周 渝, 潘家永, 錢正江, 唐春花, 戴浩橦, 袁 晶, 孫 超

(1.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實驗室,江西 南昌 330013;2.江西省地質(zhì)調(diào)查勘查院,江西 南昌 330030)

高純石英廣泛運(yùn)用于光伏、電子信息、光通信等行業(yè),并隨著信息技術(shù)、新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的不斷精進(jìn)與拓展(申士富,2006;Müller et al.,2015;Platias et al.,2013;郭文達(dá)等,2019;Zhang et al.,2022),展現(xiàn)出較高的市場需求與應(yīng)用前景。高純石英是以天然石英為原料經(jīng)提純加工獲得的具有極高SiO2純度且具有一定粒度組成的石英晶體原材料(汪靈,2022)。美國、挪威、日本等國家已制備出5N級別的高純石英產(chǎn)品,但高純石英制備技術(shù)和出口受到嚴(yán)格保護(hù)和限制。我國高純石英原料短缺,主要依賴進(jìn)口來彌補(bǔ)市場需求(汪靈,2019;王云月等,2021)。

目前制備高純石英砂主要有化學(xué)合成法、天然水晶磨粉和石英礦物深度提純法。國內(nèi)一般選用天然水晶精選提純加工制備高純石英砂。我國天然水晶分布廣泛,但富礦少,貧礦多,且絕大多數(shù)礦床規(guī)模小,開采技術(shù)條件較復(fù)雜(汪靈等,2013;詹建華等,2020)。因此,研究并尋找其他石英礦物資源替代天然水晶具有非常重要的意義。德國、俄羅斯及我國均實現(xiàn)了脈石英替代水晶原料加工高純石英砂(汪靈等,2011;詹建華等,2020)。

江西脈石英資源儲量位居全國第一,具規(guī)模小、分布廣、產(chǎn)地多等特點(diǎn)(袁晶等,2022)。受脈石英產(chǎn)出特征及工業(yè)需求等因素影響,省內(nèi)對脈石英的研究程度偏低。筆者以江西遂川華云脈石英礦為研究對象,通過對其地質(zhì)特征、礦石性質(zhì)及不同期次石英的原位微區(qū)(LA-ICP-MS)微量元素研究,揭示脈石英的雜質(zhì)元素賦存狀態(tài)及其品質(zhì)特征,以期為具有相似成礦地質(zhì)特征的脈石英礦在高純石英方面的勘查應(yīng)用提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

遂川華云脈石英礦位于遂川縣城西約40 km處(圖1),區(qū)域上發(fā)育于羅霄-諸廣隆起西部的黃坳大斷裂。出露地層有寒武系上統(tǒng)水石組、奧陶系下統(tǒng)茅坪組及中下統(tǒng)對耳石組。在礦區(qū)北西和南西部出露大面積燕山期黑云(二云)母花崗巖。呈北東-北東東向的黃坳斷裂縱貫奧陶系硅質(zhì)巖中部,斷裂帶寬為100～200 m,最寬處達(dá)385 m,脈石英主要發(fā)育于斷裂帶的強(qiáng)硅化構(gòu)造角礫巖內(nèi)(中國礦產(chǎn)志·江西卷編委會,2015;張練修等,2015;況二龍,2017)。

區(qū)域斷裂構(gòu)造主要有黃坳斷裂和遂川-德興斷裂。北北東向的黃坳斷裂傾向南東,傾角為60°～75°,控制了加里東期混合巖和花崗巖的分布;遂川-德興斷裂走向50°～60°,傾向北西,傾角為50°～75°,控制了加里東期和燕山期花崗巖體侵入和白堊系紅盆的形成。兩個斷裂帶均發(fā)育硅化破碎,且沿斷裂帶有多處熱泉分布。此外,遂川北西向復(fù)式褶皺帶中發(fā)育一組北西向斷裂帶,另有南北向和東西向斷裂斷續(xù)分布(張練修等,2015)。

