河南盧氏龍泉坪偉晶巖型高純石英礦床的首次發現及找礦意義

張海啟,朱黎寬,趙海波,劉磊,郭峰,劉廣學,伊躍軍,張宏麗

1.中國地質科學院鄭州礦產綜合利用研究所，河南 鄭州 450006；2.國家非金屬礦資源綜合利用工程技術研究中心，河南 鄭州 450006；3.自然資源部高純石英資源開發利用工程技術創新中心，河南 鄭州 450006

引言

高純石英是光伏能源、集成電路、信息通信、人工智能等戰略性新興產業不可或缺的關鍵性基礎材料，是世界稀缺、我國短缺的戰略性資源，在國家資源安全保障方面具有重要地位[1-3]。

高純石英原料的來源主要分為水晶、脈石英和花崗偉晶巖三種。水晶礦床一般規模較小，目前主要用作工藝品原料；脈石英礦床一般規模不大，僅部分可用做高純石英原料；偉晶巖型高純石英具有規模大、品質高的特點，其中以北卡羅來納州Spruce Pine偉晶巖礦床最為典型，美國矽比科(Sibelco)公司利用該礦床偉晶巖生產的IOTA系列高純石英砂產品，幾乎壟斷了國際市場上高端石英砂產品[4]。偉晶巖型高純石英是將來高純石英相關勘查和研究的重要對象。

北秦嶺地區出露花崗偉晶巖脈群(6 913條，平均密度約8.6條/km2)，前人在該地區的研究主要集中在與偉晶巖有關的鈮、鉭、鋰、鈾等礦床(化)[5-7]，對高純石英資源的有關方向的研究較少。

近年來我們開展了北秦嶺盧氏、商南、丹鳳等地區偉晶巖型高純石英資源找礦研究，在盧氏地區發現多處偉晶巖型高純石英資源，找礦潛力巨大。本次研究可為我國偉晶巖型高純石英資源的調查評價提供借鑒。

1 地質背景

研究區位于北秦嶺構造帶東部，該構造帶南以商丹縫合帶為界，北以洛南—欒川斷裂帶為界[8]。地層主要由寬坪巖群、二郎坪巖群、秦嶺巖群、峽河巖群和丹鳳群組成[9](圖1)。區內發育早古生代花崗巖和深熔脈巖，包括侵入秦嶺巖群中的漂池巖體(496.1±4.2 Ma)、灰池子巖體(445.6±6.1 Ma)等[8]。已發現花崗偉晶巖6 000余條，形成商南、欒莊、官坡、龍泉坪4個花崗偉晶巖巖密集區。秦嶺巖群中發現多個變質年齡為500 Ma的高壓—超高壓巖塊。

圖1 北秦嶺地區地質簡圖(據張成立等，2013，修改)

北秦嶺地區已發現偉晶巖型稀有金屬礦床(點)4處，分別為南陽山、七里溝、蔡家溝和白廟溝稀有金屬礦，大多為含鈮、鉭、鋰、鈹的礦床，同時分布多個偉晶巖型鈾礦化點和鈾礦床，如陳家莊、光石溝鈾礦。該地區是我國重要的偉晶巖型稀有金屬礦和硬巖型鈾礦成礦遠景區。

2 礦床特征

龍泉坪偉晶巖型高純石英礦床位于灰池子巖體東南(圖1)。礦區地層主要為古元古代秦嶺巖群石槽溝組、中-新元古代峽河巖群寨根組和第四系。石槽溝組巖性主要為黑云斜長片麻巖、黑云二長片麻巖、二云斜長片麻巖、斜長角閃片麻巖和大理巖；寨根組巖性主要為石榴二云石英片巖、黑云石英片巖、斜長角閃巖；第四系主要分布于河谷兩側及邊坡地帶，由沖洪積砂、黃土、腐殖土等組成(圖2)。

1—第四系；2—秦嶺巖群石槽溝組；3—峽河巖群寨根組；4—偉晶巖脈；5—礦體；6—河流；7—道路

區內斷裂多為毛河斷裂的次級斷裂，規模較小，一般傾向北東，以脆性斷裂為主；發育規模較小的為褶皺構造。

礦區內無巖體出露，礦區外圍北西約7 km處出露灰池子巖體(445.6±6.1 Ma)，主要巖性為黑云母二長花崗巖(ηγβ3)和黑云母花崗閃長巖(γδβ3)。該巖體與礦體關系密切。

