众所周知，美国尤尼明公司高纯石英砂的原矿为花岗质伟晶岩（曾称为白岗岩），产自北卡罗来纳州Spruce Pine地区。该区的伟晶岩最初的工业价值是用来生产长石和白云母，石英是尾矿中的废弃物。
 

 
▲尤尼明（Unimin）在北卡罗莱纳的石英工厂提供了世界上大部分的高纯度和超高纯度石英

在上世纪70年代，由于石英玻璃原料——水晶的日渐枯竭，寻找可替代水晶的天然石英成为当时许多国家急需攻克的国家目标。在此背景下，经过改进浮选技术，利用花岗质伟晶岩中的石英替代了水晶，生产出了高纯石英砂，直到今天美国尤尼明仍然垄断着全球90%的高纯石英砂市场。
 
我国新疆阿尔泰地区是世界闻名的花岗伟晶岩集中区。在长达413km，宽20~60km的变质岩区带内，出露各类花岗伟晶岩脉数万条，形成十余个伟晶岩密集区。
 

 ▲新疆阿尔泰地区花岗伟晶岩脉

本文试图通过对新疆库卫和青河两地一些花岗伟晶岩样品的分析，从地质背景、矿物岩石学和地球化学特征等方面，与美国Spruce Pine地区的产高纯石英的伟晶岩对比，进而评价阿尔泰地区伟晶岩中高纯石英资源的前景。
 

1、地质背景

 
美国产高纯石英的花岗质伟晶岩，位于北卡罗来纳州西部，Blue Ridge省的Avery、Mithell和Yancey县的Spruce Pine伟晶岩地区（图1），伟晶岩带长40km，宽16km。
 

在Spruce Pine地区，最丰富的岩石是前寒武纪的云母和角闪石片麻岩、片岩，含有少量的白云石大理岩。这些岩石相继被前寒武纪的小岩体纯橄榄岩、早古生代（可能是晚奥陶世或者早志留世）的白岗岩和相关的伟晶岩、三叠纪玄武岩和辉绿岩岩脉和岩床侵入。这些岩石的风化作用十分强烈，在一些地方被风化成厚达15m的腐泥土，一些白岗岩和伟晶岩被风化形成了有经济价值的高岭土矿床。
 
我国新疆库卫伟晶岩区位于阿尔泰富蕴县境内。该区出露的地层主要为中-上奥陶统哈巴河群上亚群（O2-3hbc），岩性主要为二云母微斜长石豆状混合岩、条痕状混合岩、石英片岩（图2）。
 

在变质岩中伟晶岩脉十分发育，富含白云母，形成时代为海西期和印支期。海西期的其他侵入岩有辉长苏长岩、辉长辉绿岩、黑云母混合花岗岩、片麻状二云母花岗岩等。燕山期侵入岩的岩性主要为硅线石二云母混合花岗岩、二云母花岗岩等。
 
青河伟晶岩区位于新疆阿尔泰青河县境内（图3）。调查区出露的地层主要为中-上奥陶统哈巴河群（O2-3hb），岩性为一套复杂的中深度变质的片岩、片麻岩、混合岩、变粒岩、千枚岩、变质砂岩，在其上下亚群均分布有大量的伟晶岩脉，富含白云母，形成于加里东期。海西期中粒闪长岩侵入于中上奥陶统哈巴河群下亚群（O2-3hba）之石榴子石片麻岩、条带状混合岩之中。在青格里河沿岸地面均覆盖着第四纪岩块、砂砾、砂土等。
 

2、样品采集和分析方法
 

样品分别采自美国北卡罗来纳州Spruce Pine地区的白岗岩矿山和中国新疆阿尔泰地区库卫和青河的白云母花岗岩/伟晶岩体中。
 
对所采集的样品首先磨制薄片进行岩相学研究，在此基础上筛选出新鲜的代表性样品进行化学组成分析。
 
考虑到样品的代表性，一般是选取多块样品组合在一起破碎，重量2~3kg，然后通过缩分器缩分后，称重约100g磨细用作化学分析。全岩样品的主要化学组成利用XRFS方法分析，微量元素和稀土元素采用ICP-MS方法分析。
 