區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育加里東期及燕山期巖漿活動。加里東期發(fā)育混合花崗巖、花崗閃長巖、斜長花崗巖,燕山期內(nèi)發(fā)育黑云母花崗巖、二云母花崗巖、花崗斑巖等(張練修等,2015)。該區(qū)域內(nèi)還發(fā)育有一處特大型硅石礦——遂川華云硅石礦(中國礦產(chǎn)地質(zhì)志·江西卷編委會,2015),脈石英即產(chǎn)出于該硅石礦及其奧陶系硅質(zhì)巖圍巖之中。

2 礦體地質(zhì)特征

遂川華云硅石礦是一處低鐵高硅超大型礦床。原江西省地礦局贛西地質(zhì)隊于2009年查明其資源儲量為20 306.63×104t,其中一級品資源儲量為5 024.89×104t。目前該礦石正在開采,其用途為玻璃硅質(zhì)原料。脈石英為產(chǎn)出于華云硅石礦中的脈狀石英,主要發(fā)育于羅霄-諸廣隆起西部黃坳斷裂的硅化破碎帶中(圖2),該斷裂是其導(dǎo)礦構(gòu)造,斷裂附近的次級斷裂及裂隙群是其儲礦構(gòu)造,物源主要來自燕山期巖漿熱液。圍巖為奧陶系硅質(zhì)巖,主體由隱晶質(zhì)、微晶和細(xì)晶石英組成,含微量絹云母。圍巖角礫、碎塊及碎粒等呈破碎棱角狀被脈石英硅化膠結(jié)形成硅化破碎帶。原巖角礫、碎塊等大部分已重結(jié)晶成中細(xì)粒石英,粒徑0.1～2.0 mm。礦體走向北東20°,傾向南東,傾角35°～57°,呈層狀和透鏡狀,走向長10 km,出露寬度130～385 m,傾向延伸控制176 m(而地表出露礦體高差達(dá)799 m),礦體厚71～110 m,平均達(dá)90 m(中國礦產(chǎn)地質(zhì)志·江西卷編委會,2015;張練修等,2015;況二龍,2017)。

礦石由石英組成,呈白色,脈狀、角礫狀或網(wǎng)脈狀構(gòu)造。脈石英常呈梳狀或犬齒狀沿脈壁及圍巖接觸處發(fā)育,局部見晶洞,發(fā)育較大無色透明水晶晶簇。礦石平均化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):SiO2為98.36%,Fe2O3為0.086%;其中一級品SiO2為99.02%～99.86%,平均為99.25%,Fe3O2為0.040%～0.006 2%,平均為0.039%;二級品SiO2為98.07%,FeO為0.102%(中國礦產(chǎn)地質(zhì)志·江西卷編委會,2015)。

3 樣品采集及測試方法

3.1 樣品采集

樣品采自華云硅石礦北部采坑(圖3a),分別選取典型巖礦石樣品,裝進(jìn)全新樣品袋防止污染。本次研究樣品編號為SHT-2、SHT-4、SHT-5、SHT-8(表1)。采樣位置見圖1。礦區(qū)質(zhì)量較好的礦石樣品見圖3。

表1 采樣單

圖3 華云脈石英野外地質(zhì)特征及手標(biāo)本照片

3.2 測試方法

主要通過偏光顯微鏡研究脈石英巖相學(xué)特征,并使用激光原位分析方法測試脈石英中的微量元素含量。在江西省地質(zhì)調(diào)查勘查院基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查所進(jìn)行偏光顯微鏡下巖相學(xué)特征觀察和靶區(qū)選取。石英流體包裹體在偏光顯微鏡下進(jìn)行觀察,顯微鏡型號為ZEISS-AXIOSOPE5。流體包裹體面積統(tǒng)計方法為:用偏光顯微鏡的中高倍鏡拍攝包裹體顯微照片,使用軟件測算包裹體面積與總面積的比值,即包裹體的面積占比。每種類型的流體包裹體面積占比共測算了五組,取平均值。

