全球高純石英原料礦的資源分布與開發(fā)現(xiàn)狀

王九一

(自然資源部成礦作用與資源評價重點實驗室， 中國地質(zhì)科學院 礦產(chǎn)資源研究所， 北京 100037)

石英是自然界中最常見的礦物之一，是水晶、瑪瑙、河沙、硅石等的主要礦物成分，廣泛應(yīng)用在玻璃、建筑、寶玉石裝飾等傳統(tǒng)行業(yè)。20世紀60年代以來，計算機、新材料、新能源等新興技術(shù)對石英產(chǎn)品的純度提出更高要求，誕生了高純石英的概念(Harben， 2002； Schlanz， 2009； Hausetal.， 2012)。高純石英指SiO2純度極高、雜質(zhì)元素含量極低的石英及其產(chǎn)品，是半導體、光伏、光纖、精密光學、照明設(shè)備、新型玻璃等產(chǎn)業(yè)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(chǎn)，而是由水晶、脈石英、石英巖、花崗偉晶巖等礦石作為原料經(jīng)提純后的一種產(chǎn)品，因此，將能夠提純生產(chǎn)高純石英的礦床稱為高純石英原料礦更為適宜。

石英在結(jié)晶過程中常摻雜微量的雜質(zhì)，包括晶體間隙的脈石礦物、包裹體和晶格雜質(zhì)3種類型(G?tze， 2009； 張德賢等， 2011； Mülleretal.， 2012)。不同雜質(zhì)元素對石英性能的影響不同，如Al影響石英中的光傳導速率，F(xiàn)e、Mn等金屬元素降低石英的光透過率，P和B含量過高的石英不能用于光伏產(chǎn)業(yè)，因此在生產(chǎn)高純石英時，必須對原料礦石進行提純，盡可能降低Al、K、Na、Li、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni、B、P等雜質(zhì)的含量。一般而言，石英原料礦石需要經(jīng)過研磨、分級、重選、磁選、浮選、酸浸、高溫氯化焙燒等工序(岳麗琴， 2014)，逐次去除石英晶體中的包裹體、脈石礦物，盡可能地降低雜質(zhì)的含量，提高SiO2的純度，最終才能制得滿足不同行業(yè)質(zhì)量要求的高純石英砂。

但是，由于不同產(chǎn)業(yè)需要不同質(zhì)量的石英，使得高純石英質(zhì)量沒有統(tǒng)一的標準。為評價高純石英原料礦，國內(nèi)外學者多年來努力尋找具有普適性的質(zhì)量評價指標。早期的研究認為，高純石英的雜質(zhì)含量應(yīng)小于50×10-6，即SiO2純度應(yīng)大于99.995%(Harben， 2002)。我國學者認為SiO2純度大于99.9%的石英即為高純石英(汪靈等， 2014)。挪威地質(zhì)調(diào)查局匯總了該國高純石英資源的測試數(shù)據(jù)，提出更詳細的指標，要求在雜質(zhì)總含量小于50×10-6的前提下，Al含量應(yīng)小于30×10-6，Ti含量小于10×10-6，Na和K含量均小于8×10-6，Li、Ca含量均小于5 ×10-6，F(xiàn)e含量小于3×10-6，P含量小于2×10-6，B含量小于1×10-6(Mülleretal.， 2012)。2014年，F(xiàn)look根據(jù)市場產(chǎn)業(yè)需求，提出更可靠的質(zhì)量指標，認為SiO2純度在99.95%、總雜質(zhì)含量小于500×10-6的石英即為高純石英，純度99.5%～99.8%的石英可滿足半導體填料、光纖、液晶屏生產(chǎn)行業(yè)的要求，純度小于99.5%的石英可用在透明玻璃行業(yè)(Vatalisetal.， 2015)。近年來，新興起的光伏玻璃、Low-E玻璃、超白浮法玻璃等新型玻璃產(chǎn)業(yè)，降低了SiO2的純度要求(汪靈， 2019)。因此，綜合這些指標體系，在考慮原料礦石質(zhì)量、測試手段、現(xiàn)有提純工藝和行業(yè)質(zhì)量要求的情況下，將SiO2純度大于99.9%的石英視為高純石英是合理的。

由于高純石英原料礦床極為稀缺， 21世紀初以來世界各國加大找礦勘查和礦石可利用性評價，發(fā)現(xiàn)了十多處高純石英原料礦床，但尚未有對其進行綜述性的研究。我國硅質(zhì)資源豐富，但大部分礦床被作為普通硅石礦，用于普通玻璃、石材、建筑用砂等。此外，由于缺少可利用性評價，從嚴格意義上我國沒有專門生產(chǎn)高純石英原料的礦山，每年需從他國進口大量高純石英砂、原料礦石及高端石英制品。他山之石，可以攻玉，本研究根據(jù)國內(nèi)外已有報道和研究成果，對全球高純石英原料礦的分布和開發(fā)現(xiàn)狀進行梳理，涵蓋礦床地理位置、類型、資源量規(guī)模、開發(fā)歷史及開采現(xiàn)狀等，以期對我國高純石英原料礦的找礦方向、礦山企業(yè)的海外布局及貿(mào)易政策提供指導性建議。

