高純石英砂原料礦中流體包裹體研究

張立，胡修權(quán)，彭興華，尤大海，李國棟，張晉

（湖北冶金地質(zhì)研究所（中南冶金地質(zhì)研究所），湖北省礦物材料及應用工程技術(shù)研究中心，湖北 宜昌 443003）

高純石英砂作為一種現(xiàn)代高科技戰(zhàn)略物質(zhì)，廣泛的應用于石英玻璃、集成電路、光導纖維、軍事和航天工業(yè)等領域[1-2]。脈石英作為高純石英砂原料的一種，它是指由偉晶成因或熱液成因的石英晶體縫合而組成的巖石[3]，主要形成于花崗巖和片麻巖。礦體多呈透鏡狀、串珠狀、脈狀、扁豆狀、囊狀等。礦石多為致密塊狀，礦物組成主要為石英集合體[4]

礦物包裹體是成巖成礦流體（含氣液的流體或者硅酸鹽熔融體）在礦物結(jié)晶生長過程中被包裹體在礦物晶格缺陷或穴窩中的、至今尚在主礦物中封存并與主礦物有著相的界限的那一部分物質(zhì)[5]。脈石英中90%以上的液體包裹體為次生包裹體，這是在構(gòu)造破碎后，壓碎、粒化引起裂隙后形成的[6]。次生包裹體與主礦物同時形成，假次生包裹體要晚于主礦物形成，二者均位于主礦物裂隙當中，包裹體形狀一般呈狹長型。包裹體中含有的微量雜質(zhì)元素是評價石英原料能否用于制備高純石英砂的先天性條件。在熔融石英玻璃過程中，原料中的氣液包裹體所含有的羥基主要由水分子和羥基水（OH-）與SiO2反應而形成，會產(chǎn)生氣泡、氣線等缺陷，而且部分包裹體中的水會溶解于石英玻璃中形成殘余羥基[7]，導致高純石英砂制品的理化性質(zhì)發(fā)生變化。因此，對原料中包裹體雜質(zhì)分布及其賦存形式研究具有重要意義。本文對國外某高純石英砂原料中包裹體類型、大小、分布形態(tài)等特征進行了分析，為該礦石能否作為高純石英砂原料及深加工提純提供了科學的依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 主要儀器

X 射線衍射儀：布魯克D8Advance；電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀：Varian700-0ES；顯微相機：Scope1.AX10+；偏光顯微鏡：AxiolamMRC；偏光顯微鏡：OLYMPUS-BX51；激光拉曼光譜分析儀：inVia；顯微冷熱臺：THMSG600 地質(zhì)型，0～600℃的精度為±2℃， 0～-196℃的精度為±0.2℃。

1.2 分析方法

石英中的包裹體均一溫度采用紅外顯微測溫法，主要是在紅外顯微鏡上面裝上冷—熱兩用臺，即可進行流體包裹體的正常測溫。

2 結(jié)果討論

2.1 礦石雜質(zhì)元素及礦物組成

2.1.1 礦石雜質(zhì)元素分析

石英中雜質(zhì)元素分析結(jié)果見表1，通過分析結(jié)果可知，礦石中的雜質(zhì)元素主要為Al 占比52.97%、Ca 占比16.57%、Fe11.96% 和少量堿金屬元素，其他元素含量極少。

表1 礦石雜質(zhì)元素分析結(jié)果/（μg·g-1）Table 1 Analysis results of impurity elements in the ore

2.1.2 礦物組成

由圖1 測試結(jié)果可知，原礦XRD 圖譜中只有石英峰，與石英標準卡片PDF#46-1045 一致，礦石組成礦物為石英。

由圖1 可知，石英晶體較透明，由于構(gòu)造作用，石英晶體發(fā)育較多顯微裂紋，有較多顯微裂隙相互穿插，可能有多期構(gòu)造作用和重結(jié)晶現(xiàn)象。綜合雜質(zhì)元素分析結(jié)果，礦石中主要雜質(zhì)元素Al 等可能來源于少量白云母，Ca、Na、Mg 等可能存在于石英顆粒包裹體中，F(xiàn)e 可能存在于石英顆粒表面少量粘土中。

圖1 原礦XRDFig.1 XRD patterns of samples

2.2 包裹體分析

2.2.1 包裹體巖相學特征

不同產(chǎn)地石英晶體中包裹體含量存在較大差異，透明度越高包裹體含量越少，反之含量越多，原礦偏光顯微照片見圖2。石英中包裹體含量通過鏡下觀察，一般采用面積法推算得出。根據(jù)表2 鑒定結(jié)果，該石英晶體中包裹體含量約為25%。石英中包裹體主要為氣液兩相鹽水溶液包裹體60%、單相鹽水溶液包裹體20%和含CO2三相包裹體20%，不存在固相包裹體。