石英微量雜質(zhì)元素含量在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實驗室LA-ICP-MS儀器上完成,所采用的激光剝蝕系統(tǒng)為Coherent公司生產(chǎn)的GeoLasHD 193 nm準(zhǔn)分子激光器,電感耦合等離子體質(zhì)譜儀為安捷倫公司生產(chǎn)的7900 ICP-MS。測試過程中采用氦氣為載氣,氬氣為補(bǔ)償氣,兩者通過一個T形玻璃接口混合進(jìn)入質(zhì)譜儀,T形玻璃接口與激光剝蝕系統(tǒng)之間配置有信號平滑裝置(Hu et al.,2015),以達(dá)到平滑的分析信號(王海洋等,2022;余泉等,2023;惠爭卜等,2021)。激光剝蝕頻率和束斑分布為5 Hz和44 μm,激光能量密度為9 J/cm2,采用NISTRAM610作為分析外標(biāo),每10個測點(diǎn)分析1組標(biāo)樣。元素含量計算采用多外標(biāo)、無內(nèi)標(biāo)法(總量歸一化法),選擇Si作為歸一化元素消除激光剝蝕量變化對靈敏度漂移的影響(羅開等,2023)。測試元素包括Li、Na、Mg、Al、Si、P、K、Ti等。每個分析數(shù)據(jù)點(diǎn)包括大約20 s背景信號和40 s樣品剝蝕信號,對分析數(shù)據(jù)的離線處理(包括對樣品和空白信號的選擇、儀器靈敏度漂移校正、元素含量計算)采用ICPMSDataCal 11.0軟件(Liu et al.,2008,2010)完成。

4 石英礦石巖相學(xué)特征

4.1 石英礦物學(xué)特征

華云脈石英的形成與構(gòu)造斷裂和巖漿活動密切相關(guān),根據(jù)野外現(xiàn)象及鏡下特征觀察發(fā)現(xiàn),其經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運(yùn)動和熱液活動。系統(tǒng)巖相學(xué)和顯微結(jié)構(gòu)分析顯示(圖4),礦石類型主要有梳狀脈石英(含水晶)、石英化巖、含角礫強(qiáng)硅化石英脈三類,分別對應(yīng)樣品編號SHT-5、SHT-8、SHT-4,此外SHT-2為角礫巖,輕微破碎及發(fā)育硅化,可作為原巖對照樣品。

圖4 華云脈石英巖相學(xué)特征

4.1.1 梳狀脈石英(SHT-5)

此類型脈石英常產(chǎn)出于次級斷裂或斷裂交叉處,部分脈體近平行原巖層理發(fā)育,由沿層間破碎帶貫入的富硅熱液沉淀形成(圖4a)。儲礦裂隙有一定寬度,一般大于0.5 mm。大部分脈石英呈梳狀、犬齒狀沿裂隙壁生長,粒徑大小與裂隙寬度正相關(guān),即裂隙越寬石英粒徑越大,粒徑常見為0.3～1.5 mm。石英脈壁一般為強(qiáng)硅化原巖角礫或碎塊,因其強(qiáng)烈硅化僅剩少量殘留。部分梳狀脈石英處發(fā)育水晶。此類脈石英中雜質(zhì)總體含量較少,石英較純凈,屬于第二期脈石英(Ⅱ,圖4b)。固體包裹體含量較少,主要為少量鐵質(zhì)、黏土礦物等細(xì)小包裹體。流體包裹體呈線狀稀疏分布,局部分布較密集(圖4c)。包裹體大小為5 ～10 μm,形態(tài)以橢圓狀、長條狀為主,少量不規(guī)則狀,主要為氣液兩相包裹體。

4.1.2 石英化巖(SHT-8)

