眾所周知，美國尤尼明公司高純石英砂的原礦為花崗質偉晶岩（曾稱為白崗巖），產自北卡羅來納州Spruce Pine地區。該區的偉晶岩最初的工業價值是用來生產長石和白雲母，石英是尾礦中的廢棄物。
▲尤尼明（Unimin）在北卡羅萊納的石英工廠提供了世界上大部分的高純度和超高純度石英
在上世紀70年代，由於石英玻璃原料——水晶的日漸枯竭，尋找可替代水晶的天然石英成為當時許多國家急需攻克的國家目標。在此背景下，經過改進浮選技術，利用花崗質偉晶岩中的石英替代了水晶，生產出了高純石英砂，直到今天美國尤尼明仍然壟斷著全球90%的高純石英砂市場。
我國新疆阿爾泰地區是世界聞名的花崗偉晶岩集中區。在長達413km，寬20~60km的變質岩區帶內，出露各類花崗偉晶岩脈數萬條，形成十餘個偉晶岩密集區。
▲新疆阿爾泰地區花崗偉晶岩脈
本文試圖通過對新疆庫衛和青河兩地一些花崗偉晶岩樣品的分析，從地質背景、礦物岩石學和地球化學特徵等方面，與美國Spruce Pine地區的產高純石英的偉晶岩對比，進而評價阿爾泰地區偉晶岩中高純石英資源的前景。
1、地質背景
美國產高純石英的花崗質偉晶岩，位於北卡羅來納州西部，Blue Ridge省的Avery、Mithell和Yancey縣的Spruce Pine偉晶岩地區（圖1），偉晶岩帶長40km，寬16km。
在Spruce Pine地區，最豐富的岩石是前寒武紀的雲母和角閃石片麻岩、片岩，含有少量的白雲石大理岩。這些岩石相繼被前寒武紀的小巖體純橄欖岩、早古生代（可能是晚奧陶世或者早志留世）的白崗巖和相關的偉晶岩、三疊紀玄武岩和輝綠岩岩脈和岩床侵入。這些岩石的風化作用十分強烈，在一些地方被風化成厚達15m的腐泥土，一些白崗巖和偉晶岩被風化形成了有經濟價值的高嶺土礦床。
我國新疆庫衛偉晶岩區位於阿爾泰富蘊縣境內。該區出露的地層主要為中-上奧陶統哈巴河群上亞群（O2-3hbc），巖性主要為二雲母微斜長石豆狀混合巖、條痕狀混合巖、石英片岩（圖2）。
在變質岩中偉晶岩脈十分發育，富含白雲母，形成時代為海西期和印支期。海西期的其他侵入岩有輝長蘇長巖、輝長輝綠岩、黑雲母混合花崗岩、片麻狀二雲母花崗岩等。燕山期侵入岩的巖性主要為硅線石二雲母混合花崗岩、二雲母花崗岩等。
青河偉晶岩區位於新疆阿爾泰青河縣境內（圖3）。調查區出露的地層主要為中-上奧陶統哈巴河群（O2-3hb），巖性為一套複雜的中深度變質的片岩、片麻岩、混合巖、變粒巖、千枚巖、變質砂岩，在其上下亞群均分佈有大量的偉晶岩脈，富含白雲母，形成於加里東期。海西期中粒閃長巖侵入於中上奧陶統哈巴河群下亞群（O2-3hba）之石榴子石片麻岩、條帶狀混合巖之中。在青格里河沿岸地面均覆蓋著第四紀巖塊、砂礫、砂土等。
2、樣品採集和分析方法
樣品分別採自美國北卡羅來納州Spruce Pine地區的白崗巖礦山和中國新疆阿爾泰地區庫衛和青河的白雲母花崗岩/偉晶岩體中。
對所採集的樣品首先磨製薄片進行巖相學研究，在此基礎上篩選出新鮮的代表性樣品進行化學組成分析。
考慮到樣品的代表性，一般是選取多塊樣品組合在一起破碎，重量2~3kg，然後通過縮分器縮分後，稱重約100g磨細用作化學分析。全巖樣品的主要化學組成利用XRFS方法分析，微量元素和稀土元素採用ICP-MS方法分析。
