大別山地區(qū)脈石英質(zhì)量評價方法探討

王云月，鄧宇峰，詹建華，楊 治，李光惠，郝文俊

(1.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230009；2.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心安徽總隊，安徽 合肥230031；3.江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九一六大隊，江西 九江 332100)

隨著硅產(chǎn)業(yè)高端產(chǎn)品的發(fā)展，脈石英作為一種優(yōu)質(zhì)石英礦物資源，在制備高純石英產(chǎn)品中發(fā)揮著巨大作用，高純石英如今被廣泛地應用在新能源、電子技術(shù)等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)[1]。脈石英由巖漿熱液或變質(zhì)熱液填充在巖石裂隙中而形成，主要分布于江蘇、安徽、河南、湖北、黑龍江、四川等地的變質(zhì)巖區(qū)[2]。

大別山地區(qū)在中生代發(fā)育普遍的變質(zhì)作用和巖漿作用，成礦條件優(yōu)越，形成了不同成因類型的大量脈石英，具有重要的科學和經(jīng)濟研究價值。本文針對區(qū)內(nèi)脈石英運用一些微觀分析方法，并對巴西和我國太湖白石山礦床中可制作高純石英的脈石英原材料，以及不能作為高純石英原材料的霍山黃家灣地區(qū)脈石英進行對比研究，旨在探討不同成因類型的脈石英在包裹體特征、元素成分及含量、微量雜質(zhì)元素賦存狀態(tài)等方面的區(qū)別，以此分析和評價影響大別山地區(qū)脈石英質(zhì)量的主要因素，同時對于找礦方向有著一定的指示意義。

1 大別山地區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景

大別山造山帶是印支期華北板塊與揚子板塊發(fā)生碰撞形成的造山帶[3]，處于中央造山帶中東段，西連桐柏—秦嶺，與其東側(cè)的蘇—魯造山帶呼應，東止于郯—廬斷裂[4]，南北分別以襄樊廣濟斷裂、欒川(明港—固始)斷裂為界，呈東寬西窄的楔形地質(zhì)塊體，總體構(gòu)造格局由北東向和北西向斷裂帶控制(圖l)[5-7]。根據(jù)巖石學特征可將大別造山帶構(gòu)造單元自北向南劃分為后陸盆地、北淮陽淺變質(zhì)巖帶、北大別雜巖帶、南大別帶(高壓—超高壓榴輝巖帶)、宿松雜巖帶、張八嶺構(gòu)造滑脫帶、前陸褶沖帶及前陸盆地[8-9]。

大別山造山帶構(gòu)造格架為碰撞后超高壓變質(zhì)巖折返過程中的伸展作用和燕山早期穹隆構(gòu)造作用所形成[10]。由于在形成過程中的俯沖、碰撞、碰撞后的構(gòu)造變形以及伴隨的變質(zhì)作用和巖漿作用，形成了其復雜的地質(zhì)構(gòu)造格局。變質(zhì)作用主要有超高壓型、高壓型及中低壓型三種類型[11]。巖漿作用主要有兩期，分別是早期的晚古生代，晚期的中生代[4]。這些巖漿熱液活動和變質(zhì)作用共同為脈石英的形成提供了適宜的生長條件和豐富的物質(zhì)來源[9]。大別山區(qū)脈石英主要的成因類型為巖漿熱液型和變質(zhì)熱液型。

安徽太湖白石山脈石英礦區(qū)位于太湖縣城西部4.5km。礦區(qū)位于淮陽地盾之上，屬大別山復背斜之南翼。礦區(qū)構(gòu)造簡單，節(jié)理較為發(fā)育。礦體呈極不規(guī)則狀，賦存于二長花崗質(zhì)片麻巖中的近東西向脈石英，脈長800m，最寬約90m，向下逐漸尖滅。因白石山脈石英產(chǎn)于變質(zhì)基底，且周圍無巖漿巖出露，初步認為其為變質(zhì)熱液成因礦床。石英呈乳白色、半透明，成分較純，SiO2平均含量在99%以上。部分礦石經(jīng)加工提純后能達到電光源用石英砂及半導體工業(yè)用透明石英坩堝用石英砂的質(zhì)量要求，是具備生產(chǎn)高純石英的原料礦床。

