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（Quartz）是我們?nèi)粘Ｉ钪蟹浅３Ｒ姷囊环N礦物，成分為SiO2,，SiO2的單晶體就是水晶,，而多晶體則形成玉髓、瑪瑙,，我們平時(shí)看到的普通玻璃是不具備晶體結(jié)構(gòu)的SiO2,，海灘上的沙子基本上就是由石英和長石組成。相信大家對(duì)石英也并不陌生,，然而近幾年,，隨著美國禁“芯”令的頒布以及石英股價(jià)的高漲，石英搖身一變,，掀起了“高純石英砂熱”,。什么是高純石英呢？它與我們常見的石英有哪些區(qū)別,？能用于造芯片的沙子又是什么樣的呢,？
石英
01 什么是高純石英？
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,，大量應(yīng)用于半導(dǎo)體、光伏,、光纖,、精密光學(xué),、高級(jí)照明設(shè)備、新型玻璃等產(chǎn)業(yè),。但是,，由于不同產(chǎn)業(yè)需要不同質(zhì)量的石英，使得高純石英沒有普適性的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),。不同的人有不同的定義,。早期的研究認(rèn)為，高純石英的雜質(zhì)含量應(yīng)小于50×10-6,，即SiO2純度大于99.995%的石英為高純石英,。挪威地質(zhì)調(diào)查局則提出更詳細(xì)的指標(biāo)，要求不僅雜質(zhì)總質(zhì)量要小于十萬分之五,，而且Al的含量應(yīng)小于十萬分之三,，Ti的含量應(yīng)小于十萬分之一，Na和K的含量應(yīng)小于百萬分之八,，Li,、Ca的含量應(yīng)小于百萬分之五，F(xiàn)e的含量應(yīng)小于百萬分之三,，P的含量應(yīng)小于百萬分之二,，B的含量應(yīng)小于百萬分之一。2014年,，F(xiàn)look根據(jù)市場產(chǎn)業(yè)需求,，提出新的質(zhì)量指標(biāo)，認(rèn)為SiO2純度在99.95%,、總雜質(zhì)含量小于萬分之五的石英即為高純石英,，純度為99.5%~99.8%的石英可滿足半導(dǎo)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),。
我國汪靈學(xué)者認(rèn)為,，SiO2純度大于99.9%的石英即為高純石英。近年來,，新興起的光伏玻璃,、超白浮法玻璃等新型玻璃產(chǎn)業(yè)，降低了對(duì)SiO2的純度要求,。因此,，綜合不同的指標(biāo)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,，我國采用的高純石英的標(biāo)準(zhǔn)是：SiO2純度大于99.9%的石英。
石英在自然結(jié)晶的過程中常會(huì)摻雜微量的雜質(zhì),，主要為晶體間隙的脈石礦物,、包裹體、晶格雜質(zhì)等,。像我們平時(shí)常見的河砂,、天然砂含有太多雜質(zhì)，河砂的含硅量一般在65%~85%,，硅含量太低,，不能用于生產(chǎn)芯片。雜質(zhì)元素的種類和含量會(huì)對(duì)會(huì)石英性能造成影響,，比如,，Al的存在會(huì)影響石英中的光傳導(dǎo)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(shí)，必須對(duì)原料礦石進(jìn)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。
拿超白玻璃與普通玻璃相比較來說,，超白玻璃晶瑩剔透，透光率高，具有極低的含鐵量（Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過150×10-6）,，僅是普通玻璃的1/10,，甚至更低，當(dāng)鐵含量超標(biāo)時(shí),，做出來的玻璃不僅透明度下降,，制品還將呈現(xiàn)出黃綠色。并且超白玻璃更具安全性,，其自爆率僅為萬分之一左右,，遠(yuǎn)比普通玻璃（自爆率為千分之三左右）低得多，特別適用于建造重要建筑和高層樓房中,，如北京奧運(yùn)會(huì)的“鳥巢”,、“水立方”體育場館、上海世博會(huì)的“中國館”,、以及北京國家大劇院,、南京中國藝術(shù)中心等均有超白玻璃的身影。所以在雜質(zhì)元素含量,、硅含量要求方面,，新型玻璃產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)都會(huì)要求更為嚴(yán)格苛刻,。
石英晶體展示透明度
嚴(yán)格來說,，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)過提純后的一種產(chǎn)品,。這種高純度的石英砂在自然界是不存在的,，需要從石英礦中開采提純后才能用于半導(dǎo)體制造。因此,，能夠提純生產(chǎn)高純石英的礦床稱為高純石英原料礦,。制備高純石英砂的最理想選擇便是高純度石英礦原料，石英或石英巖脈很常見,，但是高純度石英礦,，尤其是具備經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值的高純度石英礦卻又少之又少。
普通硅石礦
高純石英砂是芯片制造不可或缺的原料,，是硅產(chǎn)業(yè)高端產(chǎn)品的物質(zhì)基礎(chǔ)，而高純石英原料礦極為稀缺,。我國硅質(zhì)資源豐富,，但是大部分礦床為普通硅石礦，用于普通玻璃,、石材,、建筑用砂等,。同時(shí)，受礦石品質(zhì)的限制,，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品主要為低端高純石英,。對(duì)于高純石英砂、原料礦石及高端石英制品每年都大量依賴進(jìn)口,。因此,，對(duì)于全球高純石英原料礦的分布和開發(fā)現(xiàn)狀，我們要有所了解,。目前,，高純石英原料礦床主要分布于美國、挪威,、澳大利亞,、俄羅斯、毛里塔尼亞,、中國,、加拿大等7個(gè)國家。除中國外,，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1000萬噸；資源量最小的是挪威德拉格（Drag）礦,，僅有26.7萬噸（王九一,，2021；表1）,。
