广东阳江地区脉石英显微结构与包裹体特征

2020-11-08宁思远潘标开陈永桂陈厚润张志颖

中国非金属矿工业导刊 2020年5期

关键词：高纯阳江气液

宁思远，潘标开，陈永桂，陈厚润，张志颖

(中国建筑材料工业地质勘查中心广东总队，广东广州 510403)

高纯石英是高档石英制品的原料，是硅产业高端产品的物质基础，广泛应用于光伏、电子信息、光通讯和电光源等行业，在新材料新能源战略性新兴产业中具有重要的地位和作用[1-2]。

20 世纪80 年代以来，我国高纯石英的需求量不断增长[3]。针对这种情况，国内学者先后以脉石英、石英岩等原料，替代天然水晶加工高纯石英，其主要加工工艺包括磁选、浮选、重选、水淬、酸浸、氯化焙烧等。

1 脉石英加工

前人对于脉石英的提纯开展了较多工作，杜建中[4]在磁选、浮选、酸浸等工艺基础上，进一步通过水淬工艺，加工出杂质元素总量＜25μg/g 的4N(SiO2含量99.99%)高纯石英。杨圣闯[5]采用粗选、破碎、焙烧、水淬、粉碎、除铁、酸浸泡、浮选等工序，加工出80 ～100 目的高纯石英。茆令文[6]采用煅烧—水淬—水力分级和磁选—浮选—酸浸超声清洗加工获得4N 高纯石英。汪灵[7-8]等采用二次煅烧水淬、多种酸配方的酸浸优化工艺获得4N5(SiO2含量99.995%)以上的高纯石英。

原料评价与提纯技术是高纯石英发展的基础和前提，是我国高纯石英技术发展必须突破的技术瓶颈。为此，必须加强高纯石英矿物资源尤其是脉石英的矿物学、岩石学和矿床学研究，重点研究原料的化学成分、显微结构、石英包裹体等工艺矿物学特征，查明原料杂质分布和赋存状态及其对高纯石英提纯的影响和机理，为高纯石英原料选择技术和提纯技术提供科学依据。

本次研究通过对阳江地区具有代表性的脉石英样品进行岩相学分析、包裹体测温等实验，总结脉石英的化学特征、显微结构特征和包裹体的特征，并且找出其与高纯石英提纯效果的关系，为今后高纯石英原料的选择以及加工工艺的提升提供一定的指导参考。

2 实验样品与仪器

2.1 样品采集及样品特征

阳江地区内的脉石英主要赋存于燕山期花岗岩体和寒武系高滩组变质砂岩的断裂破碎带内及张性裂隙中。本次共采集5 件具有代表性且质量较好的脉石英样品(图1)，编号依次为YJ-1、YJ-2、YJ-3、YJ-4、YJ-5。样品为块状构造，以灰白、白色为主，表面由于受铁泥质浸染，部分样品变为浅黄色。

图1 脉石英样品手标本照片

2.2 测试方法及过程

本次研究对5件脉石英样品进行了岩相学分析、电子探针实验、包裹体测温以及拉曼实验。

电子探针实验由中国科学技术大学中科院壳幔物质与环境重点实验室完成，仪器型号为JEOLJAX-8530 F Plus，测试条件为：加速电压15kV，电子束流10nA，电子束斑3μm。标样为美国SPI 02753-AB 53 Minerals Standard。

均一温度的测定在南京宏创地质勘查技术服务有限公司进行，采用冷热台法测定脉石英流体包裹体的均一温度。所用的冷热测温台为英国生产的Linkam THMS600 型冷热两用台。分析精度为：±0.2 ℃，＜30 ℃；±1 ℃，＜300 ℃；±2 ℃，＜600℃。低盐度水溶液流体包裹体的盐度是根据包裹体冷冻回温过程中得到的最后一块冰融化温度(冰点)，然后根据Bodnar(1993)提供的NaCl-H2O 盐度—冰点公式计算盐度。

激光拉曼：单个包裹体的激光拉曼探针分析在南京宏创地质勘查技术服务有限公司英国Renishaw公司生产的RM-2000 型激光拉曼探针仪上完成。

3 结果与讨论

3.1 化学成分

根据电子探针实验结果，5 件脉石英样品的化学组成如表1 所示。阳江地区脉石英的杂质元素主要是铝，其次是铁、锰、钛和钾，主要杂质Al2O3的含量在0.008%～0.155%。综合评价，样品YJ-2 中MnO 和Al2O3的含量最高，分别为0.017%～0.031%和0.106%～0.155%；样品YJ-5 中TiO2的含量最高，为0.012% ～0.053%。K2O 在样品YJ-4和YJ-5 中含量较高，分别为0.003%～0.022%和0.01% ～0.012%。FeO 含量最高值位于样品YJ-5。说明5 件样品中，YJ-2、YJ-4 和YJ-5 矿石质量较差，而且影响矿石质量的主要杂质元素是铝、铁、锰、钛和钾。

表1 电子探针定量分析数据 (单位：%)