此類型中脈石英常呈長條狀或板條狀分布(圖4d),粒徑為0.3～0.8 mm,屬于第二期脈石英(Ⅱ,圖4e)。原巖角礫已強(qiáng)硅化重結(jié)晶,呈它形粒狀或板條狀石英,粒徑為0.05～0.20 mm,僅見少量原巖殘留。脈石英常沿原巖與裂隙的脈壁生長或充填在孔洞處,從原巖沿脈石英生長方向,越遠(yuǎn)離原巖,脈石英中雜質(zhì)含量越少,石英越純凈(圖4e)。固體包裹體為少量殘留圍巖碎粒、鐵質(zhì)、黏土礦物等。流體包裹體以氣液兩相包裹體為主,大小分兩群,主要為 10～20 μm和2～5 μm,形態(tài)以橢圓狀、長條狀或不規(guī)則狀為主,呈群帶狀、線狀,較密集分布。

4.1.3 含角礫強(qiáng)硅化石英脈(SHT-4)

脈石英呈它形粒狀或長條狀膠結(jié)原巖角礫充填在裂隙中(圖4g),裂隙一般寬 0.1～0.5 mm,脈石英粒徑為0.2～0.5 mm。此類型中包含第一、二期脈石英(Ⅰ、Ⅱ,圖4h)。原巖角礫大部分重結(jié)晶成微晶石英,粒徑為0.05～0.20 mm。此類脈石英中雜質(zhì)較多,分布密集,主要為鐵質(zhì)、黏土礦物等原巖殘留雜質(zhì)。固體包裹體主要為圍巖角礫、碎粒及鐵質(zhì)、泥質(zhì)等。流體包裹體呈群或群帶狀密集分布,粒徑總體較小,以1～3 μm為主。發(fā)育部分長條狀、不規(guī)則狀的氣液兩相包裹體,大小為5～15 μm。

4.1.4 硅化角礫巖(SHT-2)

硅化角礫巖中的角礫為礦石的圍巖——泥質(zhì)硅質(zhì)巖。角礫呈棱角狀,大小為2～5 cm或更大。角礫內(nèi)部發(fā)育細(xì)小的網(wǎng)脈狀石英,從顯微構(gòu)造觀察,角礫巖至少經(jīng)過了兩期構(gòu)造熱液充填。第一期:拉張構(gòu)造應(yīng)力使巖石破碎成尖棱角狀角礫,鋸齒狀裂縫中充填它形粒狀石英(Ⅰ,圖5a);剪切應(yīng)力使角礫內(nèi)部碎裂,邊界平直的裂縫中充填了微細(xì)粒石英。第二期:拉張應(yīng)力使多個被硅化的角礫再一次被切斷,第一期的石英脈被第二期石英脈切穿。第二期石英脈中充填犬齒狀石英(圖5a,b)。在一、二期石英脈之后還有一期更晚的熱液活動,以產(chǎn)出微細(xì)石英脈為主要特征,該晚期熱液活動影響較小,主要表現(xiàn)為對前二期脈石英的硅化和再調(diào)整。

圖5 圍巖中的兩期脈石英

4.1.5 石英期次的劃分

通過顯微鏡觀察,總結(jié)各期次脈石英的顯微特征,將所研究樣品劃分為三個期次:早期脈石英(Ⅰ)主要發(fā)育在SHT-4中,以不規(guī)則張性脈和發(fā)育于角礫中的微細(xì)網(wǎng)脈為主要特征;中期脈石英(Ⅱ)在SHT-5、SHT-4及SHT-8中均有發(fā)育,以梳狀、犬齒狀石英沿脈壁生長為主要特征;晚期脈石英(Ⅲ)主要發(fā)育于SHT-8中,以晚期微細(xì)石英脈穿切中期脈石英為主。

4.2 石英包裹體特征

包裹體分為固體包裹體和流體包裹體。華云脈石英中的固體包裹體主要是鐵質(zhì)等,粒度細(xì)小,因此將其與流體包裹體統(tǒng)一分析。根據(jù)石英期次劃分,對各階段脈石英作包裹體面積統(tǒng)計(圖6a—f)。

