英砂产品就是通常所说的IOTA(Miller et al., 2002)。Spruce Pine高纯石英的储量目前没有公开数据，但多数资料均认为在数千万吨以上，其中TQC公司的矿权范围较小，但储量也超过1000万t。

白岗岩本质上是一种花岗岩，其石英的杂质含量特征可参考花岗岩中石英微量元素的理论认识。Cullum(1997)调查分析了2000多个花岗岩中石英的杂质元素含量，他将花岗岩破碎到50目以下，通过浮选、磁选、化学处理回收石英颗粒，再进行石英全岩微量元素分析并检查石英的熔融行为。作者总结了以下关于花岗岩石英的重要规律：(1)这类石英具有良好到出色的熔融行为; (2)石英纯净度和花岗岩矿物粒度大小没有直接联系; (3)富含黑云母或白云母或两者都有的花岗岩，石英纯净度较好，且富含黑云母花岗岩的石英B含量较低; (4)当花岗岩体中存在伟晶岩时，花岗岩和伟晶岩石英的化学特征相似; (5)当花岗岩出现电气石、含锂矿物、绿柱石时，这些矿物富集的元素也会反映在石英的杂质含量中。Breiter et al.(2020)利用LA-ICP-MS对比分析了S型和A型花岗岩石英的杂质组分，提出A型花岗岩石英具有相对低的Al、Li、Ti杂质含量，反映了较低的岩浆演化程度结晶相对纯净度石英。白岗岩含20%~30vol%的石英，其优点是体积大，可以形成规模巨大的高纯石英资源，但白岗岩中石英往往与长石等矿物交生在一起，不利于工业化矿物解离(Götze et al., 2021)。Spruce Pine白岗岩的特别之处是其颗粒粗大易于分选，以至于部分文献将其称为伟晶岩。需要说明的是，白岗岩的石英纯度并非均匀。在Spruce Pine地区，高纯石英矿体仅在白岗岩体的局部出现，需要通过钻探、化验对矿体进行圈定，这也暗示了可能存在岩浆演化或后期构造等因素控制了石英的最终品质。

3.2   伟晶岩型高纯石英矿床

花岗伟晶岩含有20%~30vol%的石英，是高纯石英矿床的重要类型，也是成矿规律研究资料相对丰富的一类。伟晶岩往往富集稀有金属，根据富集稀有金属的组合，可将其划分为Li-Cs-Ta(LCT)和Nb-Y-F(NYF)两类(Černý, 1991; Černý and Ercit, 2005)。Müller et al.(2021)统计对比了几个典型的伟晶岩带，发现NYF伟晶岩石英比LCT类型杂质含量往往低一个数量级以上，具有更佳的高纯石英成矿潜力。例如，挪威南部Froland地区和Evje-Iveland地区分布有几千个NYF伟晶岩体，其中Froland地区的单个伟晶岩体石英资源量约为35万t，杂质平均含量(80±31)×10^-6，部分超过100万t，杂质平均含量(67±11)×10^-6，石英矿石品质接近高纯石英矿床标准(Müller et al., 2015)。

伟晶岩往往成群产出，在空间上呈现分带。经典模型认为，从残余的花岗质熔体中结晶的伟晶岩围绕花岗母岩分布，且距母岩体越远的伟晶岩熔体分异演化程度更高(Linnen et al., 2012)。根据这一特点，以及分异程度高的熔体具有更高Al饱和指数和更高的Li、B和Ge等含量，越远离母岩体的石英杂质元素含量可能更高。由此推测，近岩体的伟晶岩具有更佳的高纯石英成矿潜力。另一方面，伟晶岩体内部往往显示空间分带，从外侧到中心可分为边界带、墙带、中间带和核部带，其中核部带常由粗大石英块体组成(London，2008)。许多研究表明，伟晶岩石英成分具有明显的不均一性，石英杂质含量总体变化趋势为越往伟晶岩中心越高(Müller et al., 2015, 2021)。对于内部没有空间分带的伟晶岩，可能和熔体结晶过程中未充分分异演化有关，推测其石英杂质含量可能相对均一，不过还需研究工作确认。

挪威北部Tysfjord地区分布着30多个NYF型伟晶岩体，从这些伟晶岩中开采的石英在全球范围内具有极佳的化学纯度，构成了世界上产品品质仅次于Spruce Pine的高纯石英矿床(图 4)。Tysfjord地区是加里东造山带中的一个构造窗，出露花岗片麻岩以及赋存其中的NYF伟晶岩群。这些伟晶岩最大长度接近400m，也是目前已知的世界上最大的内生NYF型伟晶岩群(Müller et al., 2022, 2025)。Tysfjord花岗片麻岩原岩属于古元古代(1.8Ga)波罗的海大陆的花岗结晶基底，随后在加里东碰撞造山中经历了角闪岩相变质作用，其峰期变质时代为410Ma，变质温压条件约为740℃和1.2GPa(Müller et al., 2022; Zhou et al., 2022)。在该花岗片麻岩中存在古元古代(1772~1755Ma)和泥盆纪(400~380Ma)的两期NYF伟晶岩体，这两期成矿事件分别与古元古代的花岗岩浆活动以及加里东碰撞后的伸展作用有关(Müller et al., 2022; Zhou et al., 2022)。古元古代伟晶岩体规模较大，发育巨大的石英核部带，是高纯石英的主要来源(图 5a)。古元古代伟晶岩呈现出加里东构造变形的特征，可进一步细分为强变形和弱变形两种类型。这些伟晶岩的原始内部分带已遭破坏，新发育的分带从外向内包括片理化花岗质墙带、富钾长石中间带以及石英核带(图 5b, c)。这两种伟晶岩类型中的石英均经历了动态重结晶，流体包裹体含量相对较少。相反，泥盆纪伟晶岩群规模较小，未经变形，呈现经典的内部分带(图 5d)，石英中含有大量流体包裹体，沿愈合微裂缝分布。