黃家灣礦點距霍山縣城區(qū)34km，脈石英礦點地處山頂，礦區(qū)偉晶巖規(guī)模較大，一般位于細粒片麻狀花崗巖與片麻巖接觸帶上，長百余米，寬十余米，石英核中有較多晶洞。因黃家灣脈石英礦點產(chǎn)于花崗偉晶巖石英核中，據(jù)此認為其為巖漿熱液成因。石英脈不規(guī)則出露，僅部分透明度較好，整體品質(zhì)較低。

圖1 大別造山帶地質(zhì)簡圖

2 大別山地區(qū)脈石英質(zhì)量評價方法

2.1 巖相學特征分析

成礦環(huán)境和地質(zhì)條件的不同會使得礦物的巖相學特征存在一定的差異，不同地區(qū)不同成因類型的脈石英在透明度、光澤度、雜質(zhì)含量、裂隙大小、消光現(xiàn)象等方面呈現(xiàn)不同的特征，而礦物組成、嵌布粒度等也是脈石英質(zhì)量的重要影響因素。

圖2 脈石英的手標本照片

2.1.1 手標本觀察特征分析

手標本觀察如圖2 所示，發(fā)現(xiàn)：巴西脈石英原料呈塊狀結(jié)構(gòu)，顆粒細膩，為乳白色不透明狀，表面干凈，無肉眼可見雜質(zhì)成分，油脂光澤，裂隙基本不發(fā)育。白石山礦床脈石英為白色不透明，呈致密塊狀，貝殼狀斷口處呈油脂光澤，表面裂隙少量發(fā)育，無解理面，有部分白云母礦在石英表面分布。黃家灣礦點脈石英光澤度較低，顏色較灰暗，結(jié)晶度差，為半渾濁透明狀，凹凸不平的破片裂隙多，構(gòu)造裂隙非常發(fā)育。

觀察脈石英顏色、光澤度、裂隙、顆粒大小可以作為脈石英質(zhì)量評價的方法指標之一。變質(zhì)熱液成因的巴西和白石山脈石英在外觀上呈乳白色塊狀，結(jié)晶度好，裂隙較少，質(zhì)量更好。而巖漿熱液成因的黃家灣脈石英手標本光澤度明顯較低，為灰黑色，結(jié)晶度差，裂隙更多，質(zhì)量較差。

2.1.2 偏光顯微鏡觀察特征分析

鏡下觀察如圖3 所示，巴西地區(qū)脈石英裂隙較少，少見可以充填雜質(zhì)的大構(gòu)造裂隙，表面光滑平整，有少量黑褐色雜質(zhì)礦物分布其間，推測為含鐵礦物。白石山脈石英構(gòu)造裂隙發(fā)育，由于裂隙帶來的雜質(zhì)，在地質(zhì)應力的作用下，容易進入石英晶格中，此時將會增大加工去除難度。黃家灣脈石英構(gòu)造裂隙發(fā)育更多更復雜，呈平行或交叉狀，其間含大量黑褐色雜質(zhì)礦物，裂隙中常含透鏡狀的脈體，多有后期脈石英分布。在正交偏光鏡下呈現(xiàn)不均勻消光現(xiàn)象。

圖3 脈石英的顯微特征對比圖

電子顯微鏡下巖石薄片的裂隙數(shù)量及大小、消光現(xiàn)象可以作為評價脈石英質(zhì)量的指標之一。變質(zhì)熱液成因的巴西和白石山脈石英裂隙相對較少，不均勻消光現(xiàn)象相對不明顯，認為其受到的后期地質(zhì)作用力越少，更利于提純制備高純石英，質(zhì)量更好。而巖漿熱液成因的黃家灣脈石英裂隙發(fā)育更為復雜，不均勻消光現(xiàn)象相對明顯，應是地質(zhì)應力作用使晶體內(nèi)部發(fā)生位錯產(chǎn)生，后期的利用價值相對較小，所以質(zhì)量相對較差。

2.2 包裹體特征分析

流體包裹體是研究礦床成因的重要手段之一，富含成礦流體的遷移、富集信息。對流體包裹體進行研究是獲取成礦流體信息最直接有效的方式[12]。若次生流體包裹體含量較多，分布范圍廣，則給高純石英的生產(chǎn)加工帶來了一定的復雜性。一般來說，普遍含有大量包裹體的脈石英很難被加工成高端石英產(chǎn)品。包裹體的成分、相態(tài)、數(shù)量、大小、分布狀態(tài)等均指示著脈石英原料的質(zhì)量。