圖6 各期次脈石英中流體包裹體分布圖

經(jīng)測算和統(tǒng)計,早期熱液石英的包裹體面積占比平均為4.07%;中期熱液石英的包裹體面積占比平均為1.67%;晚期熱液石英的包裹體面積占比平均為4.12%。

5 石英礦物雜質(zhì)分析測試結(jié)果

根據(jù)巖相學(xué)特征研究及脈石英期次劃分,分別對不同期次的石英進(jìn)行微量元素含量特征描述。早期石英雜質(zhì)元素總量703.11×10-6～2 857.40×10-6,平均為2 050.80×10-6,其中,Al含量最高,平均為1 601.20×10-6,Li含量次之,平均為230.95×10-6,再次是P,平均含量130.09×10-6,之后是B和Ca,二者含量接近,約31.75×10-6,Na、Mg、K、Ti等元素中Na含量稍高,為14.16×10-6,K、Mg、Ti等的含量為1.12×10-6～2.01×10-6,此外,其他的雜質(zhì)元素平均含量一般低于1×10-6。中期石英雜質(zhì)元素總量為245.56～1 100.34×10-6,平均為726.25×10-6,其中,Al含量最高,平均為451.35×10-6,其次為P,平均含量為130.28×10-6,再次為Li,平均含量為68.51×10-6,之后是Ca,平均含量為27.76×10-6,Na、Mg、K等元素含量較少,平均含量為2.21×10-6～4.57×10-6,其他的雜質(zhì)元素平均含量均小于1×10-6。晚期石英雜質(zhì)元素總量為453.19×10-6～1 210.59×10-6,平均為784.78×10-6,其中,Al含量最高,平均為491.18×10-6,其次為P,平均含量為130.43×10-6,再次為Li,平均含量為59.53×10-6,之后為B和Ca,二者含量接近,約為36.90×10-6,Na、Mg、K中K含量稍高,為13.49×10-6,Na、Mg平均含量相近,約為5.47×10-6,此外,其他雜質(zhì)元素含量均小于1×10-6。

6 討論

6.1 石英礦物Ti元素溫度計對華云脈石英礦床成礦演化溫度變化限定

石英中的微量Ti4+可以類質(zhì)同象形式置換Si4+,利用這一關(guān)系而建立的溫度計被廣泛應(yīng)用于計算巖漿成因石英的形成溫度(Larsen et al.,2004;Wark et al.,2007;Wiebe et al.,2007),其地質(zhì)溫度計表達(dá)式(Wark et al.,2007)為:t/℃=-3 765/[lg(CTi/aTiO2)-5.69]-273.15。其中CTi為石英中Ti的含量,aTiO2為石英中TiO2相對金紅石的活度(金紅石的活度為1)(陳劍鋒等,2011)。有學(xué)者稱對于變質(zhì)成因和熱液成因的石英,因其Ti含量很低,不能利用地質(zhì)溫度計進(jìn)行石英形成溫度的計算(Suttner et al.,1972;Müller et al.,2015)。筆者嘗試用該關(guān)系式計算了脈石英礦中各期次石英及圍巖的石英形成溫度,發(fā)現(xiàn)其與巖相學(xué)特征相吻合,所以認(rèn)為該溫度計表達(dá)式可以在熱液型石英中審慎使用。

華云脈石英礦床典型石英礦物Ti元素溫度計計算獲得形成溫度為311～430 ℃(表2)。三期脈石英對應(yīng)的形成溫度:第一期391～430 ℃,平均為407 ℃;第二期355～385 ℃,平均為370 ℃;第三期311～350 ℃,平均為330 ℃。圍巖硅質(zhì)重結(jié)晶的溫度為393～410 ℃,平均為401 ℃(圖7)。圍巖重結(jié)晶(CQ)的溫度與早期石英(EQ)的結(jié)晶溫度接近,表明第一期脈石英發(fā)育時,圍巖重結(jié)晶就已經(jīng)開始,且重結(jié)晶的最高溫度比早期石英的最高溫度略低,說明圍巖重結(jié)晶的時間比第一期脈石英的發(fā)育稍晚。