1 資源分布與開發(fā)現(xiàn)狀概況

根據(jù)現(xiàn)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(圖1)。除中國外，共有14處礦床，其中，有生產(chǎn)礦山的7處，尚未開采生產(chǎn)的7處。美國斯普魯斯派恩(Spruce Pine)礦的高純石英原料資源規(guī)模最大，超過1 000萬噸；資源量最小的是挪威德拉格(Drag)礦，僅有26.7萬噸(表1)。

圖 1 全球高純石英原料礦床分布

表 1 全球高純石英原料礦床的資源分布與開發(fā)現(xiàn)狀

2 全球重要礦床分述

2.1 美國

2.1.1 斯普魯斯派恩礦床

斯普魯斯派恩高純石英原料礦坐落于美國北卡羅來納州西部米切爾縣(Mitchell County)的斯普魯斯派恩鎮(zhèn)(圖1)，其西南距阿什維爾市85 km，東南距夏洛特市180 km。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(nèi)甚至是唯一的來源地。2009年BBC稱此地為“地球上最具戰(zhàn)略價值的平方英畝”(Nelson， 2009)。

礦床位于阿巴拉契亞山系的藍嶺構(gòu)造區(qū)，分布在斯普魯斯派恩深成巖系的花崗偉晶巖帶中(Swanson and Veal， 2010)，為白崗巖型高純石英礦，由泥盆紀3.8億年前花崗質(zhì)巖漿侵入前寒武紀Ashe組的云母和角閃石片麻巖、片巖中緩慢結(jié)晶而成礦(Brobst， 1962； Glover， 2006；Milleretal.， 2006)。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(zhì)礦物。石英的雜質(zhì)元素含量極低，經(jīng)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(chǎn)業(yè)。

斯普魯斯派恩采礦區(qū)有超過100年的悠久采礦歷史。二戰(zhàn)前，當?shù)刂饕_采云母片巖、偉晶巖中的云母和長石(Broadhurst and Hash， 1953)； 1949年，位于阿什維爾市的北卡羅來納州礦物研究實驗室(MRL)與區(qū)內(nèi)2家采礦公司合作，發(fā)明了化學浮選工藝，能夠從花崗巖、偉晶巖、白崗巖中分選出石英、長石、云母、石榴石等礦物(Glover， 2006)。1970年后，國際市場對高純石英砂的需求快速增長，MRL實驗室改進浮選工藝，對礦區(qū)的云母長石礦尾礦開展選礦實驗(Groppo， 1980)，最終建成一套成熟的高純石英提純流程，成為流行世界的標準提純工藝。

截至2020年8月，礦床礦業(yè)權(quán)由挪威的石英股份公司(The Quartz Corp.，TQC)和比利時的矽比科全資子公司矽比科北美公司(Sibelco North America, Inc.)持有，開采白崗巖和偉晶巖中的石英、長石、云母。其中，TQC公司擁有的高純石英原料資源量大于1 000萬噸(The Quartz Corp.， 2020)。矽比科北美公司的保有資源量可滿足數(shù)十年的礦山服務(wù)年限，該公司前身為眾所周知的尤尼明公司(Unimin Corp.)。尤尼明公司自1970年起即在該礦區(qū)采礦，其后整合其他公司的石英部門，采用MRL改進的提純工藝生產(chǎn)高純石英砂，并建立了超純石英的IOTA標準，一度壟斷了世界高純石英砂市場。TQC公司由挪威微晶公司(Norwegian Crystallites AS)與斯普魯斯派恩的KT長石公司(K-T Feldspar Corp.)、長石公司(The Feldspar Corp.)于2011年合并而成，將開采的礦石在當?shù)剡M行碎磨、分選和初次浮選，然后將半成品海運至挪威的深加工廠，經(jīng)二次浮選、磁選、酸浸、高溫焙燒后，制得質(zhì)量類似于矽比科高純石英砂的產(chǎn)品(The Quartz Corp.， 2020)。

2.1.2 博維爾礦床

博維爾礦位于愛達荷州北部拉塔縣博維爾鎮(zhèn)(Bovill， Latah County)，西南距莫斯科市28英里，距劉易斯頓市33英里(圖1)。礦床由WBL尾礦(WBL Tailings)、凱利丘(Kelly’s Hump)、中嶺(Middle Ridge)3處礦體組成，為高嶺土尾礦型和風化殘積型石英礦(I-Minerals， 2014)。區(qū)內(nèi)白堊紀花崗侵入體——塔圖納(Thatuna)巖基的花崗閃長巖風化后，形成高嶺石、埃洛石、鉀長石和石英的風化型復合礦床。經(jīng)電子探針分析，礦石中石英晶體的純度大于99.9%，Al2O3、Fe2O3含量均低于40×10-6(I-Minerals， 2014)(1)I-Minerals. 2014. NI 43-101 Updated Prefeasibility Technical Report Bovill Kaolin Project Latah County, Idaho. 171.。

