高纯石英砂原料矿中流体包裹体研究

张立，胡修权，彭兴华，尤大海，李国栋，张晋

（湖北冶金地质研究所（中南冶金地质研究所），湖北省矿物材料及应用工程技术研究中心，湖北 宜昌 443003）

高纯石英砂作为一种现代高科技战略物质，广泛的应用于石英玻璃、集成电路、光导纤维、军事和航天工业等领域[1-2]。脉石英作为高纯石英砂原料的一种，它是指由伟晶成因或热液成因的石英晶体缝合而组成的岩石[3]，主要形成于花岗岩和片麻岩。矿体多呈透镜状、串珠状、脉状、扁豆状、囊状等。矿石多为致密块状，矿物组成主要为石英集合体[4]

矿物包裹体是成岩成矿流体（含气液的流体或者硅酸盐熔融体）在矿物结晶生长过程中被包裹体在矿物晶格缺陷或穴窝中的、至今尚在主矿物中封存并与主矿物有着相的界限的那一部分物质[5]。脉石英中90%以上的液体包裹体为次生包裹体，这是在构造破碎后，压碎、粒化引起裂隙后形成的[6]。次生包裹体与主矿物同时形成，假次生包裹体要晚于主矿物形成，二者均位于主矿物裂隙当中，包裹体形状一般呈狭长型。包裹体中含有的微量杂质元素是评价石英原料能否用于制备高纯石英砂的先天性条件。在熔融石英玻璃过程中，原料中的气液包裹体所含有的羟基主要由水分子和羟基水（OH-）与SiO2反应而形成，会产生气泡、气线等缺陷，而且部分包裹体中的水会溶解于石英玻璃中形成残余羟基[7]，导致高纯石英砂制品的理化性质发生变化。因此，对原料中包裹体杂质分布及其赋存形式研究具有重要意义。本文对国外某高纯石英砂原料中包裹体类型、大小、分布形态等特征进行了分析，为该矿石能否作为高纯石英砂原料及深加工提纯提供了科学的依据。

1 实验部分

1.1 主要仪器

X 射线衍射仪：布鲁克D8Advance；电感耦合等离子体原子发射光谱仪：Varian700-0ES；显微相机：Scope1.AX10+；偏光显微镜：AxiolamMRC；偏光显微镜：OLYMPUS-BX51；激光拉曼光谱分析仪：inVia；显微冷热台：THMSG600 地质型，0～600℃的精度为±2℃， 0～-196℃的精度为±0.2℃。

1.2 分析方法

石英中的包裹体均一温度采用红外显微测温法，主要是在红外显微镜上面装上冷—热两用台，即可进行流体包裹体的正常测温。

2 结果讨论

2.1 矿石杂质元素及矿物组成

2.1.1 矿石杂质元素分析

石英中杂质元素分析结果见表1，通过分析结果可知，矿石中的杂质元素主要为Al 占比52.97%、Ca 占比16.57%、Fe11.96% 和少量碱金属元素，其他元素含量极少。

表1 矿石杂质元素分析结果/（µg·g-1）Table 1 Analysis results of impurity elements in the ore

2.1.2 矿物组成

由图1 测试结果可知，原矿XRD 图谱中只有石英峰，与石英标准卡片PDF#46-1045 一致，矿石组成矿物为石英。

由图1 可知，石英晶体较透明，由于构造作用，石英晶体发育较多显微裂纹，有较多显微裂隙相互穿插，可能有多期构造作用和重结晶现象。综合杂质元素分析结果，矿石中主要杂质元素Al 等可能来源于少量白云母，Ca、Na、Mg 等可能存在于石英颗粒包裹体中，Fe 可能存在于石英颗粒表面少量粘土中。

图1 原矿XRDFig.1 XRD patterns of samples

2.2 包裹体分析

2.2.1 包裹体岩相学特征

不同产地石英晶体中包裹体含量存在较大差异，透明度越高包裹体含量越少，反之含量越多，原矿偏光显微照片见图2。石英中包裹体含量通过镜下观察，一般采用面积法推算得出。根据表2 鉴定结果，该石英晶体中包裹体含量约为25%。石英中包裹体主要为气液两相盐水溶液包裹体60%、单相盐水溶液包裹体20%和含CO2三相包裹体20%，不存在固相包裹体。