表2 石英微量元素組成及脈石英期次劃分

圖7 華云脈石英礦中各期石英形成溫度

6.2 石英礦物雜質(zhì)元素分配特征

依據(jù)華云脈石英礦床早中晚三期石英礦物及重結(jié)晶石英礦物的微量元素數(shù)據(jù)(表2),筆者進(jìn)行了石英微量元素分類投圖(圖8,9,10)。圖8為各期次石英、重結(jié)晶石英及原巖中石英雜質(zhì)元素總量的對比圖。

圖8 各期次石英雜質(zhì)元素總量對比圖

由圖8可知,從早期熱液石英(EQ)到中期熱液石英(MQ)及晚期熱液石英(LQ),雜質(zhì)含量呈降低趨勢。從早期至晚期熱液石英呈現(xiàn)出結(jié)晶溫度逐漸降低的特點(diǎn),表明隨著溫度的不斷降低,熱液石英結(jié)晶過程中雜質(zhì)含量逐漸降低。且MQ與LQ相比,雜質(zhì)含量基本一致,說明第二期與第三期石英的溫度區(qū)間是雜質(zhì)趨于穩(wěn)定的區(qū)間,也表明此區(qū)間溫度是熱液石英最佳的結(jié)晶溫度。結(jié)合各期次脈石英的形成溫度可知,其最佳結(jié)晶溫度為311～385 ℃。

此外,重結(jié)晶石英(CQ)的雜質(zhì)含量比原巖石英(PQ)雜質(zhì)含量大幅降低,表明石英的硅化重結(jié)晶有利于石英內(nèi)部雜質(zhì)的凈化。楊軍(2004)認(rèn)為,石英的動態(tài)重結(jié)晶作用能使雜質(zhì)從重新結(jié)晶的石英顆粒中移出。圍巖中的硅質(zhì)因熱液作用導(dǎo)致重結(jié)晶,該過程中石英內(nèi)部雜質(zhì)向晶界及其邊緣遷移,使石英得到純化(楊曉勇等,2022)。

由圖9可知,早期熱液石英中Al含量最高,中期和晚期熱液石英較低。其次是Li、B、Ca三種雜質(zhì)元素含量較高。三期熱液石英中,中期熱液石英的Na、Mg、Ca、Ni等含量較低;晚期熱液石英中Ti、Rb、U等含量較低;中晚期熱液石英中Be、Cr、Sc等含量接近且均較低。雜質(zhì)元素Be、Sc、Ti、Cr、Mn、Fe、Cu、Ge、Rb、Zr、Sn、Ba、W等含量在三期熱液石英中含量都不高,大部分小于1×10-6。

圖9 早中晚三個期次熱液石英中各雜質(zhì)元素含量誤差棒點(diǎn)線圖

由圖10可看出,各期次石英及重結(jié)晶石英中,從早期至晚期石英中雜質(zhì)元素Al、Be、Ge、Li、Na、均呈降低趨勢,Fe、K的變化趨勢不明顯。

圖10 脈石英中雜質(zhì)元素Al與Be、Fe、Ge、K、Li、Na、Ti等相關(guān)性圖解

據(jù)研究,石英中微量元素的變化主要是由于某些離子摻入晶格結(jié)構(gòu)或者其中存在微小的包裹體而引起的(張德賢等,2011)。石英中的微量元素是溫度的敏感劑,尤其是Al、Ti、Ge、P、Be等。熱液體系中Al、Ti、Na等對溫度靈敏,在熱液演化過程中從早階段到晚階段具有明顯降低的趨勢(卞玉冰等,2023;陳小丹等,2011;Larsen et al.,2004; Jacamon et al.,2009)。

