石英家族全解析：成员大揭秘

02-08

石英家族全解析：成员大揭秘

石英是地球表面分布最广的矿物之一，种类繁多，并且叫法不一，导致很多人认不清，今天我们就来看一看，石英到底有哪几类？如何区分？

目前，常见可供开发利用的石英矿床工业类型主要有：天然水晶、石英砂岩、石英岩、脉石英、粉石英、天然石英砂、花岗岩石英等7类，以及熔融石英、人工合成石英等。另外，近年还出现了一种新型的石英矿床，其由江西省矿产资源保障服务中心王先广团队在丰城市石炉坑发现，是一种植硅石沉积的天然微纳米硅碳矿床，通过中国地质大学（北京）杜高翔团队等人研究发现其工业价值极高。从而也丰富了石英家族成员。

1、天然微—纳米硅碳矿

近年江西省矿产资源保障服务中心王先广团队在丰城市石炉坑发现一种植硅石沉积的天然微纳米硅碳矿床。赋矿岩石由浅灰色—灰黑色植硅石岩，是由大量植硅体堆积固结成岩形成的植硅石，不含孢粉也极少见硅藻，形成于始新世中期—中新世早期温暧湖泽环境沉积。

硅碳矿石主要由微米—纳米级石英和固定碳组成，含少量其他杂质；SiO2含量65%～85%、固定碳9%～20%，硅和碳矿物具多孔结构。硅碳矿石通过超细研磨和分选的方式，可获得微米级石英产率49.7%，SiO2含量99.95%，其中粒度在80～200nm的纳米级石英产率可达25%，微米级碳产率30%。植硅石经湿法物理分选可直接制备橡胶补强填料、高硬碳化硅、污水处理和导电性材料等；经矿石矿物加工分离提纯试验，可得介孔硅、介孔碳、白炭黑、纳微硅粉等材料，其工业价值极高。目前暂定为天然微—纳米硅碳矿床，资源储量规模为大型。

2、天然水晶

天然水晶为透明的大型石英结晶体矿物，主要成分为二氧化硅。水晶多是在岩洞、岩石裂缝或节理、断层中自然生长形成的，其生长条件比较苛刻。

我国天然水晶资源分布广泛，其中以江苏东海地区最为丰富，经多年开采资源已枯竭。天然水晶矿床储量小，开采条件差，资源匮乏，价格昂贵，难以满足大规模工业生产的需要。但由于天然水晶的色彩丰富，晶莹剔透，美丽纯正，目前主要用作雕刻各种工艺品。

3、石英砂岩

石英砂岩是经过沉积作用固结的砂质沉积岩，其石英和硅质碎屑含量一般>95%，副矿物多为长石、云母和黏土矿物，胶结物一般为硅质。目前，我国石英砂岩在各省均有分布，其中云南大关、盐津、彝良及四川沐川等地区资源较为丰富。

石英砂岩矿床一般规模较大，地质产状稳定，开采条件较好。同时，矿石硬度一般相对较低，天然粒度适中，易于破碎分级和大规模工业化生产。但由于石英砂岩胶结物成分比较复杂，因此，通常用于生产日用玻璃砂、玻璃纤维、金属硅、耐火材料、白炭黑、有机硅等领域。

4、石英岩

石英岩通常是由石英砂岩或其他硅质岩经区域变质作用或热接触变质作用而形成的变质岩石，伴生矿物除长石、云母和黏土矿物以外，往往还含有微量的电气石、赤铁矿和锆石等。与石英砂岩相比，石英岩其矿石更加致密坚硬。我国石英岩资源十分丰富，开发利用量大，主要分布在安徽凤阳等地区。

石英岩矿床具有规模大、地质产状稳定、开采条件较好等优点，其矿石一般致密均匀，块度好，比较适合日用玻璃砂、浮法玻璃砂、玻璃纤维、金属硅、耐火材料、石英板材等SiO2含量99%左右传统应用领域产品大规模工业化生产。

5、脉石英

脉石英主要是在岩浆热液作用下形成的，通常呈致密块状构造，其矿物成分单一，几乎全部为石英，SiO2含量一般在99%以上。脉石英矿床规模一般不大，产状陡，厚度一般在几米至几十米，长度一般为十几米至几百米，一个矿区可由一条矿脉或由多条矿脉组成。

脉石英矿床资源储量规模一般相对较小，开采难度相对较大，但由于其杂质含量少、资源品质稳定等特点，因此，多将其用于制备SiO299%～99.9%的硅微粉、低铁石英砂、光学玻璃、半导体等高品质石英产品。