全球高純石英原料礦床分布圖（引自王九一,，2021）
表1 全球高純石英原料礦床的資源分布與開發(fā)現(xiàn)狀（引自王九一，2021）
02 全球七大國高純石英原料礦分布
1 美國
1.1斯普魯斯派恩礦床
斯普魯斯派恩（Spruce Pine）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),。采礦區(qū)有超過100年的悠久采礦歷史,。石英的雜質(zhì)元素含量極低，經(jīng)機(jī)械和化學(xué)提純后,，制得的高純和超純石英主要用于半導(dǎo)體晶體,、精密光學(xué)玻璃以及光伏、照明等產(chǎn)業(yè),。該礦供給了全球90%以上的高純石英砂需求量,，在相當(dāng)長時(shí)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(jià)值的平方英畝”（Nelson,，2009）,。
斯普魯斯派恩礦床
1.2博維爾礦床
博維爾礦位于愛達(dá)荷州北部拉塔縣博維爾鎮(zhèn)(Bovill，Latah County)。經(jīng)電子探針分析,，該礦石中石英晶體的純度大于99.9%,。2010年，艾礦產(chǎn)股份公司(I-Minerals,，Inc.)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(jì)1323.5萬噸( I-Minerals，2020a),。博維爾礦高純石英資源量巨大,，礦石的提純加工難度較低。采用傳統(tǒng)浮選提純工藝,，即可生產(chǎn)高純石英砂,。
高純石英礦石
2 澳大利亞
澳大利亞的石英資源非常豐富，主要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,，目前已發(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,。
2.1燈塔礦床
礦床位于昆士蘭州北部的喬治敦區(qū)(Georgetown)。艾恩斯利(Einasleigh) 鎮(zhèn)在礦區(qū)西南16km,，是最近的城鎮(zhèn),。燈塔礦床由東、西兩座狀似燈塔,、高出地表約440m的石英山峰組成,，因此得名。該礦區(qū)礦石純凈,、呈半透明或乳白色,、塊狀，近直立狀充填于斷層中,。經(jīng)測試東,、西礦體的礦石純度＞99.9%，主要雜質(zhì)元素Al,、Ti,、Fe,、P,、Ca 等含量均較低,，經(jīng)過簡單機(jī)械提純后，純度即可達(dá)99.95%以上,，證明燈塔礦床為優(yōu)質(zhì)的高純石英原料礦,。
燈塔礦（引自ROCKFIRE RESOURCES官網(wǎng)）
2.2糖袋山礦床
礦床位于喬治敦區(qū)（Georgetown），西北距離喬治敦鎮(zhèn)約25km,，東距燈塔礦60km,。礦石質(zhì)量極為優(yōu)質(zhì)，原位SiO2純度可達(dá)99.99%以上,。2016年普查結(jié)果表明,，礦體長約600m，平均厚度20m,，鉆孔揭示礦體深度60~80m(Alper,，2019)。經(jīng)取樣測試和選礦提純實(shí)驗(yàn),，可制得高純石英砂純度達(dá)99.995%~99.999%,，滿足太陽能和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量要求。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,。
糖袋山礦區(qū)
2.3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(hào)公路沿線分布著白泉和石英山礦。礦床均為熱液石英脈型,。白泉礦的礦石質(zhì)量優(yōu)異,，原料SiO2純度達(dá)99.99%以上，被推斷高純石英的資源量150萬噸,。石英山礦石原料純度大于99.5%,，預(yù)測高純石英資源量達(dá)1400萬噸，資源規(guī)模巨大,。白泉礦可生產(chǎn)的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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,。目前,，石英山礦床尚未進(jìn)入開采期。
1號(hào)公路沿線
2.4克雷西克礦床
礦床位于澳大利亞維多利亞州（Victoria）中南部的克雷西克區(qū)（Creswick）,。礦床為金礦尾礦型,，由19世紀(jì)淘金熱開采金礦廢棄后的尾礦組成(Hughes,，2013) 。礦石是尾礦中6～200mm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,，可用于液晶顯示器,、光伏、半導(dǎo)體,、光學(xué)玻璃等產(chǎn)業(yè),。經(jīng)澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO) 采用傳統(tǒng)機(jī)械和化學(xué)提純工藝處理后，制得的高純石英砂SiO2純度可達(dá)99.995%,。
克雷西克礦區(qū)
3 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,。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。
3.1克什特姆礦床
