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（Quartz）是我們日常生活中非常常見的一種礦物,，成分為SiO2,，SiO2的單晶體就是水晶，而多晶體則形成玉髓,、瑪瑙,，我們平時看到的普通玻璃是不具備晶體結構的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,，雜質元素含量極低的石英及其產品,，大量應用于半導體,、光伏,、光纖,、精密光學、高級照明設備,、新型玻璃等產業(yè),。但是，由于不同產業(yè)需要不同質量的石英,，使得高純石英沒有普適性的質量評價指標,。不同的人有不同的定義。早期的研究認為,，高純石英的雜質含量應小于50×10-6,，即SiO2純度大于99.995%的石英為高純石英。挪威地質調查局則提出更詳細的指標,，要求不僅雜質總質量要小于十萬分之五,，而且Al的含量應小于十萬分之三，Ti的含量應小于十萬分之一,，Na和K的含量應小于百萬分之八,，Li、Ca的含量應小于百萬分之五,，Fe的含量應小于百萬分之三,，P的含量應小于百萬分之二,，B的含量應小于百萬分之一,。2014年，Flook根據市場產業(yè)需求,，提出新的質量指標,，認為SiO2純度在99.95%、總雜質含量小于萬分之五的石英即為高純石英,，純度為99.5%~99.8%的石英可滿足半導體填料,、光纖、液晶屏生產行業(yè)的要求,，純度小于99.5%的石英可用在透明玻璃行業(yè),。
我國汪靈學者認為，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業(yè)，降低了對SiO2的純度要求,。因此,，綜合不同的指標體系，在考慮原料礦石質量,、測試手段,、現有提純工藝和行業(yè)質量要求的情況下，我國采用的高純石英的標準是：SiO2純度大于99.9%的石英,。
石英在自然結晶的過程中常會摻雜微量的雜質,，主要為晶體間隙的脈石礦物、包裹體,、晶格雜質等,。像我們平時常見的河砂、天然砂含有太多雜質,，河砂的含硅量一般在65%~85%,，硅含量太低，不能用于生產芯片,。雜質元素的種類和含量會對會石英性能造成影響,，比如，Al的存在會影響石英中的光傳導速率,，Fe,、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業(yè),，因此在生產高純石英時,，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質量分數不超過150×10-6）,，僅是普通玻璃的1/10,，甚至更低，當鐵含量超標時,，做出來的玻璃不僅透明度下降,，制品還將呈現出黃綠色。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,，如北京奧運會的“鳥巢”,、“水立方”體育場館、上海世博會的“中國館”,、以及北京國家大劇院,、南京中國藝術中心等均有超白玻璃的身影。所以在雜質元素含量,、硅含量要求方面,，新型玻璃產業(yè)、半導體產業(yè)都會要求更為嚴格苛刻,。
石英晶體展示透明度
嚴格來說,，高純石英不是一種礦產，而是由水晶,、脈石英,、石英巖、花崗偉晶巖等礦石作為原料經過提純后的一種產品,。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體制造。因此,，能夠提純生產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，尤其是具備經濟開采價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,，是硅產業(yè)高端產品的物質基礎，而高純石英原料礦極為稀缺,。我國硅質資源豐富,，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，受礦石品質的限制,，生產出來的產品主要為低端高純石英,。對于高純石英砂、原料礦石及高端石英制品每年都大量依賴進口,。因此,，對于全球高純石英原料礦的分布和開發(fā)現狀，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,。石英的雜質元素含量極低，經機械和化學提純后,，制得的高純和超純石英主要用于半導體晶體,、精密光學玻璃以及光伏、照明等產業(yè),。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）,。
斯普魯斯派恩礦床
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)。經電子探針分析,，該礦石中石英晶體的純度大于99.9%,。2010年，艾礦產股份公司(I-Minerals,，Inc.)完成預可行性研究，研發(fā)出SiO2純度為99.9%~99.997%的高純石英砂產品,。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,。采用傳統浮選提純工藝,，即可生產高純石英砂。
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。經測試東,、西礦體的礦石純度＞99.9%,，主要雜質元素Al,、Ti,、Fe,、P、Ca 等含量均較低,，經過簡單機械提純后,，純度即可達99.95%以上，證明燈塔礦床為優(yōu)質的高純石英原料礦,。
燈塔礦（引自ROCKFIRE RESOURCES官網）