3.3   热液脉型高纯石英矿床

热液脉也是高纯石英资源的来源之一，这类矿床的工业类型也常被称为脉石英。在我国的《矿业资源工业参考手册》(2021年版)一书中，脉石英就被作为高纯石英的原料予以介绍。本节介绍国外两个热液脉型高纯石英矿床的案例。Götze et al.(2017)报道了俄罗斯南乌拉尔地区Chelyabinsk(译“车里雅宾斯克市”)西北部的一系列热液脉型高纯石英矿床。这些矿体位于Ufalei变质杂岩体中，形成与乌拉尔地区多期变质作用有关，石英脉形成于变质作用的退变质阶段。石英遭受不同程度的变形，变形程度越高的石英显示阴极发光强度越低。这些石英的Al、Ti含量多数小于15×10^-6和10×10^-6，Li、B、Ge、P等元素含量也多在1×10^-6~2×10^-6以下。其中，该区的Kyshtym矿床175号脉的一块石英分析结果显示，石英粒度在0.5mm以上，少见流体包裹体，石英Al含量小于6.5×10^-6，Ti含量为1.8×10^-6~4.4×10^-6，Li含量为0.45×10^-6~0.79×10^-6，P含量为1.0×10^-6~3.8×10^-6，B、Ge和K含量均小于1×10^-6(Götze et al., 2017)。俄罗斯的Russian Quartz公司利用Kyshtym 175号脉的热液脉型矿床生产了一系列高纯石英产品(表 1)。

第二个案例是位于挪威北部靠近俄罗斯边境的Svanvik热液脉型高纯石英矿床，Müller et al.(2012)对其进行了详细介绍。热液石英脉呈东西走向，宽度为20m、长度约500m，含有至少100万t高纯石英。该脉体赋存于2.82Ga的花岗质片麻岩中，脉体两侧发育宽度可达10m的绿泥石片岩，推测石英脉与花岗片麻岩中东西走向的剪切带有关，绿泥石是同期热液流体形成的蚀变晕。石英脉在后期抬升过程中发生破裂，并被宽度约0.5m、含绿泥石和绿帘石的方解石脉充填。石英脉中石英粒度为2~3mm，呈长条状、矿物包体较少，显微镜下显示波状消光。这些石英具有极低杂质，总含量约为15×10^-6，其中Al、Li、Ti、Fe含量分别为5.3×10^-6、2.1×10^-6、1.1×10^-6、0.2×10^-6。挪威微晶公司和现TQC公司在此季节性开采。石英脉边部接触带形成的杂质含量高的次生石英以及普遍出现的含绿泥石、绿帘石的方解石脉不利于该矿的高纯石英加工。

从矿床学角度讲，热液结晶的石英可能含有大量流体包裹体，对石英加工提纯构成挑战。南乌拉尔地区和挪威Svanvik的热液脉均遭受了后期变质叠加，这可能对高纯石英矿石品质提升起到关键作用(Müller et al., 2012; Götze et al., 2017)。

3.4   石英岩型高纯石英矿床

石英岩是一种石英含量超过85%的变质岩，由富石英岩石如石英砂岩、硅质岩等经变质重结晶形成。变质重结晶本质上是矿物排出杂质的过程，因此变质作用可结晶出杂质相对较低的石英。石英岩的优势在于石英资源量大，且石英通常流体包裹体较少，流体包裹体沿亚颗粒/颗粒边界分布，相对易于剔除。其不足之处在于石英粒度可能较小，且在变质过程中形成的矿物(如金红石)易被石英包裹形成矿物包体，这些都不利于石英提纯加工。

Müller et al.(2007)研究了挪威一系列蓝晶石石英岩，发现石英含量约为70%~85vol%。其石英杂质含量很低，流体包裹体少见，主要杂质元素Al和Ti的含量分别为5×10^-6~33×10^-6和0.1×10^-6~33×10^-6，而Li、Be、B、Ge、K、Na等杂质含量基本均低于1×10^-6。这表明这些蓝晶石石英岩是潜在的高纯石英矿床。然而，它们目前尚未被利用，主要原因如下(Müller et al., 2007)：(1)蓝晶石、云母等矿物与石英密切交生，难以剔除; (2)蓝晶石和云母在石英岩中分布不均，有时形成厘米至米级纹层; (3)石英粒度较小，介于100~1000μm之间; (4)石英内部常出现难以去除的微米级矿物包体。