克什特姆礦床位于俄羅斯車?yán)镅刨e斯克州（Chelyabinsk）的克什特姆市( Kyshtym),，東南距離車?yán)镅刨e斯克市100km,。礦床為熱液脈石英型。礦區(qū)總長15km,，寬1~3km,，面積20km2，石英儲(chǔ)量136萬噸,。礦床開發(fā)始于20世紀(jì)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年之后開始開采生產(chǎn)高純石英砂。2022年產(chǎn)能預(yù)計(jì)達(dá)6000噸/年,，礦山可滿足滿負(fù)荷生產(chǎn)30年服務(wù)年限,。
石英礦
3.2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( Saranpaul＇)85km,。礦床為熱液脈石英型,。礦石呈半透明－透明狀，玻璃光澤,。根據(jù)2014年礦區(qū)的勘探報(bào)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(yuǎn)景資源量可能更為可觀。
薩蘭保爾地區(qū)
4 毛里塔尼亞
4.1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（Nouadhibou）港口130km,。礦床為熱液脈石英型,。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。石英的推斷資源量為500~1000萬噸(Feytis,，2010),，但因缺少鉆孔驗(yàn)證和測試分析以及必備的選礦實(shí)驗(yàn)，可用作高純石英原料的資源量不明,。截至目前未進(jìn)行有效的采礦活動(dòng),。
烏姆阿奎尼納礦床
4.2查米礦床
查米礦床位于努瓦迪布灣省(Dakhlet Nouadhibou)東部，距烏姆阿奎尼納礦20km,。礦床成因,、礦石類型、圍巖,、賦存特征與烏姆阿奎尼納礦類似,，礦石呈半透明狀、光滑透明狀,，礦石SiO2含量為98% ~99.9%,。表層2.7m以上礦體的高純石英原料探明儲(chǔ)量72.5萬噸; 2.7m以下礦體可延伸至8m，探明儲(chǔ)量有進(jìn)一步擴(kuò)大的空間,。
毛里塔尼亞優(yōu)質(zhì)石英礦
5 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，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,。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(jì)入采礦損失后，2號(hào)脈和9號(hào)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(jì)225萬噸(Bathalon,，2014),。
約翰比茲灣(Johan Beetz Bay) 海岸帶
6 挪威
作為南北狹長的山地之國，挪威的石英資源非常豐富,，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(píng)價(jià)指標(biāo)(Müller et al., 2007; Müller et al., 2012)。當(dāng)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,。
6.1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(Drag)附近，由分布在方圓5km2的數(shù)十個(gè)偉晶巖型的石英礦體組成,。石英晶體純凈,，粒徑平均6mm，Al,、Ti,、Li、B等晶格雜質(zhì)元素均達(dá)到高純石英原料的質(zhì)量要求( Müller et al,，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,，到了1996年開始采礦生產(chǎn)用于光學(xué),、照明設(shè)備、光伏的高純石英砂,。
德拉格礦區(qū)地質(zhì)簡圖
（引自 Müller et al., 2012）
6.2內(nèi)索登礦床
內(nèi)索登礦(Nesodden)位于挪威西南部的霍達(dá)蘭郡的克文赫拉德市(Kvinnherad),。礦體長約580m，寬15m,，延伸150m,，礦石中的石英晶體較大。截至目前,，尚未開采內(nèi)索登高純石英礦,。但是，該礦對(duì)高純石英砂及制品行業(yè)具有相當(dāng)大的影響,。礦床的資源量大且礦區(qū)高純石英的后備資源相當(dāng)豐富,。在斷裂帶北段也發(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。
內(nèi)索登礦區(qū)地質(zhì)簡圖
（引自Axel Müller et al., 2012）
7 中國
近年來,，我國一些石英砂礦山企業(yè)正努力研發(fā)高純石英的提純工藝,，取得了突破性進(jìn)展,。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)。靈虬山脈石英礦位于湖北省蘄春縣西北約20km的橫車鎮(zhèn),。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1~2mm,。礦石SiO2純度＞99.35%,，Al2O3＜0.22%，F(xiàn)e2O3＜0.02%,。目前,，靈虬山石英礦采用露天開采，其設(shè)計(jì)礦山規(guī)模為年采1.5萬噸礦石,。
中國高純石英砂
【本文作者系中科院地質(zhì)地球所李逢春；參考文獻(xiàn)請(qǐng)見原文,；圖片來源于維基百科或維基共享,。】
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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