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,。礦石質量極為優(yōu)質,，原位SiO2純度可達99.99%以上。2016年普查結果表明,，礦體長約600m,，平均厚度20m，鉆孔揭示礦體深度60~80m(Alper,，2019),。經取樣測試和選礦提純實驗，可制得高純石英砂純度達99.995%~99.999%,，滿足太陽能和半導體產業(yè)的質量要求,。目前，糖袋山礦床尚未開采和生產高純石英砂,，但其探明和控制的資源量規(guī)�,？捎^，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。白泉礦的礦石質量優(yōu)異,，原料SiO2純度達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%,，預測高純石英資源量達1400萬噸,，資源規(guī)模巨大。白泉礦可生產的高純石英砂純度涵蓋99.99%~99.999%,，年產高純石英砂3萬噸,，應用于光伏和半導體產業(yè)領域。目前,，石英山礦床尚未進入開采期,。
1號公路沿線
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，質量優(yōu)異,，雜質元素含量低,，尤其是B和P含量很低,，可用于液晶顯示器,、光伏、半導體,、光學玻璃等產業(yè),。經澳大利亞聯邦科學與工業(yè)研究組織(CSIRO) 采用傳統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%,。
克雷西克礦區(qū)
3 俄羅斯
在俄羅斯烏拉爾山脈的東側,，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,，其高純石英產品質量優(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里雅賓斯克州（Chelyabinsk）的克什特姆市( Kyshtym),，東南距離車里雅賓斯克市100km,。礦床為熱液脈石英型。礦區(qū)總長15km,，寬1~3km,，面積20km2，石英儲量136萬噸,。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,、玻璃等傳統行業(yè),。2011年之后開始開采生產高純石英砂。2022年產能預計達6000噸/年,，礦山可滿足滿負荷生產30年服務年限,。
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2014年礦區(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。截至目前未進行有效的采礦活動,。
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量72.5萬噸; 2.7m以下礦體可延伸至8m,，探明儲量有進一步擴大的空間。
毛里塔尼亞優(yōu)質石英礦
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。結果顯示礦石的SiO2含量為98.7%~99.6%,，雜質元素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)。
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、�,？瞎煞�( Elkem ASA) 等全球石英產業(yè)巨頭,。挪威地質調查局根據境內石英礦石的測試數據，還提出一套基于晶格雜質元素含量的高純石英質量評價指標(Müller et al., 2007; Müller et al., 2012),。當前,，北部的德拉格礦床和南部的內索登(Nesodden) 礦床是挪威主要的高純石英原料產地。
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) 西側的德拉格村(Drag)附近,，由分布在方圓5km2的數十個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等晶格雜質元素均達到高純石英原料的質量要求( 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年開始采礦生產用于光學,、照明設備,、光伏的高純石英砂。
德拉格礦區(qū)地質簡圖
（引自 Müller et al., 2012）
6.2內索登礦床
內索登礦(Nesodden)位于挪威西南部的霍達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。礦床的資源量大且礦區(qū)高純石英的后備資源相當豐富,。在斷裂帶北段也發(fā)現了克瓦維克( Kvalvik) 熱液脈石英礦,，推斷資源量70萬噸，其礦石質量與內索登礦類似,，可用作高純石英原料,。
內索登礦區(qū)地質簡圖
（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，取得了突破性進展,。湖北蘄春,、江蘇東海、安徽旌德和太湖等地的優(yōu)質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%,，Fe2O3＜0.02%。目前,，靈虬山石英礦采用露天開采,，其設計礦山規(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地球所李逢春,；參考文獻請見原文,；圖片來源于維基百科或維基共享�,！�
（中國粉體網編輯整理/平安）
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