1960～1974年，礦區(qū)主要開采高嶺土礦，廢棄的鉀長石和石英形成了WBL尾礦。2000年至今，艾礦產(chǎn)股份公司(I-Minerals， Inc.)獲得礦業(yè)權(quán)，對3個礦體開展了大比例尺地質(zhì)調(diào)查，施工了332口鉆孔。2010年，公司完成預(yù)可行性研究，研發(fā)出SiO2純度為99.9%～99.997%的高純石英砂產(chǎn)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1 323.5萬噸(I-Minerals， 2020a)。

近年來，由于美國光伏產(chǎn)業(yè)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(chǎn)公司在最新的預(yù)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(I-Minerals， 2020b)。但是，博維爾高純石英資源量巨大，采用傳統(tǒng)、類似斯普魯斯派恩礦的浮選提純工藝，即可生產(chǎn)高純石英砂，礦石的提純加工難度較低。

2.2 挪威

作為南北狹長的山地之國，挪威的石英資源非常豐富，涵蓋熱液脈石英、石英巖、偉晶巖等多種類型，并且擁有TQC、埃肯股份(Elkem ASA)等全球石英產(chǎn)業(yè)巨頭。挪威地質(zhì)調(diào)查局根據(jù)境內(nèi)石英礦石的LA-ICP-MS測試數(shù)據(jù)，還提出一套基于晶格雜質(zhì)元素含量的高純石英質(zhì)量評價指標(Mülleretal.， 2007； Mülleretal.， 2012)。當前，北部的德拉格礦床和南部的內(nèi)索登(Nesodden)礦床是挪威主要的高純石英原料產(chǎn)地(圖1)。

2.2.1 德拉格礦床

德拉格礦區(qū)地處挪威北部諾爾蘭郡廷斯菲尤爾峽灣(Tysfjord)西側(cè)的德拉格村附近(圖1)，由分布在方圓5 km2的數(shù)十個偉晶巖型的石英礦體組成。偉晶巖以垂直筒狀產(chǎn)于年齡為17.5億年的古太古代花崗片麻巖中，具環(huán)帶構(gòu)造；高純石英礦體以垂直雪茄狀處在偉晶巖體核部，其環(huán)狀圍巖的造巖礦物常見斜長石、鉀長石和云母(Mülleretal.， 2012)。石英晶體純凈，粒徑平均6 mm，流體和固體包裹體非常稀少，Al、Ti、Li、B等晶格雜質(zhì)元素均達到高純石英原料的質(zhì)量要求(Mülleretal.， 2012)。

德拉格礦區(qū)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。20世紀70年代，挪威地調(diào)局對德拉格礦區(qū)的偉晶巖礦坑進行石英礦勘查，在部分礦坑中發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)石英礦石，其質(zhì)量非常適用于光纖、光學儀器、半導體等高端產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。其中，內(nèi)德伊沃倫(Nedre ?yvollen)、伊特伊沃倫(Ytre ?yvollen)和哈康哈爾斯(H?konhals)3處偉晶巖體的石英資源最為豐富，探明的高純石英儲量合計26.7萬噸(Wanvik， 2001)(2)Wanvik J E. 2001. Kvartsressurser i Nordland. Trondheim, Norway. NGU Rapport 2001. 020. 103.。

1986年，埃肯公司(Elkem)和諾森公司(Norcem)成立米諾公司(JV Minnor)，開采內(nèi)德伊沃倫礦坑的高純石英，但公司因經(jīng)營不善于1988年破產(chǎn)，礦山生產(chǎn)停頓。1996年，挪威微晶公司成立，接管了內(nèi)德伊沃倫礦的開采，在德拉格村建成深加工廠，生產(chǎn)用于光學、照明設(shè)備、光伏的高純石英砂。2011年，新成立的TQC公司獲得礦區(qū)的采礦權(quán)。隨著德拉格礦區(qū)的石英資源逐漸衰竭，TQC公司已將斯普魯斯派恩礦區(qū)作為高純石英原料來源地，該區(qū)不再是重要原料來源地。

2.2.2 內(nèi)索登礦床

內(nèi)索登礦位于挪威西南部的霍達蘭郡的克文赫拉德市(Kvinnherad)，西北距卑爾根53 km，出露于哈當厄峽灣(Hardangerfjord)南側(cè)的山脊上(圖1)。礦床為熱液脈石英型，其圍巖為中元古代(1.5 Ga)的花崗片麻巖(Ihlen and Müller， 2011)(3)Ihlen P M and Müller A. 2011. Forekomster av h?yren kvarts langs Hardangerfjorden. Trondheim, Norway. NGU Rapport 2009. 024, 69.。礦體呈北東-南西向，充填在加里東期380 Ma前形成的哈當拉張斷裂帶中。礦石中的石英晶體較大，大小介于1 μm～3 cm之間，平均3 mm；由于受加里東期之后構(gòu)造運動影響，石英晶體普遍強烈重結(jié)晶，流體包裹體廣泛發(fā)育，白云母、鉀長石、方解石等固體包裹體也較為常見。LA-ICP-MS原位測試數(shù)據(jù)顯示，石英晶體中的Al、Ti、Ge等雜質(zhì)含量較低，但Li、B含量較高，且因包裹體含量高，致使晶體中K、Na、Mg等堿金屬雜質(zhì)含量過高((Mülleretal.， 2012)。