3、矿物岩石学特征
 

美国Spruce Pine地区以SP-01和SP-02号样品为代表。据Brobst对该地区的地质调查成果：白岗岩的平均颗粒大小为1.3cm，伟晶岩岩块不规则地分布在整个白岗岩岩体中，粒度大于1.3cm。
 
按照Brobst的粒度标准，SP-01和SP-02号样品应称其为白岗岩。白岗岩和伟晶岩含有大约40%的更长石、25%石英、20%微斜长石（一般为条纹长石）和15%的白云母（图4）。最常见的伴生矿物有黑云母、石榴子石、磷灰石、褐帘石、绿帘石、锰黝帘石、黄铁矿和磁黄铁矿。伴生矿物总量不超过5%。
 

新疆库卫地区以KW-04和KW-08号样品为代表。KW-04号样品为伟晶状含石榴子石白云母花岩，平均粒度大于1cm。主要矿物成分大约为70碱性长石、25%石英、5%石榴子石和少量细粒云母，长石绝大多数为钠长石，呈聚片双晶，外可见少量的反条纹长石（图5a）。KW-08号样是伟晶状白云母花岗岩，平均粒度大于1cm，主矿物成分大约为60%碱性长石、20%石英和20%云母，以含大片状白云母为特征。碱性长石以斜长石为主，多数呈格子双晶，另外可见一些纹长石；少量为钠长石，呈聚片双晶（图5b）。
 

新疆青河地区以QH-01，QH-06-1和QH-08样品为代表。QH-01样品为花岗质伟晶岩，主要物成分大约为60%碱性长石、40%石英和少量鳞状白云母。碱性长石主要为呈格子双晶的微斜石，少量是呈聚片双晶的钠长石，长石和石英常构成文象结构。QH-06-1为中粒白云母花岗岩主要矿物组成大约为60%碱性长石、20%石英、20%白云母，含少量副矿物石榴子石和电气石。碱性长石以钠长石为主，呈聚片双晶，少量为微斜长石，呈格子双晶（图6a）。QH-08号样品为中粗粒含电气石白云母花岗岩，主要矿物成分大约为55%碱性长石、30%石英和7%白云母，普遍含电气石，达5%以上。碱性长石既有呈格子双晶的微斜长石，颗粒相对较大；又有成聚片双晶的钠长石，颗粒大小不均（图6b）。
 

4、岩石地球化学特征

 
（1）主量元素地球化学特征
 

Spruce Pine地区的样品中SiO₂含量为74.50%和77.60%；K₂O+Na₂O=7.91%和7.25%，钠大于钾，K₂O/Na₂O=0.19和0.52；Al₂O₃=12.95%~15.60%；铁镁含量相近，铁略高，FeOT=0.34%和0.32%，MgO=0.21%和0.19%，CaO=1.54%和1.15%；铝饱和指数（ACNK）为1.05和1.03。因此具有亚碱性和弱过铝质的主元素化学特征（图7），在图8中落于花岗岩区。
 

库卫地区的样品中SiO₂含量为72.49%和74.56%；K₂O+Na₂O=9.21%和8.56%，K₂O/Na₂O=0.03和3.42，一个富钾，一个富钠；Al₂O₃=16.43%和14.70%；Fe，Mg，Ca分别为FeOT=0.55%和0.40%，MgO=0.16%和0.25%，CaO=0.53%和0.42%；铝饱和指数（ACNK）为1.03和1.32。因此具有亚碱性和弱到强过铝质的岩石化学特征（图7），在图8中落于花岗岩区。
 

青河地区的样品中SiO₂含量为73.89%，79.29%和75.28%；K₂O+Na₂O=11.19%，5.44%和9.10%；K₂O/Na₂O=2.98，0.34和1.14，一个富钠，两个富钾；Al₂O₃=14.30，11.74和14.40%；Fe，Mg，Ca分别为FeOT=0.06%，0.83%和0.25%，MgO=0.14%，0.26%和0.24%；CaO=0.09%，0.52%和0.45%；铝饱和指数（ACNK）为1.03，1.29和1.10。因此QH-08和QH-06-1样品属于亚碱性，QH-01样品具有碱性，它们都有弱到强过铝质的主元素地球化学特征（图7）。由于QH-06-1中的钾含量较低，导致K₂O+Na₂O含量过低，不能在图8中投出，其它两个样品均落于花岗岩区。
 