對大別山地區(qū)脈石英包裹體進行微觀分析，各地區(qū)包裹體特征如圖4 所示。巴西脈石英中包裹體相對偏少，且較大，最大者20 ～25μm；包裹體類型主要為固—液兩相包裹體和液相包裹體，固—液兩相居多；單位體積內(nèi)包裹體約占15%；形狀各異，以圓形，橢圓形為主，也可見少量港灣狀以及長條狀。白石山脈石英包裹體相對較多且中等偏小，平均5 ～20μm，最大者20μm；包裹體類型主要為固—液兩相包裹體和液相包裹體，液相居多；單位體積內(nèi)包裹體約占18%；包裹體形狀以橢圓形為主，次生包裹體呈串珠狀，線條較短。黃家灣脈石英包裹體相對較多，大小偏小，平均2 ～10μm，最大者15μm；包裹體類型主要為固—液兩相包裹體和液相包裹體，固—液兩相居多；分布范圍廣，單位體積內(nèi)包裹體約占23%；形狀各異，以橢圓形和不規(guī)則狀為主，次生包裹體多，方向不一。對比發(fā)現(xiàn)，包裹體數(shù)量少、體積小、次生包裹體多且分布范圍廣的巖漿成因的黃家灣脈石英質(zhì)量較低，包裹體的數(shù)量、大小、分布狀態(tài)是評價脈石英質(zhì)量的一種指標。

圖4 脈石英的偏光顯微鏡下包裹體分布圖

2.3 原位微區(qū)化學成分分析

我國對應用于高品質(zhì)石英制品的高純石英砂有著明確的性能要求，即Fe、Mg、Cr、Ni、Cu、Mn、Ca、Al、Na、Li、K、B 共12 種雜質(zhì)元素總量＜6μg/g。美國尤尼明公司對生產(chǎn)超高純石英也有著明確的產(chǎn)品雜質(zhì)含量限制標準?？梢婋s質(zhì)元素的含量是影響脈石英質(zhì)量的最重要影響因素，也是直接決定脈石英原料能否加工提純成高端石英產(chǎn)品的關(guān)鍵。對巴西、白石山、黃家灣的脈石英進行了LA-ICP-MS 微量元素含量分析，部分測試結(jié)果如表1 所示，巴西、白石山、黃家灣的脈石英主要雜質(zhì)元素為Al、Na、Ca、Mg、P、Ti、Cr、Fe，含量對比見圖5。

圖5 顯示，巴西脈石英SiO2含量最高，為99.97%～99.98%；白石山脈石英SiO2含量次之，為99.91%～99.98%；黃家灣脈石英SiO2含量最低，為99.84%～99.96%。另外，巴西脈石英雜質(zhì)元素總量為129 ～185μg/g，白石山脈石英雜質(zhì)元素總量為158 ～216μg/g，黃家灣脈石英雜質(zhì)元素總量明顯高于巴西和白石山脈石英，為243 ～1 120μg/g。前人研究表明，當Al 元素大量存在時，Li、Na、K等雜質(zhì)元素含量會增加，所以可以用石英中的Al 含量來判斷脈石英原料的質(zhì)量[13]。巴西脈石英Al 元素含量為11.28 ～21.44μg/g，白石山脈石英Al 元素含量為24.11 ～35.65μg/g，黃家灣脈石英Al 元素含量為46.67 ～60.72μg/g，該地區(qū)Al 元素含量最多，與三個地區(qū)的雜質(zhì)元素總量對比結(jié)果相對應。

變質(zhì)熱液成因的巴西和白石山脈石英Ca、Ti 等雜質(zhì)元素含量較少，更易提純，質(zhì)量更好；而巖漿熱液成因的黃家灣脈石英Ca、Ti 等雜質(zhì)元素含量相對較多，質(zhì)量相對較差。因此，用LA-ICP-MS 測試脈石英礦物中微量雜質(zhì)元素的含量可以作為脈石英質(zhì)量評價的一種重要指標。

表1 巴西、白石山、黃家灣地區(qū)脈石英LA-ICP-MS 微量元素含量檢測結(jié)果 (單位：×10-6)