20世紀60年代，挪威地質(zhì)調(diào)查局在克文赫拉德市地區(qū)勘探冶金用石英礦時，發(fā)現(xiàn)了內(nèi)索登石英礦，推斷資源量50萬噸(Geis， 1964)。由于德拉格礦區(qū)偉晶巖型高純石英礦后備資源嚴重不足，挪威地質(zhì)調(diào)查局對境內(nèi)其他可能的高純石英原料資源展開調(diào)查和評價。2007～2011年，新實施的地質(zhì)調(diào)查填圖成果揭示，內(nèi)索登石英礦體長約580 m，寬15 m，延伸150 m，推斷資源量達270萬噸(Ihlen and Müller， 2011)(4)Ihlen P M and Müller A. 2011. Forekomster av h?yren kvarts langs Hardangerfjorden. Trondheim, Norway. NGU Rapport 2009. 024, 69.。

當前，挪威北歐礦業(yè)股份公司(Nordic Mining ASA)的全資子公司北歐石英股份公司(Nordic Quartz AS)擁有內(nèi)索登礦的探礦權(quán)和采礦權(quán)。2012年，安扎普蘭公司(Anzaplan Dorfner)基于礦區(qū)已有地調(diào)、勘探、測試等成果對礦床進行概略研究，按JORC(澳大利亞礦產(chǎn)儲量聯(lián)合委員會)標準，推斷的石英資源量345萬噸。同時，為評估內(nèi)索登的高純石英原料潛力，安扎普蘭公司改進傳統(tǒng)的提純工藝，對0.25～1噸礦石進行提純和選礦實驗，結(jié)果表明提純后的高純石英能夠滿足IOTA 4和IOTA 6的產(chǎn)品標準(Nordic Mining ASA， 2019)(5)Nordic Mining ASA. 2019. Annual report 2019 on Nordic Mining’s mineral deposits: Exploration results, mineral resources and mineral reserves. Oslo, Norway. 20190910-annual- mineral-report-2019, 8.。2015年，北歐石英公司對礦體實施6口鉆孔，估算了高純石英原料礦的資源量，其中，控制資源量189.9萬噸，推斷資源量89.3萬噸，共計279.2萬噸(Camitz， 2016)。

截至目前，北歐石英公司尚未開采內(nèi)索登高純石英礦。但是，該礦對高純石英砂及制品行業(yè)具有相當大的影響。首先，礦床的資源量大，作為高純石英原料的潛力也已為大樣品量的提純和選礦實驗所證明。其次，礦區(qū)高純石英的后備資源相當豐富。2007～2011年的地質(zhì)調(diào)查在哈當斷裂帶北段也發(fā)現(xiàn)了克瓦維克(Kvalvik)熱液脈石英礦，推斷資源量70萬噸，其礦石質(zhì)量與內(nèi)索登礦類似，可用作高純石英原料(Mülleretal.， 2012)。

2.3 澳大利亞

相較于挪威，澳大利亞的石英資源也非常豐富，包含熱液脈石英、尾礦、海砂等類型，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，已發(fā)現(xiàn)燈塔(Lighthouse)、糖袋山(Sugarbag Hill)、白泉(White Springs)、石英山(Quartz Hill)等多處礦床(圖1)。

2.3.1 燈塔礦床

礦床位于昆士蘭州北部的喬治敦區(qū)，東北距離凱恩斯市約250 km，艾恩斯利(Einasleigh)鎮(zhèn)在礦區(qū)西南16 km，是最近的城鎮(zhèn)。礦床為熱液脈石英型，由東、西兩座狀似燈塔、高出地表約440 m的石英山峰組成，因而得名燈塔礦床。礦石純凈、半透明或乳白色、塊狀，近直立狀充填于逆斷層中。其上盤圍巖為元古宙艾恩斯利變質(zhì)巖系的黑云母片麻巖、白云母片巖；下盤圍巖為風化狀的志留紀-泥盆紀中細粒花崗閃長巖(Sennitt， 2007)(6)Sennitt C M. 2007. EPM 13602 Lighthouse Quartz Project Annual & Final Report for the Period ending 5th June 2007. Bellbowrie, Australia: Calcifer Industrial Minerals Pty. Ltd. cr 49 273, 65.。經(jīng)ICP-OES測試，東、西礦體的礦石純度>99.90%，主要雜質(zhì)元素Al、Ti、Fe、P、Ca等含量均較低，經(jīng)簡單機械提純后，純度即可達99.95%以上，證明燈塔礦床為優(yōu)質(zhì)的高純石英原料礦。根據(jù)2007年經(jīng)地表測量和鉆孔驗證的高純石英勘探評估報告，東礦體的高純石英探明資源量69萬噸，推斷資源量45.1萬噸；西礦體推斷資源量49.7萬噸，地表礦體推斷資源量19.6萬噸，資源量共計183.4萬噸，預(yù)測的資源量約500萬噸(Sennitt， 2007)(7)Sennitt C M. 2007. EPM 13602 Lighthouse Quartz Project Annual & Final Report for the Period ending 5th June 2007. Bellbowrie, Australia: Calcifer Industrial Minerals Pty. Ltd. cr 49 273, 65.。