（2）微量元素地球化学特征
 
从表1中可以看出，在美国Spruce Pine地区，两个样品的微量元素除了Zr和Ba有较大差别外，其他元素差别不大，它们的原始地幔不相容元素标准化模式比较接近（图9）。
 

该地区样品的稀土元素都存在Eu的正异常（图9），δEu值分别为1.19和2.97；稀土总量较低，分别为17.70×10-6和11.65×10-6；都属于轻稀土元素富集型，LREE/HREE为3.61和5.85。SP-02号样品的第一组La-Ce-Pr-Nd和第二组Pm-Sm-Eu-Gd具有典型的M型稀土元素四分组效应，SP-01号样品仅第二组的四分组效应明显。
 

在新疆库卫地区，样品的微量元素差别较大（表1，图10），KW-08样品的Rb，Ba，Sr，Nb，Ta明显高于KW-04样品。它们的稀土元素更是差异明显，KW-04为重稀土元素富集型，LREE/HREE为0.73；Eu负异常，δEu值0.38；稀土总量为5.41×10-6。KW-08样品为轻稀土元素富集型，LREE/HREE为6.97；Eu正异常，δEu值13.5；稀土总量很低，仅有3.03×10-6。KW-04样品具有典型的M型稀土元素四分组效应，其中第一组La-Ce-Pr-Nd，第三组Gd-Tb-Dy-Ho和第四组Er-Tm-Yb-Lu四分组效应比较明显，第二组Pm-Sm-Eu-Gd因Eu亏损而偏离上凸曲线。KW-08的第二组和第三组的四分组效应明显。
 

青河地区样品的微量元素差别不是十分明显，在原始地幔不相容元素标准化图解上有相近的变化趋势（图11），其差别主要表现在稀土元素上。QH-01和QH-06-1都属于轻稀土元素富集型，LREE/HREE分别为7.60和6.04；都有明显的Eu负异常，δEu分别为0.21和0.13；但是它们的稀土总量有明显差别，分别为4.73×10-6和40.95×10-6。QH-08号样品与它们相比有明显不同，后者相对富集重稀土元素，LREE/HREE为2.73；明显亏损中稀土元素，Eu负异常不甚明显，只有0.68；稀土总量为5.29×10-6。QH-06-1和QH-08样品表现出明显的M型稀土元素四分组效应，其中第一组La-Ce-Pr-Nd，第三组Gd-Tb-Dy-Ho和第四组Er-Tm-Yb-Lu四分组效应较明显，第二组Pm-Sm-Eu-Gd因Eu亏损而偏离上凸曲线。QH-01样品的四分组效应不明显。
 
综上可以看出，美国Spruce Pine和新疆库卫、青河地区岩石样品中的稀土总量（ΣREE）都不高；除了KW-04号样品富集重稀土以外，其它均为轻稀土富集型；美国Spruce Pine样品和KW-08样品都出现了Eu正异常，而其他样品为Eu负异常；在所研究的样品中，多数样品具有M型稀土元素四分组效应。
 

5、石英中的元素杂质
 

国际公认的高纯石英砂是Al，K，Na，Li，Ca，Fe，Mg，Mn，Ti，Zr，Cu，Cr，Ni，P，B共15种元素杂质小于22.26×10^-6的高技术产品，是半导体、太阳能光伏、高端电光源（如汽车金卤灯）行业的重要支撑材料。
 
本项研究对Spruce Pine、库卫和青河地区的白岗岩/伟晶岩中的石英纯度进行了初步评价。对这些地区的一些代表性样品，在显微镜下通过人工挑选石英，然后进行酸浸，利用ICP-AES方法分析石英中的杂质含量，结果见表2。
 

表2可以看出，本文分析的Spruce Pine样品中Al，Na，Ca和K的含量明显偏高，可能是在挑选石英时混入了主要造岩矿物钠长石。从其他元素的对比可以看出，新疆库卫、青河、可可托海的样品与产高纯石英的Spruce Pine样品比较接近。由此可见，若对阿尔泰地区的这些伟晶岩进行严格的加工，其中的石英有可能达到高纯石英砂的标准。
 