圖2 原礦偏光顯微照片F(xiàn)ig.2 Micrographs of samples

表2 包裹體測溫分析結(jié)果Table 2 Microscopic temperature measurement results of fluid inclusions

包裹體大小范圍為2～50 μm，主要集中在10～25 μm。包裹體形態(tài)多為米粒狀、橢圓形、負晶形，其次為多邊形、長方形、長條狀、不規(guī)則形態(tài)。多數(shù)包裹體沿石英愈合顯微裂隙呈串狀或線條分布，部分呈自由狀、小群分布。初熔溫度屬于H2O-NaCl-CaCl2、H2O-NaCl-MgCl2、NaCl-H2O- CO2、H2O-NaCl 等四種體系。由此說明，部分Ca、Mg、Na 等微量雜質(zhì)元素賦存在石英顆粒包裹體中。

2.2.2 包裹體均一溫度

礦樣顯微測溫結(jié)果顯示，包裹體大多數(shù)為LH2O+VH2O與LH2O，少數(shù)為LH2O+ LCO2+VCO2。由圖3 可知，1 號樣包裹體測溫區(qū)間在120～270℃之間，均一溫度主要集中在180～210℃，其中190～200℃頻數(shù)較大； 2 號樣包裹體測溫區(qū)間在90 ～140 ℃，均一溫度主要集中在110～140℃，其中110～130 頻數(shù)較大。由此可見，該石英礦成礦溫度較低，小于300℃，為中低溫（150～250℃）熱液型[8]。

圖3 1 號樣（左）與2 號樣（右）包裹體均一溫度Fig.3 Uniform temperature histograms of inclusions

2.2.3 包裹體拉曼光譜分析

選取部分代表性礦樣進行流體包裹體拉曼光譜測試，測試結(jié)果見圖4，其中兩相包裹體中LH2O拉曼特征峰值為3433 cm-1（圖4-1）、氣相VH2O包裹體拉曼特征峰值為3341 cm-1（圖4-2）。單一液相包裹體中拉曼特征峰值為3426 cm-1（圖4-3）。含CO2氣相包裹體VCO2拉曼特征峰值為1282 cm-1和1386 cm-1（圖4-4）。

圖4 包裹體拉曼光譜分析結(jié)果Fig.4 Laser Raman spectroscopy of fluid inclusions

根據(jù)圖5 包裹體冰點溫度分布結(jié)果，冰點溫度值在-24～0℃區(qū)間內(nèi)，分布最高的冰點溫度區(qū)間為-8～-4℃，其次為-4～-0℃、-24～-20℃，中間區(qū)間-20～-12℃分布很少，呈現(xiàn)出中間小兩頭大的分布趨勢。頻數(shù)最高的區(qū)間-8～-4℃對應的鹽度為6.58%～11.11% NaCl，-4～0℃對應的鹽度為0.35%～6.44 % NaCl。由此可知，該石英礦中的鹽度值較低，可能有兩種不同鹽度脈石英組成。石英中的氣相包裹體多為H2O、CO2，成分簡單，鹽度較低，因此包裹體通過高溫爆裂后，礦石中的雜質(zhì)元素會進一步降低，可作為制備高純石英砂原料。

圖5 流體包裹體冰點溫度Fig.5 Freezing point of fluid inclusions

3 結(jié) 論

（1）石英晶體透明，純度較高。礦石中主要雜質(zhì)元素主要為Al、Ca、Fe 和部分堿金屬元素，含有少量的云母類礦物。

（2）石英中多數(shù)包裹體沿石英愈合顯微裂隙呈串狀或線條分布，部分呈自由狀、小群分布。包裹體主要為單一液相鹽水溶液包裹體、氣液兩相鹽水溶液包裹體和含CO2三相（LH2O+ LCO2+VCO2）包裹體。包裹體大小范圍為2～50 μm，主要集中在10～25 μm；形態(tài)多以米粒狀、橢圓形、負晶形為主，其次為多邊形、不規(guī)則形態(tài)。

（3）包裹體均一溫度在90～270℃范圍內(nèi)，主要集中在180～210℃、110～140℃。包裹體冰點溫度主要在-8～0℃之間，對應鹽度值0.35%～11.11% NaCl，鹽度較低。該脈石英礦中氣液兩相包裹體主要成分為H2O 和CO2，經(jīng)過高溫等方式處理后可使部分包裹體爆裂，進一步降低雜質(zhì)元素含量，從而用作高純石英砂原料。