燈塔礦的開發(fā)經(jīng)歷了不同的階段，礦業(yè)權(quán)持有人也多次變更。2006年，卡西法非金屬礦有限公司(Calcifer Industrial Minerals Pty. Ltd.)獲得燈塔礦區(qū)的礦權(quán)，實施大比例尺地質(zhì)填圖和鉆孔驗證，并對礦石開展了簡單機械的選礦實驗，發(fā)現(xiàn)了燈塔高純石英原料礦。2012年，新加坡太陽能硅資源集團有限公司(Solar Silicon Resources Group Pte Ltd， SSRG)獲得燈塔礦業(yè)權(quán)，并委托安扎普蘭公司設(shè)計系統(tǒng)的提純流程，結(jié)果表明采用傳統(tǒng)提純工藝即可生產(chǎn)高純石英砂，可用于生產(chǎn)太陽能級石英坩堝、鹵素燈泡、光纖及半導體封裝材料。基于此，SSRG公司于2013～2014年開始建設(shè)礦區(qū)，采礦生產(chǎn)高純石英砂。2014年，SSRG公司與美國木蘭太陽能(Magnolia Solar)合并后，將礦業(yè)權(quán)歸屬于SSRG母公司奧茲礦產(chǎn)資源集團(Auzminerals Resource Group)。2016年，澳大利亞亨特貝二氧化硅有限公司(Hunter Bay Silica Pty. Ltd.)獲得燈塔礦的礦業(yè)權(quán)，對礦床外圍進行了后續(xù)勘探。目前，由該公司開采礦石生產(chǎn)高純石英砂。

2.3.2 糖袋山礦床

礦床位于喬治敦區(qū)，西北距離喬治敦鎮(zhèn)約25 km，東距燈塔礦60 km。礦床為熱液脈石英型，呈北西-南東向充填在古元古代變質(zhì)巖系斷裂帶。礦石質(zhì)量極為優(yōu)質(zhì)，原位SiO2純度可達99.99%以上。

目前，澳大利亞的高純石英有限公司(High Purity Quartz Ltd)擁有礦床的礦業(yè)權(quán)。該公司成立于2015年，于2016年對礦床進行了普查，實施了16口鉆孔(HPQ Materials， 2017)。普查結(jié)果表明，礦體長約600 m，平均厚度20 m，鉆孔揭示礦體深度60～80 m(Alper， 2019)。經(jīng)取樣測試和選礦提純實驗，制得的高純石英砂純度達99.995%～99.999%，滿足太陽能和半導體產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量要求。2019年10月，HPQ公司與采礦加有限公司(Mining Plus Pty Ltd)簽訂合作協(xié)議，由其負責礦床后續(xù)的勘探、資源量估算、可行性研究和采礦生產(chǎn)(HPQ Materials， 2017)。截至2020年8月，采礦加公司完成第一期12口鉆孔任務(wù)，按JORC標準估算，深度小于70 m的探明和控制資源量達120萬噸(Ultra HPQ， 2020)。

目前，糖袋山礦床尚未開采和生產(chǎn)高純石英砂，但其探明和控制的資源量規(guī)模可觀，可露天開采；礦石原料SiO2純度達99.99%以上，使其開采和提純成本大大降低。

2.3.3 白泉和石英山礦床

從喬治敦鎮(zhèn)到驚喜山鎮(zhèn)(Mt. Surprise)的1號公路沿線分布著白泉和石英山礦。白泉礦東南距湯斯維爾港(Townsville Port)440 km，西距喬治敦鎮(zhèn)35 km；石英山礦東南距驚喜山鎮(zhèn)10 km，西距白泉礦60 km。礦床均為熱液脈石英型，成礦過程與燈塔礦床類似。白泉脈石英產(chǎn)于志留紀-泥盆紀的黑云母花崗閃長巖中，石英山脈石英呈垂直筒狀產(chǎn)于元古宙艾恩斯利變質(zhì)巖系的黑云母片麻巖中。白泉礦的礦石質(zhì)量優(yōu)異，原料SiO2純度達99.99%以上，高純石英的推斷資源量150萬噸(Solar Quartz Technologies， 2017)(8)Solar Quartz Technologies. 2017. Information and disclosure statement pursuant to rule 15c2-11(a)(5). Nevada: Solar Quartz Technologies Inc., 13.；石英山礦石原料純度大于99.5%，符合JORC標準的預(yù)測高純石英資源量1 400萬噸(Solar Quartz Technologies， 2016)(9)Solar Quartz Technologies. 2016. History & Business overview. Melbourne, Australia: Solar Quartz Technologies Inc., 5.，資源規(guī)模巨大。

目前，2018年成立的石墨烯與太陽能技術(shù)有限公司(Graphene & Solar Technologies Ltd， GST)擁有白泉礦和石英山礦的采礦權(quán)。GST公司在白泉礦擁有南北兩處采礦權(quán)，露天開采，其資源量滿足20～30年礦山服務(wù)年限，生產(chǎn)的SQ1～SQ9系列高純石英砂純度涵蓋99.99%～99.999%，年產(chǎn)高純石英砂3萬噸，應(yīng)用于光伏和半導體產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。目前，石英山礦床尚未進入開采期。GST公司在石英山擁有3處采礦權(quán)，2017年曾計劃進行預(yù)可行性研究(Solar Quartz Technologies， 2016)(10)Solar Quartz Technologies. 2016. History & Business overview. Melbourne, Australia: Solar Quartz Technologies Inc., 5.。