6、讨论和结论
 

美国Spruce Pine白岗岩/伟晶岩地区，产高纯英的花岗质伟晶岩，形成于早古生代，可能是奥陶世或者早志留世，围岩为前寒武纪的云母角闪石片麻岩、片岩，含有少量的白云石大理。
 
我国新疆阿尔泰地区库卫和青河的花岗质伟岩，形成于晚古生代和中生代，围岩为中上奥陶统哈巴河（O2-3hbc），岩性主要为中深度变质的片岩、片岩、混合岩、变粒岩、千枚岩、变质砂岩。
 
就围岩来看，二者的变质程度接近，但时代差别较，Spruce Pine地区的伟晶岩发育在前寒武纪变质基底之上，而阿尔泰地区的伟晶岩的围岩则为古生代沉积的变质岩。伟晶岩的形成时代也不同，阿尔泰地区的伟晶岩时代新、期次多。Spruce ine地区的伟晶岩形成时代老，为早古生代。
 
从岩相学特征来看，Spruce Pine地区的白岗/伟晶岩和新疆库卫、青河地区的白云母花岗岩晶岩的主要造岩矿物都由碱性长石、石英和白母组成，但碱性长石的性质有明显差别，前者要为钠长石，后者多数样品主要为微斜长石，有KW-04和QH-06-1样品与前者类似，其中碱长石主要为钠长石。
 
在副矿物方面，KW-04和QH-06-1亦与前者相似，都含有石榴子石，只是QH-06-1还含有电气石。
 
从元素地球化学特征来看，Spruce Pine地区的白岗岩/伟晶岩和新疆库卫、青河地区的白云母花岗岩/伟晶岩的主元素SiO₂和Al₂O₃没有明显差别，暗色组分Fe，Mg，Ti等也较相近。但在碱金属和碱土金属方面存在不同，前者的K₂O+Na₂O相对于后者偏低，CaO偏高。除了QH-01号样品外，它们都属于亚碱性的过铝质花岗岩类（图4，图5），并具有高分异钙碱性的特征（图12）。
 

但是，需要特别注意的是，在K₂O/Na₂O上，新疆库卫和青河地区的样品中只有KW-04和QH-06-1与Spruce Pine地区可以类比，它们都表现为钠大于钾的地球化学性质，与其斜长石大于碱性长石的岩石学特征一致。
 
在微量元素方面，美国的样品含有较高的大离子亲石元素（LILE），特别是Sr和Ba的含量明显高于阿尔泰地区。但Spruce Pine和阿尔泰地区样品的高场强元素（HFSE）和稀土元素（REE）都普遍较低，高场强元素的含量变化在（11.67~104.19）×10^-6之间，稀土元素为（3.03~40.95）×10^-6，而且多数样品都具有M型稀土元素四分组效应。如此低的高场强元素和稀土元素，以及四分组效应，表明形成伟晶岩的“岩浆”可能是过铝质花岗质岩浆通过了熔体-蒸汽的分异作用形成的富流体的端员，因为在此过程中，这些元素的蒸汽/熔体分配系数都很低。Eu正异常可能与Eu相对于熔体相而更易于进入流体相有关。
 
鉴此，可得出初步结论：Spruce Pine地区和新疆阿尔泰的库卫、青河地区的伟晶岩可能是过铝质花岗岩浆通过熔体-蒸汽高度分异作用的产物。产高纯石英的伟晶岩发育在片岩、片麻岩的背景之上，主要造岩矿物中富含钠长石，全岩样品中以Na₂O>K₂O，大离子亲石元素Sr和Ba含量高、高场强元素和稀土元素含量低、四分组效应明显、Eu正异常，以及石英中杂质元素含量低为特征，这些特征可作为高纯石英伟晶岩的判别标志。
 
我国阿尔泰地区的伟晶岩脉十分发育，所研究的样品中，有些样品已经具有这些特点，而且石英本身的纯度较高，值得继续开展更加深入和全面的研究。期望通过本文，起到抛砖引玉作用，以引起对高纯石英伟晶岩研究的重视，为我国的半导体和太阳能光伏行业的发展打造资源基地。
 
 
来源：美国Spruce Pine与新疆阿尔泰地区高纯石英伟晶岩的对比研究，作者：张晔，陈培荣
编辑整理：粉体技术网