3.2 显微结构特征

通过脉石英的化学成分分析，YJ-1 和YJ-3 样品中杂质相对含量较少，为优质脉石英，YJ-2、YJ-4 和YJ-5 样品中杂质相对含量较多，为普通脉石英。从镜下分别对两类脉石英进行观察，从显微结构构造方面，分析其与脉石英质量的关系，进而为下一步脉石英的提纯分析提供一定的指导意义。

根据表1，结合上述显微特征的研究，可知优质脉石英中，基本没有可以充填杂质的大构造裂隙，晶粒较为完整且结晶度较好，颗粒较大。特别在YJ-3 中表现明显(图2b)，但是颗粒表面粗糙，存在有裂纹。

图2 优质脉石英的显微结构图(正交偏光下)

普通脉石英中裂隙发育较多，且较为复杂。脉石英颗粒破碎非常明显，填隙于大颗粒脉石英中(图3a、b)。较大的他形粒状结构脉石英颗粒呈条带状贯穿于细小的脉石英颗粒中(图3c)。此类脉石英在地质时期受到过严重的地质作用，由于裂隙带来的杂质，加上后期的地质应力，石英易发生位错和重结晶作用，Al3+、Fe3+和Ti4+等离子将以类质同象的形式与硅氧四面体中的Si4+发生元素替换[15]，另一类离子如K+将以电价补偿的形式进入石英晶格而存在于晶格间隙中[9-10]。

图3 普通脉石英的显微结构图(正交偏光下)

3.3 包裹体特征

石英矿物中普遍存在有包裹体，按照成因可以分为：原生包裹体、次生包裹体和假次生包裹体三类[11]。原生包裹体是在脉石英晶体颗粒核晶形成时出现。脉石英中，90%以上的液体包裹体为次生包裹体，这是在构造破碎以后，压碎、粒化引起裂隙后形成的[12]。假次生包裹体与原生包裹体具有相同的代表性，但其空间分布上却具有与次生包裹体相似的特征，但不切穿主矿物颗粒边界，是真原生的假次生包裹体。

对于高纯石英应用来说，包裹体是脉石英的有害成分之一。因为包裹体体积非常小，一般直径在微米级，粉碎石英矿时，很难破裂消除[13]。另外CO、CO2等气体从固体或者熔体中较难排出，熔制产品容易造成缺陷[14]。

为探究脉石英的质量与包裹体特征的关联，进而分析包裹体对脉石英提纯的影响，对阳江地区脉石英样品进行了包裹体的岩相学观察、包裹体测温以及拉曼分析。

流体包裹体的镜下观察发现，脉石英中发育了大量次生包裹体和原生包裹体，以次生包裹体为主，主要沿裂隙分布，形状为不规则状和长条状，大小为1 ～8μm，气泡普遍较小，其充填度在1%～10%之间，为富液相包裹体。原生包裹体多生长于环带中，大小约为15 ～20μm，形状为不规则状，气泡的充填度约为10%，为富液相包裹体。

优质脉石英包裹体多为生长环带中的原生包裹体，大小为15 ～20μm，形状为不规则状，气泡的充填度约为10%(图4)。包裹体均一温度在120 ～134℃，冰点为-1.3 ～1.3℃。可能是其中含有CO2导致冰点大于0℃。通过拉曼光谱测试，优质脉石英中气液两相包裹体气液成分为H2O 和。

图4 优质脉石英流体包裹体显微照片

普通脉石英的显微照片中可见两期石英，早期石英结晶细小且常混染铁氧化物，含量约占70%，无法观察到可供测试的流体包裹体。晚期石英多呈脉状且较为透亮(图5a)。普通脉石英包裹体多为次生流体包裹体，数量多且体积小，包裹体呈面状分布，大小为1 ～5μm，形状为不规则状和长条状，气泡普遍较小，其充填度在1%～5%之间(图5b)。部分次生流体包裹体沿裂隙分布，大小为1 ～8μm，形状为不规则状，气泡的充填度在1%～10%之间(图5c)。次生流体包裹体中偶见体积较大的不规则状的包裹体(图5d)，大小约为10μm，气泡的充填度约10%。包裹体均一温度在123 ～144℃，冰点为-1.4 ～-1.7℃。

图5 普通脉石英流体包裹体显微照片

综上分析，阳江地区脉石英流体包裹体以富液相包裹体为主，通过拉曼分析实验，脉石英中气液两相包裹体气液成分为H2O 和CO2。脉石英原生包裹体(YJ-1 和YJ-3)均一温度的平均值为125℃，次生包裹体(YJ-2、YJ-4 和YJ-5)均一温度的平均值为134℃，略高于原生包裹体，表明原生包裹体形成的温度较低。

结合上述流体包裹体特征的研究，可知优质脉石英(YJ-1 和YJ-3)中，气液包裹体含量并不多，以原生包裹体为主，主要原因是脉石英中的构造裂隙及显微裂隙较少。此类包裹体主要形成于脉石英晶体颗粒核晶形成过程中。由于爆裂温度较低，在加热到一定程度后就可以爆裂，对脉石英加工制备高纯石英的影响较小[17]。普通脉石英(YJ-2、YJ-4和YJ-5)中，由于构造裂隙及显微裂隙较多，次生的气液包裹体含量较多并且体积较小，并且多呈面状或条状分布。此类脉石英的加工提纯的难度较大，并且效果不是很明显。