圖5 巴西、白石山、黃家灣脈石英雜質(zhì)元素含量對比圖

2.4 雜質(zhì)元素賦存狀態(tài)分析

探究脈石英的質(zhì)量，需明確雜質(zhì)元素的賦存狀態(tài)。若雜質(zhì)元素以礦物包裹體形式存在于石英細粒聚合體或石英晶體晶界處，通過物理分選則較難有效降低此類礦物包裹體雜質(zhì)含量。礦物包裹體的存在影響著脈石英原料的提純加工，是脈石英質(zhì)量的重要影響因素。目前，在加工行業(yè)采用堿浸、混合酸浸、熱壓浸出、高溫焙燒等方式去除脈石英礦物包裹體[14]。而晶格雜質(zhì)含量雖然極低，但因從脈石英中分離難度較大，所以是制約高純石英質(zhì)量的最關(guān)鍵性因素。

本文通過電子探針測試及LA-ICP-MS 面掃描測試對大別山地區(qū)脈石英進行微觀分析，探究該地區(qū)脈石英中雜質(zhì)元素的賦存狀態(tài)。白石山脈石英礦物的電子探針譜圖中檢測到了Si、Al、K、Fe、Mg元素的存在(圖6)，證明部分Si、Al、K 等元素的賦存狀態(tài)是以白云母礦物包裹體形式存在于礦物內(nèi)部，這些礦物包裹體可以被消解，賦存其中的雜質(zhì)元素容易被提純。研究發(fā)現(xiàn)，大別山區(qū)脈石英中的礦物包裹體主要是白云母、方解石、長石、鉻酸鹽礦物、綠泥石、硅灰石、霞石、鐵閃石等。

如果元素在礦物中呈面狀分布，可能是均勻分布于礦物晶格中，難以提純。如果元素呈脈狀或團塊狀富集，指示元素可能以礦物包裹體形式存在于脈石英中，雜質(zhì)元素容易提純。LA-ICP-MS 面掃描測試如圖7 所示，Al、Na 為主要的雜質(zhì)元素，呈團塊狀分布，具有較好的相關(guān)性，而鈉長石中富集這些元素，說明這些元素賦存于鈉長石包體中。Cu是親硫元素，其雖然含量低，但呈脈狀分布，說明可能有硫化物細脈穿插石英中。Fe 和Ti 跟其他元素相關(guān)性弱，大多以面狀分布，說明Fe 和Ti 主要分布于石英晶格中，可能發(fā)生類質(zhì)同象替換，屬于晶格雜質(zhì)，難以提純。

圖6 白石山脈石英電子探針測試結(jié)果

圖7 巴西高純石英原料的LA-ICP-MS 面掃描圖譜

3 結(jié)論

大別山地區(qū)脈石英的成因類型有變質(zhì)熱液成因和巖漿熱液成因。本文對不同成因類型不同質(zhì)量的脈石英進行實驗觀察，分析了變質(zhì)熱液成因的巴西脈石英和白石山脈石英與巖漿熱液成因的黃家灣脈石英在巖相學特征、包裹體特征、雜質(zhì)元素的含量及賦存狀態(tài)等方面的區(qū)別。

(1)變質(zhì)熱液成因的白石山脈石英手標本呈乳白色，裂隙少量發(fā)育，顆粒細膩；偏光顯微鏡下不均勻消光現(xiàn)象不明顯；礦物內(nèi)部流體包裹體形態(tài)較大，數(shù)量較少，質(zhì)量較好。巖漿熱液成因的黃家灣脈石英手標本呈暗灰色，構(gòu)造裂隙發(fā)育較多，且有許多雜質(zhì)充填其中，結(jié)晶度差；正交偏光鏡下呈現(xiàn)不均勻消光現(xiàn)象；礦物內(nèi)部次生流體包裹體小且多，分布范圍廣，質(zhì)量較差。據(jù)此，大別山地區(qū)脈石英找礦方向應多集中于變質(zhì)熱液成因礦床。

(2)影響脈石英質(zhì)量的因素除成因類型、流體包裹體的數(shù)量、大小及分布外，還有礦物包裹體的成分和存在形式，以及微量雜質(zhì)元素的含量及賦存狀態(tài)。微量雜質(zhì)元素的成分及含量可以通過LA-ICPMS 測試。雜質(zhì)元素的含量雖然是脈石英品質(zhì)的重要影響因素，但不是絕對因素，元素的賦存狀態(tài)是決定脈石英原料能否加工提純成高純石英產(chǎn)品的最關(guān)鍵因素。探究雜質(zhì)元素的賦存狀態(tài)可以通過電子探針及LA-ICP-MS 面掃描實現(xiàn)。