6、粉石英

粉石英通常由硅质母岩在特殊的地质构造条件下（温湿的古气候、地形平缓古地理、水力作用等）风化解体而成的沉积风化型矿床，天然粒径为5~50μm，石英含量通常为95%~98%，有的可高达99%以上。

该类矿床在我国南方分布较多，如贵州贵定、江西莲花、渝东云峰山等。与石英岩和石英砂岩相比，该类矿床规模相对较小，其主要优点是自然白度高，天然疏松多孔，容易超细粉碎加工，可作为陶瓷原料、硅微粉填料等。

7、天然石英砂

天然石英砂是由花岗岩、石英岩、石英砂岩和脉石英等母岩经过自然界长期风化而形成的一种以石英为主要矿物成分的砂状石英矿物原料，其伴生矿物包括长石、岩屑、云母、黏土矿物及锆英石、电气石、钛铁矿和角闪石等重矿物，主要为海相沉积砂矿床和河湖相沉积砂矿床。

该类矿床规模一般较大，其主要优点是通常具有天然适中粒度和角形因数，开采简单，是加工铸造用石英砂产品理想原料，但该类矿床缺点是杂质成分比较多，如果杂质充分去除可用于SiO2含量99%左右所有石英产品加工。

8、花岗岩石英

花岗岩石英指由于岩浆作用固结成岩形成的大颗粒花岗岩或花岗伟晶岩（白岗岩）中的石英。该类矿床中的石英品位多在25%左右，矿物杂质主要来自石英颗粒中的流体包裹体级晶格杂质元素。该类矿床为生产高纯石英的主要原料，目前主要产自美国北卡罗来纳州Spruce Pine。

河南东秦岭-大别造山带花岗伟晶岩（A）与美国北卡罗来纳州Spruce Pine花岗伟晶岩（B）

美国北卡罗来纳州Spruce Pine地区内有数百条伟晶岩体，整个伟晶岩带长约16km，宽32km。单个伟晶岩体长度几米～几百米，宽度1米～几十米。围岩为角闪石片岩和片麻岩，主要矿物为长石和石英，石英含量25%～35%，次要矿物为白云母、石榴石和绿帘石。该矿山最初是用来生产长石和白云母，少部分品质好的石英砂用作建筑用砂，大部分石英砂被丢弃，后来在全球水晶资源枯竭各国寻找水晶替代资源的背景下，尤尼明公司通过改进技术，利用花岗质伟晶岩中的石英生产出了高纯石英，成为全球最重要的高纯石英供应商。

9、熔融石英

熔融石英又称石英玻璃，是以天然石英，包括硅石、水晶等为原料，经高温熔融而制得的一种过冷液体。

熔融石英一般包括透明石英玻璃和不透明石英玻璃两种。透明石英玻璃中SiO2含量大于99.95%，是以高纯石英粉或四氯化硅等为原料经高温熔制而成；不透明石英玻璃中SiO2含量大于99.80%，是以普通石英粉和石英砂为原料高温熔制而成。

10、合成石英

由于成矿地质条件不同，天然石英矿提纯工艺技术与设备是制约石英矿物高纯化利用的最大瓶颈。近年来关于化学合成法制备高纯石英的研究逐渐受到国内外的重视。目前，高纯石英的化学加工方法主要有气相合成法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法、四氯化硅液相水解法等。

分馏提纯法是合成石英的主要方法之一，也是日本三菱主要采用的技术工艺。将硅粉制备成四氯化硅、有机硅烷等低熔点含硅液体，送入分馏塔进行反复分馏提纯，将提纯后的四氯化硅或者有机硅烷与无水乙醇等有机物反应生成硅酸乙酯类溶胶、或使用气相法还原成高纯硅粉，硅酸乙酯在酸性条件下水解生成硅凝胶后用去离子水清洗、或将高纯硅粉碱催化与水反应生成硅凝胶，硅凝胶经过煅烧、破碎后，最终生成合成石英砂。这一方法的优势是理论纯度极高，可达到9个9。但在光伏单晶坩埚高温、长时、高强度的应用场景下，分馏提纯生产的石英砂由于纯度过高，使用时的温度较有适当掺杂的坩埚软化温度要低80度，且掺杂难度更大，因此适配程度有限，更适合作为半导体硅单晶的坩埚内壁原材料。

水玻璃化学沉淀法是更适用于光伏领域的合成石英工艺，需要由天然硅矿石粉与以氢氧化钠为主的碱反应制备得到硅酸钠，硅酸钠和一些化学药剂反应以后沉淀，沉淀后通过偏析方法提纯，用去离子水清洗去除多余离子，水解形成偏硅酸沉淀，经过煅烧、破碎后生成合成石英砂。

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