在石英山東南2.5 km處，元古宙艾恩斯利變質(zhì)巖系出露地表，形成圓錐形的伊麗莎山(Mt. Eliza)，在其黑云母片麻巖中同樣發(fā)現(xiàn)了類似石英山的高純石英原料礦石。目前，澳大利亞硅英有限公司(Australian Silica Quartz Pty Ltd)擁有伊麗莎山的探礦權(quán)，計劃對該地區(qū)進行勘探，詳細評估高純石英資源量, 并與安扎普蘭公司合作開發(fā)提純工藝流程，采礦生產(chǎn)SiO2純度大于99.99%的高純石英砂(Australian Silica Quartz， 2020)。

2.3.4 克雷西克礦床

礦床位于澳大利亞維多利亞州中南部的克雷西克區(qū)，東南距墨爾本市130 km，南距巴拉臘特市20 km(圖1)。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(Hughes， 2013)。礦石為尾礦中6～200 mm的石英礫石，質(zhì)量優(yōu)異，雜質(zhì)元素含量低，尤其是B和P含量很低。經(jīng)澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織(CSIRO)采用傳統(tǒng)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%(Roberts， 2012)。

礦床由克雷西克石英有限公司(Creswick Quartz Pty. Ltd. )的全資子公司佩特拉礦產(chǎn)有限公司(Petra Minerals Pty. Ltd. )持有，地表尾礦預(yù)測的高純石英資源量100萬噸。2015年，公司計劃建設(shè)加工廠，開采尾礦石英，生產(chǎn)SiO2純度為99.95%～99.999%的CQL系列高純石英砂，用于液晶顯示器、光伏、半導體、光學玻璃等產(chǎn)業(yè)(Creswick Quartz， 2015)。

2.4 俄羅斯

在俄羅斯烏拉爾山脈的東側(cè)，有2處高純石英礦床，分別是亞極地烏拉爾的薩蘭保爾(Saranpaul’)礦床和南烏拉爾的克什特姆(Kyshtym)礦床(圖1)。其中，克什特姆礦的規(guī)模較大，開發(fā)程度高，其高純石英產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)，在國際市場占有一定比例。

2.4.1 克什特姆礦床

克什特姆礦床位于俄羅斯車里雅賓斯克州的克什特姆市，東南距離車里雅賓斯克市100 km。礦床為熱液脈石英型，賦存于上太古界烏法雷變質(zhì)雜巖系(Ufalei metamorphic complex)的片麻巖和混合巖中。脈石礦物主要有長石、云母、碳酸鹽、鋯石、獨居石等(G?tzeetal.， 2018)。礦區(qū)總長15 km，寬1～3 km，面積20 km2，石英儲量136萬噸(Russia Quartz LLC， 2019)。用作高純石英原料的主礦體為175號脈，呈北東-南東向分布在卡拉巴什市(Karabash)西側(cè)。2014年，IMC Montan公司按照JORC標準對175號脈進行儲量評估，顯示該礦體高純石英原料礦儲量超過50萬噸。

礦床開發(fā)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(tǒng)行業(yè)。2011年8月，俄羅斯石英有限責任公司(Russia Quartz LLC)開始采礦生產(chǎn)高純石英砂。175號脈是俄英公司最重要的高純石英原料礦體，年產(chǎn)高純石英砂3 500噸，2022年產(chǎn)能預(yù)計達6 000噸/年，礦山可滿足滿負荷生產(chǎn)30年服務(wù)年限。此外，克什特姆市庫茲涅奇欣斯克(Kuznechikhinsk)、維雅索夫卡(Vjasovka)、伊特庫爾斯克(Itkulskoe)、博洛特納亞(Bolotnaya)等地脈石英質(zhì)量和成因與175號脈相似(G?tzeetal.， 2018)，說明該區(qū)高純石英原料資源潛力較大。

俄羅斯石英有限責任公司采用標準的高純石英砂生產(chǎn)工藝。在礦區(qū)對原礦進行粉碎、分級、擦洗等機械分選后，半成品運至克什特姆市加工廠進行重選、磁選、浮選、酸浸、煅燒和氯化焙燒等工藝，進一步提純后制成RQ系列高純石英砂。產(chǎn)品雜質(zhì)元素總量可控制在12×10-6以下，其RQ-1K產(chǎn)品的雜質(zhì)甚至低于9×10-6，可廣泛用于照明、光伏、半導體業(yè)等領(lǐng)域。