華云脈石英中雜質(zhì)元素Li與Al的含量變化呈較好的相關(guān)性,而同為堿金屬的Na、K與Al的含量變化相關(guān)性較差,尤其K元素含量較低,部分樣品中K含量趨近于零。研究發(fā)現(xiàn),雜質(zhì)元素進(jìn)入到石英中有不同的形式,可分為單個原子形式、原子團(tuán)形式、電荷補(bǔ)償形式(Jacamon et al.,2009)。當(dāng)Al3+、Fe3+等離子替代Si4+要達(dá)到電荷平衡,需要堿金屬離子(M+)如Li+、Na+、K+等作為電荷補(bǔ)償離子進(jìn)入石英的晶格間隙中 (卞玉冰等,2023;G?tze et al.,2004; Jacamon et al.,2009)。

石英中雜質(zhì)元素Li含量比Na含量多一個數(shù)量級,比K含量多兩個數(shù)量級,表明Li在成礦熱液中的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Na和K。Li+在沒有Na+、K+作為“競爭對手”時會與Al3+表現(xiàn)出良好的線性相關(guān),說明大量Al3+和Li+形成原子團(tuán)替代了Si4+,這通常歸因于[AlO4/Li+]0缺陷結(jié)構(gòu)的存在(卞玉冰等,2022;Weil,1984;Jourdan et al.,2009;Rusk, 2012;Monnier et al.,2018;Hong et al.,2020)。鑒于石英中Al和Li是最主要的微量元素,因此可確定Al3+和Li+形成的原子團(tuán)替代Si4+是微量元素進(jìn)入石英晶格的主要替代機(jī)制。

此外,開展石英激光原位測試時,雖已特意避開石英中的微小包裹體,但仍不能將所測得的石英雜質(zhì)元素完全等同于石英晶格雜質(zhì)。研究表明,原子團(tuán)替代的置換離子和間隙離子常成對出現(xiàn)(楊曉勇等,2022),即理論上石英晶格中置換離子數(shù)之和與間隙離子之和的比值為1∶1。如果石英中的(Al3++Fe3++B3+)/(Li++Na++K++P5+)>1,則表明礦石的雜質(zhì)元素除晶格雜質(zhì)外,還含有脈石礦物和包裹體等雜質(zhì)元素賦存類型(謝澤豐等,2022)。華云早、中、晚期石英及重結(jié)晶石英中,石英礦物雜質(zhì)元素(Al3++Fe3++B3+)/(Li++Na++K++P5+)平均值分別為4.24、2.25、2.32、2.84。因此,華云脈石英中,石英雜質(zhì)元素除了晶格雜質(zhì)以外,還有脈石英礦物和包裹體等雜質(zhì)元素。石英中雜質(zhì)元素Al的含量最高,印證了顯微鏡下觀察的脈石礦物主要為以黏土礦物為主的鋁硅酸鹽類礦物,此類黏土礦物主要來自含泥質(zhì)硅質(zhì)巖的圍巖。

6.3 石英雜質(zhì)元素含量對石英品級的制約

石英原料能否加工成高純石英是由雜質(zhì)元素含量的高低直接決定的(汪靈,2019)。馬超等(2019)研究發(fā)現(xiàn),關(guān)于高純石英原料的研究應(yīng)至少包括三個方面:①石英與脈石礦物嵌布特征,包括石英礦物中礦物包裹體含量;②流體包裹體的含量,即使雜質(zhì)元素含量很低的石英也未必是高純石英,當(dāng)石英礦物中含有大量流體包裹體時,其SiO2含量也很難達(dá)到高純石英技術(shù)要求;③晶格雜質(zhì)含量極低且極難除去,是制約高純石英質(zhì)量最關(guān)鍵性因素。通過觀察石英巖相學(xué)特征,分析礦物包裹體及流體包裹體的數(shù)量、大小、化學(xué)成分、存在形式和分布狀態(tài),以及SiO2和微量雜質(zhì)元素的含量和賦存狀態(tài),可以研究高純石英原料的礦物學(xué)特征(王云月等,2021)。