通過地質填圖、勘查工程和分析測試，初步圈定6條偉晶巖型高純石英礦體。其中LD-5號礦體規模最大，位于礦區西南，長255 m，寬10～33 m，總體走向近南北，傾向283°，傾角43°～52°。礦石類型為白云母花崗偉晶巖型，礦石呈淡綠～灰白色，偉晶結構、文象結構，分帶不明顯。主要礦物成分為鈉長石(31%～51%)、微斜長石(11%～20%)、石英(25%～38%)和白云母(7%～9%)，含少量石榴子石、黑云母、磷灰石、針鐵礦等。經深度提純石英SiO2含量達到99.995%，部分樣品純度達到99.997%。

3 偉晶巖型高純石英礦床的發現過程

2019年至今，依托于自然資源部中國地質調查局地質調查二級項目，中國地質科學院鄭州礦產綜合利用所持續開展了高純石英資源調查研究。

2019年，通過江西宜春地區花崗巖資源的綜合利用評價，認為原礦中石英礦物含量不是決定石英高純化程度的關鍵因素，石英礦物所含包裹體、尤其是氣液包裹體是制約石英高純化的關鍵因素。在系統總結國內外高純石英礦床地質特征的基礎上，提出在北秦嶺、新疆阿爾泰、江西石城等地開展花崗偉晶巖型高純石英資源的調查評價意義重大。

2020年，調查評價了北秦嶺、阿爾泰地區的偉晶巖型高純石英資源，構建了高純石英“成礦遠景區預測—調查區圈定—樣品精準采集—預處理—選礦深度除雜—化學深度提純—產品檢測分析”的全鏈條調查評價體系，利用“構造特征+礦物組合+石英標型”的高純石英找礦方法，在北秦嶺地區發現偉晶巖型高純石英礦體10余處，部分礦石經提純加工，石英中SiO2含量達到或超過99.995%，取得了偉晶巖型高純石英資源的重大發現。

2021年，實地查證了北秦嶺地區偉晶巖型高純石英資源，對LD-5號礦體進行了槽探揭露和深部鉆探驗證，控制了脈體的分布和延伸，估算高純石英礦物資源量(控制+推斷)69萬t，達到高純石英中型礦產地規模。

4 礦床對比與找礦方向

4.1 與美國Spruce Pine礦床對比

全球偉晶巖型高純石英原料礦床主要為美國Spruce Pine礦床，其資源規模超過1 000萬t，高純石英砂供應量占全球供應量的90%以上[10]。

Spruce Pine礦床位于北卡羅萊納州西部Spruce Pine鎮，出露地層主要為前寒武紀Ashe組的云母和角閃片麻巖、片巖，少量白云母大理巖?；◢徺|巖石以小的巖體和偉晶巖脈的形式侵入Ashe組中，侵入年代在477～404 Ma之間，接近區域變質作用發生時間的高峰。偉晶巖在花崗巖和圍巖中均有出露，部分花崗巖體中包含的偉晶巖塊體體積超過50%[11-12]。龍泉坪偉晶巖型高純石英礦床位于古元古代秦嶺巖群和中-新元古代峽河巖群的片麻巖、斜長角閃巖中，晚加里東—早海西期北秦嶺雜巖地體南北海盆發生陸內雙向俯沖，俯沖過程中新元古代玄武質巖石重熔形成花崗質巖漿[13]，巖漿侵位后期形成富含揮發分且高度分異演化的巖漿熱液，巖漿熱液經過結晶分異作用形成石英中雜質極低的高純石英礦。兩者有相似的成礦背景和成礦作用過程。