2.4.2 薩蘭保爾礦床

薩蘭保爾礦床地處俄羅斯?jié)h特-曼西自治區(qū)(Khanty-Mansi Autonomous Okrug-Ugra)別列佐夫斯基區(qū)(Berezovsky District)的西北緣，東南距薩蘭保爾村85 km。礦床為熱液脈石英型。礦石半透明-透明狀，呈玻璃光澤；脈石礦物包含少量云母、方解石、綠泥石、磷灰石以及微量的黃鐵礦、榍石。礦床主要由嘟嘟(Dodo)、內(nèi)斯特舒爾(Nester-Shor)和庫斯奧伊卡(Khus-Oika)3個礦區(qū)組成。嘟嘟礦區(qū)資源量最大。根據(jù)2014年3個礦區(qū)的勘探報告，可用作高純石英的資源量為33萬噸(Development Corporation JSC， 2017)。此外，在礦區(qū)范圍外發(fā)現(xiàn)有多條尚未勘探的石英脈，遠景資源量可能更為可觀。

薩蘭保爾脈石英礦床的開發(fā)經(jīng)歷了復雜的曲折歷程。1998年，為開發(fā)該礦，漢特-曼西自治區(qū)委托北卡羅來納大學MRL實驗室對礦石進行雜質(zhì)元素分析和選礦實驗，結(jié)果顯示礦床具有生產(chǎn)高純石英的潛力。2000年，自治區(qū)政府成立國有獨資極地石英公司(Polar Quartz)，開始在嘟嘟礦區(qū)采礦，并在尼亞甘(Nyagan)和烏斯季普瓦(Ust-Puyva)建設(shè)加工廠和通往礦區(qū)的道路等基礎(chǔ)設(shè)施。極地石英成立后受困于資金不足、管理體制混亂的難題，于2014年才完成一期礦區(qū)和加工廠建設(shè)。但是，隨著公司于2018退市成為股份公司，二期建設(shè)至今尚未完成。

公司把礦區(qū)采出的原礦運至35 km外的烏斯季普瓦加工廠，進行磨碎、光電分選和擦洗，其半成品運至尼亞甘，進行重選、磁選和浮選后，再轉(zhuǎn)運到克什特姆市的加工車間完成酸浸、煅燒、磁選和純度測試等流程，獲得高純石英砂。產(chǎn)品涵蓋高純石英砂(99.9%～99.995%)、硅微粉(99.1%～99.9%)和石英坩堝制品，產(chǎn)量較低(Polar Quartz， 2020)。

2.5 毛里塔尼亞

2.5.1 烏姆阿奎尼納礦床

礦床位于毛里塔尼亞西部的努瓦迪布灣省(Dakhlet Nouadhibou)，西距努瓦迪布港口130 km(圖1)。礦床為熱液脈石英型，以巖墻脈狀侵入太古宙雷吉巴特地盾(Reguibat Shield)的花崗片麻巖和片巖中(Schofield and Gillespie， 2007)。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(xiàn)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500～1 000萬噸(Feytis， 2010)，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。

礦床的探礦權(quán)由毛里塔尼亞礦產(chǎn)公司(Mauritanian Minerals Co.)持有。2010年，該公司計劃采用露頭開采方式，為金屬硅行業(yè)提供石英原料，并規(guī)劃生產(chǎn)高純?nèi)廴谑ⅲ糜谑③釄濉Ⅺu素燈、液晶屏、石英錠等高端領(lǐng)域。然而，雖有報道稱2013年該公司開始生產(chǎn)石英砂(Hughes， 2013; Taib， 2017)，但實際上由于不明原因，公司沒有辦理采礦權(quán)，截至目前未能進行有效的采礦活動。

2.5.2 查米礦床

查米礦床位于努瓦迪布灣省東部，距烏姆阿奎尼納礦20 km(圖1)。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SiO2含量為98%～99.9%。部分礦石樣品經(jīng)安扎普蘭公司提純后檢測，純度和質(zhì)量可達IOTA 4標準。

當前，毛里塔尼亞石英股份公司(Quartz Inc. SA Mauritania)在查米礦采礦、加工產(chǎn)品。表層2.7 m以上礦體的高純石英原料探明儲量72.5萬噸；2.7 m以下礦體可延伸至8 m，探明儲量有進一步擴大的空間(Quartz Inc.， 2020)。石英砂的生產(chǎn)工藝較為簡單，采用直線篩、振動篩、色選機、選振篩、筒式磁選機等設(shè)備進行碎磨、分級、磁選，制成粒級0.1～12.5 mm的產(chǎn)品。

2.6 加拿大

在加拿大魁北克省東南部約翰比茲灣(Johan Beetz Bay)的海岸帶(圖1)，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。礦區(qū)西距圣皮埃爾港(Havre St-Pierre)68 km，距七島港(Sept-Iles)300 km。區(qū)內(nèi)主要有元古宙石英巖、輝長巖、花崗片麻巖。硅質(zhì)熱液侵入北-北東向的科斯塔貝爾斷層，形成乳白色的石英礦脈(Bathalon， 2014)。

目前，加拿大PAL公司(Placements Appalache Ltée)持有礦區(qū)的探礦權(quán)。2010年，為準確了解礦區(qū)的礦石是否能用作高純石英原料，PAL公司對礦區(qū)的典型礦脈進行采樣，并委托安扎普蘭公司分析2號脈的礦石質(zhì)量，結(jié)果顯示礦石的SiO2含量為98.7%～99.6%，雜質(zhì)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(chǎn)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(Bathalon， 2014)。PAL公司曾于2015年5月計劃開展可行性研究，截至目前沒有開展進一步的活動，礦床開發(fā)可能陷入停頓。