图2 原矿偏光显微照片Fig.2 Micrographs of samples

表2 包裹体测温分析结果Table 2 Microscopic temperature measurement results of fluid inclusions

包裹体大小范围为2～50 µm，主要集中在10～25 µm。包裹体形态多为米粒状、椭圆形、负晶形，其次为多边形、长方形、长条状、不规则形态。多数包裹体沿石英愈合显微裂隙呈串状或线条分布，部分呈自由状、小群分布。初熔温度属于H2O-NaCl-CaCl2、H2O-NaCl-MgCl2、NaCl-H2O- CO2、H2O-NaCl 等四种体系。由此说明，部分Ca、Mg、Na 等微量杂质元素赋存在石英颗粒包裹体中。

2.2.2 包裹体均一温度

矿样显微测温结果显示，包裹体大多数为LH2O+VH2O与LH2O，少数为LH2O+ LCO2+VCO2。由图3 可知，1 号样包裹体测温区间在120～270℃之间，均一温度主要集中在180～210℃，其中190～200℃频数较大； 2 号样包裹体测温区间在90 ～140 ℃，均一温度主要集中在110～140℃，其中110～130 频数较大。由此可见，该石英矿成矿温度较低，小于300℃，为中低温（150～250℃）热液型[8]。

图3 1 号样（左）与2 号样（右）包裹体均一温度Fig.3 Uniform temperature histograms of inclusions

2.2.3 包裹体拉曼光谱分析

选取部分代表性矿样进行流体包裹体拉曼光谱测试，测试结果见图4，其中两相包裹体中LH2O拉曼特征峰值为3433 cm-1（图4-1）、气相VH2O包裹体拉曼特征峰值为3341 cm-1（图4-2）。单一液相包裹体中拉曼特征峰值为3426 cm-1（图4-3）。含CO2气相包裹体VCO2拉曼特征峰值为1282 cm-1和1386 cm-1（图4-4）。

图4 包裹体拉曼光谱分析结果Fig.4 Laser Raman spectroscopy of fluid inclusions

根据图5 包裹体冰点温度分布结果，冰点温度值在-24～0℃区间内，分布最高的冰点温度区间为-8～-4℃，其次为-4～-0℃、-24～-20℃，中间区间-20～-12℃分布很少，呈现出中间小两头大的分布趋势。频数最高的区间-8～-4℃对应的盐度为6.58%～11.11% NaCl，-4～0℃对应的盐度为0.35%～6.44 % NaCl。由此可知，该石英矿中的盐度值较低，可能有两种不同盐度脉石英组成。石英中的气相包裹体多为H2O、CO2，成分简单，盐度较低，因此包裹体通过高温爆裂后，矿石中的杂质元素会进一步降低，可作为制备高纯石英砂原料。

图5 流体包裹体冰点温度Fig.5 Freezing point of fluid inclusions

3 结 论

（1）石英晶体透明，纯度较高。矿石中主要杂质元素主要为Al、Ca、Fe 和部分碱金属元素，含有少量的云母类矿物。

（2）石英中多数包裹体沿石英愈合显微裂隙呈串状或线条分布，部分呈自由状、小群分布。包裹体主要为单一液相盐水溶液包裹体、气液两相盐水溶液包裹体和含CO2三相（LH2O+ LCO2+VCO2）包裹体。包裹体大小范围为2～50 µm，主要集中在10～25 µm；形态多以米粒状、椭圆形、负晶形为主，其次为多边形、不规则形态。

（3）包裹体均一温度在90～270℃范围内，主要集中在180～210℃、110～140℃。包裹体冰点温度主要在-8～0℃之间，对应盐度值0.35%～11.11% NaCl，盐度较低。该脉石英矿中气液两相包裹体主要成分为H2O 和CO2，经过高温等方式处理后可使部分包裹体爆裂，进一步降低杂质元素含量，从而用作高纯石英砂原料。