華云脈石英的脈石礦物主要為原巖角礫,主要以少量鐵質(zhì)等細(xì)小固體顆粒出現(xiàn)。原巖角礫主要與早期熱液脈石英嵌連伴生,另外晚期脈石英化的含原巖角礫中還有少量原巖殘留。中期脈石英以梳狀、齒狀石英為主,含角礫或原巖殘留較少。高純石英加工要求幾乎不含Al、Fe、B、Ca、Mg、K、Na等雜質(zhì)元素,總雜質(zhì)含量不超過50×10-6(郭文達(dá)等,2019;汪靈,2019)。Al和Fe是石英中危害最大的雜質(zhì)元素,這兩種元素含量是判別高純石英品質(zhì)非常重要的指標(biāo)(王云月等,2021)。

華云中期和晚期脈石其中雜質(zhì)元素為Al和Li?？煽赏泻?號脈中Ⅷ帶熱液石英的主要雜質(zhì)元素也為Al、Li,其中Al含量為49×10-6～252×10-6,Li含量為17×10-6～54×10-6(唐宏等,2018)。華云脈石英中雜質(zhì)元素除了晶格雜質(zhì),還有脈石英礦物和包裹體等雜質(zhì)。若僅觀察石英晶格中的雜質(zhì)元素,華云中期脈石英中(Al3++Fe3++B3+)/(Li++Na++K++P5+)≤1的樣品,Al含量為46×10-6～153×10-6,Li含量為5×10-6～33×10-6。通過與可可托海3號脈對比可知,華云中期脈石英晶格中的主要雜質(zhì)元素Al、Li含量略低。

華云脈石英中,Al是最主要的雜質(zhì)元素。除早期脈石英外,中晚期脈石英雜質(zhì)Al含量較小。中期脈石英Al雜質(zhì)含量平均為451.35×10-6,晚期脈石英Al雜質(zhì)含量平均為491.18×10-6。由于Al的高含量主要受圍巖中黏土礦物影響,因此二者均可通過手選、色選及冶煉提純等方式達(dá)到高純石英加工要求。流體包裹體對高純石英的熔融行為存在嚴(yán)重不利影響。相比于雜質(zhì)元素,流體包裹體除去難度更大,因此選擇流體包裹體含量極少或無流體包裹體的石英作為高純石英原料是加工高純石英的關(guān)鍵(馬超等,2019)。華云脈石英中期流體包裹體面積占比最小為1.67%,其品質(zhì)最優(yōu)。綜上所述,中期呈齒狀、梳狀產(chǎn)出的脈石英是加工高純石英相對優(yōu)質(zhì)的原料。

7 結(jié)論

(1)江西遂川華云脈石英分三期:早期平均成礦溫度為407 ℃;中期脈石英品質(zhì)較好,成礦溫度平均為370 ℃;晚期平均成礦溫度為330 ℃。圍巖重結(jié)晶開始時間比第一期脈石英開始時間稍晚。

(2)從早期到晚期,脈石英中雜質(zhì)元素總量逐漸減小,多期次富硅熱液的硅化調(diào)整,使石英逐漸純凈;脈石英最佳結(jié)晶溫度為311～385 ℃。Al3+和Li+形成原子團(tuán)替代Si4+,是微量元素進(jìn)入石英晶格的主要替代機(jī)制。

(3)各期次石英中,Al是最主要的雜質(zhì)元素,Fe含量較低。綜合而言,中期脈石英品質(zhì)相對更好,其主要雜質(zhì)元素Al含量低,雜質(zhì)元素總量低,流體包裹體面積占比小,最符合高純石英物料特征。