2.7 中國

近年來，我國一些石英砂礦山企業(yè)努力研發(fā)高純石英的提純工藝，取得了突破性進展，如江蘇太平洋石英股份公司可生產(chǎn)99.99%～99.999 4%的高純石英砂，2018年其產(chǎn)能達到1.13萬噸(賈德龍等， 2019)。湖北蘄春、江蘇東海、安徽旌德和太湖等地的優(yōu)質(zhì)熱液脈石英可能具有高純石英原料的潛力(焦麗香， 2019)。本文以湖北省蘄春縣靈虬山脈石英礦為例，說明我國高純石英原料礦的特征和開發(fā)現(xiàn)狀。

靈虬山脈石英礦位于蘄春縣西北約20 km的橫車鎮(zhèn)，為熱液脈石英型，由硅質(zhì)熱液侵入太古宙大別山群紅安組的黑云母斜長片麻巖、花崗片麻巖和角閃巖而形成(陳凌瑾， 2009)。湖北省基本建設(shè)委員會401隊于1971～1973年對礦床進行勘探，發(fā)現(xiàn)6條脈石英礦體，共提交脈石英儲量387.4萬噸(湖北省基本建設(shè)委員會四○一隊， 1972)(11)湖北省基本建設(shè)委員會四○一隊. 1972. 湖北省圻春縣靈虬山脈石英礦區(qū)地質(zhì)勘探報告.。鉆孔取樣分析結(jié)果表明，礦石幾乎全由石英組成，晶體粒徑1～2 mm，含微量黃鐵礦、白云母、絹云母、綠泥石、輝鉬礦等。礦石SiO2純度>99.35%，Al2O3<0.22%，F(xiàn)e2O3<0.02%。目前，湖北省蘄春縣靈虬山石英礦持有礦床的采礦權(quán)，露天開采，其設(shè)計礦山規(guī)模為年采1.5萬噸礦石。

3 討論和結(jié)論

目前，全球經(jīng)濟增長乏力，迫切呼喚新科技革命，世界經(jīng)濟提振依賴于新能源、新材料等新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。以半導體、光伏、光纖、新型玻璃等產(chǎn)業(yè)為代表的高端制造業(yè)，特別是5G產(chǎn)業(yè)的高速建設(shè)將需要純度更高、產(chǎn)量更大的高純石英砂及其制品。綜合分析全球高純石英原料礦的資源分布特征和開發(fā)現(xiàn)狀，可以得出以下結(jié)論：

(1) 高純石英原料及其產(chǎn)品的供應(yīng)格局將發(fā)生深刻變化

目前，雖然美國斯普魯斯派恩礦擁有獨特的白崗巖型高純石英原料礦，提供全球90%的高純石英砂，矽比科公司也壟斷了IOTA超純石英的生產(chǎn)和銷售，其他國家難以發(fā)現(xiàn)類似的礦床，但近年來各國加大勘查找礦力度，已發(fā)現(xiàn)10多處可用作高純石英原料的礦床，生產(chǎn)99.9%～99.999%的低-中檔高純石英砂，逐漸打破斯普魯斯派恩礦在高純石英砂產(chǎn)業(yè)的壟斷格局。

(2) 高純石英原料礦石類型多樣，具有獨特的成礦背景

高純石英原料的礦石類型非常廣泛，既有熱液脈石英、白崗巖、偉晶巖型，也有花崗閃長巖的風化殘積型礦石，更有長石云母礦尾礦、高嶺土尾礦、金礦尾礦等尾礦型礦石。雖然礦石類型多樣，但大部分高純石英礦產(chǎn)于太古宙-元古宙黑云母片麻巖、花崗片麻巖、片巖等古老變質(zhì)巖系中，受古生代-中生代花崗質(zhì)巖漿活動控制，經(jīng)歷了長期而緩慢的變質(zhì)過程，形成質(zhì)量優(yōu)異的高純石英。

(3) 對我國的啟示

首先，在找礦方向上，應(yīng)立足國內(nèi)資源，大力加強對境內(nèi)太古宙-元古宙變質(zhì)巖系，特別是蘇魯-大別超高壓變質(zhì)帶中純度較高的玻璃用脈石英、偉晶巖、白崗巖的篩查梳理，加強地質(zhì)調(diào)查和質(zhì)量評價；同時，應(yīng)關(guān)注花崗閃長巖、偉晶巖和高嶺土礦開采后殘留尾礦中的石英。在發(fā)現(xiàn)可用作高純石英原料的礦石后，支持地勘單位和礦山企業(yè)及時跟進勘查，開展選礦實驗，評估資源潛力，估算資源量。其次，為保障新材料新能源等新型創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)所需的高純石英資源，我國應(yīng)打破高純石英砂進口渠道單一的境況，加大挪威、俄羅斯、澳大利亞等國高純石英砂及產(chǎn)品的進口力度；此外，應(yīng)支持鼓勵國內(nèi)礦山企業(yè)通過合作，開發(fā)毛里塔尼亞等國的高純石英原料礦，拓展高純石英的來源渠道，維護國家戰(zhàn)略安全。