Spruce Pine礦床中偉晶巖的礦物成分主要為鈉長石40%、石英25%、微斜長石20%、白云母15%，少量黑云母、石榴子石等。巖石中SiO2含量74%～77%，Na2O>K2O，屬過鋁質堿性巖石，具有稀土總量低(11.6×10-6～17.7×10-6)，輕稀土富集，Eu正異常特征[4]。龍泉坪礦床中的偉晶巖礦物成分主要為鈉長石(31%～51%)、微斜長石(11%～20%)、石英(25%～38%)和白云母(7%～9%)，含少量石榴子石、黑云母等，SiO2含量76%～79%，Na2O>K2O，屬過鋁質、過堿性巖石，亦具有稀土總量低(1.6×10-6～8.0×10-6)，輕稀土富集特征，但呈Eu負異常[14]。兩者有大致相似的巖石礦物成分和地球化學特征。

北秦嶺地區偉晶巖脈數量多，規模大，新發現的盧氏龍泉坪石英礦床具有和美國Spruce Pine高純石英礦床相似的地質特征，顯示該地區具有尋找偉晶巖型高純石英資源的潛力。

4.2 偉晶巖型高純石英找礦方向

國內目前具有高純石英潛力的原料產地主要為湖北蘄春、江蘇東海、安徽旌德和太湖等地，為熱液脈型石英[15]，龍泉坪偉晶巖型高純石英礦床的發現為高純石英地質找礦提供了新思路。偉晶巖型高純石英資源具有獨特的地質背景，Spruce Pine礦床和盧氏龍泉坪石英礦床均產于前寒武紀的古老變質巖中，與古生代的花崗質巖漿關系密切。分布于我國古老變質巖中的偉晶巖集中分布區是高純石英資源的重要找礦遠景區。北秦嶺、新疆阿爾泰等地區偉晶巖分布廣泛，且具有形成高純石英資源的地質背景條件，建議加大北秦嶺河南盧氏和陜西商南、新疆阿爾泰等地區的高純石英調查評價研究。

美國矽比科公司選擇高純石英原料的標準主要有兩項：一是選擇晶體結構中雜質最少的石英，二是選擇氣液包裹體少的石英[1]。石英中雜質含量和流體包裹體含量是制約高純石英提純的最主要因素[16-17]。目前高純石英產品質量分類主要以雜質含量為依據，如英國工業礦物手冊定義高純石英雜質總含量小于50×10-6[3]；挪威地調局提出高純石英雜質總含量應小于50×10-6、Al含量小于30×10-6、Ti含量小于10×10-6[18]。石英礦物中雜質元素的含量與巖漿體系中元素的含量相關，與稀有金屬成礦相關的石英中往往具有較高的金屬元素Al、Li含量，如江西某地稀有金屬白崗巖石英中Al和Li的含量分別為443.93×10-6和68.09×10-6，河南盧氏南陽山含稀有金屬礦化偉晶巖石英中Al和Li含量分別為111.80×10-6和14.61×10-6。石英中高含量的Al、Li雜質元素制約了石英最終加工處理后的純度，因此應盡量選擇不含稀有金屬礦化的偉晶巖脈體開展地質找礦。

流體包裹體是影響高純石英提純的關鍵性因素。包裹體中的K、Na等雜質元素影響了高純石英的純度；包裹體中的水和氣體間接導致石英管、石英坩堝等產品制備過程中氣泡、氣線瑕疵的產生，對產品表觀質量造成嚴重影響。目前去除石英礦物中流體包裹體的方法主要為高溫爆裂法，該方法較好適用于個體較大的流體包裹體，對于細小的流體包裹體去除效果不理想[17]；偉晶巖中石英內部的流體包裹體一般個體較小，多數在10 μm以下，一般情況下對其較難去除。找礦中應重點關注流體包裹體含量低的偉晶巖脈。

5 結論

(1)河南盧氏龍泉坪偉晶巖型高純石英礦和美國Spruce Pine高純石英礦具有相似的成礦地質背景和地球化學特征，顯示北秦嶺地區具有尋找偉晶巖型高純石英資源的潛力。

(2)雜質元素和包裹體是制約高純石英品質的關鍵因素，不含稀有金屬礦化、流體包裹體含量低的偉晶巖脈體是尋找高純石英資源理想的目標地質體。

(3)該地區偉晶巖型高純石英礦床的首次發現，對我國高純石英地質勘查具有重要的示范和引領作用。建議加大對北秦嶺和新疆阿爾泰等地區的高純石英調查評價工作。