3、礦物岩石學特徵
美國Spruce Pine地區以SP-01和SP-02號樣品為代表。據Brobst對該地區的地質調查成果：白崗巖的平均顆粒大小為1.3cm，偉晶岩巖塊不規則地分佈在整個白崗巖巖體中，粒度大於1.3cm。
按照Brobst的粒度標準，SP-01和SP-02號樣品應稱其為白崗巖。白崗巖和偉晶岩含有大約40%的更長石、25%石英、20%微斜長石（一般為條紋長石）和15%的白雲母（圖4）。最常見的伴生礦物有黑雲母、石榴子石、磷灰石、褐簾石、綠簾石、錳黝簾石、黃鐵礦和磁黃鐵礦。伴生礦物總量不超過5%。
新疆庫衛地區以KW-04和KW-08號樣品為代表。KW-04號樣品為偉晶狀含石榴子石白雲母花巖，平均粒度大於1cm。主要礦物成分大約為70鹼性長石、25%石英、5%石榴子石和少量細粒雲母，長石絕大多數為鈉長石，呈聚片雙晶，外可見少量的反條紋長石（圖5a）。KW-08號樣是偉晶狀白雲母花崗岩，平均粒度大於1cm，主礦物成分大約為60%鹼性長石、20%石英和20%雲母，以含大片狀白雲母為特徵。鹼性長石以斜長石為主，多數呈格子雙晶，另外可見一些紋長石；少量為鈉長石，呈聚片雙晶（圖5b）。
新疆青河地區以QH-01，QH-06-1和QH-08樣品為代表。QH-01樣品為花崗質偉晶岩，主要物成分大約為60%鹼性長石、40%石英和少量鱗狀白雲母。鹼性長石主要為呈格子雙晶的微斜石，少量是呈聚片雙晶的鈉長石，長石和石英常構成文象結構。QH-06-1為中粒白雲母花崗岩主要礦物組成大約為60%鹼性長石、20%石英、20%白雲母，含少量副礦物石榴子石和電氣石。鹼性長石以鈉長石為主，呈聚片雙晶，少量為微斜長石，呈格子雙晶（圖6a）。QH-08號樣品為中粗粒含電氣石白雲母花崗岩，主要礦物成分大約為55%鹼性長石、30%石英和7%白雲母，普遍含電氣石，達5%以上。鹼性長石既有呈格子雙晶的微斜長石，顆粒相對較大；又有成聚片雙晶的鈉長石，顆粒大小不均（圖6b）。
4、岩石地球化學特徵
（1）主量元素地球化學特徵
Spruce Pine地區的樣品中SiO2含量為74.50%和77.60%；K2O+Na2O=7.91%和7.25%，鈉大於鉀，K2O/Na2O=0.19和0.52；Al2O3=12.95%~15.60%；鐵鎂含量相近，鐵略高，FeOT=0.34%和0.32%，MgO=0.21%和0.19%，CaO=1.54%和1.15%；鋁飽和指數（ACNK）為1.05和1.03。因此具有亞鹼性和弱過鋁質的主元素化學特徵（圖7），在圖8中落於花崗岩區。
庫衛地區的樣品中SiO2含量為72.49%和74.56%；K2O+Na2O=9.21%和8.56%，K2O/Na2O=0.03和3.42，一個富鉀，一個富鈉；Al2O3=16.43%和14.70%；Fe，Mg，Ca分別為FeOT=0.55%和0.40%，MgO=0.16%和0.25%，CaO=0.53%和0.42%；鋁飽和指數（ACNK）為1.03和1.32。因此具有亞鹼性和弱到強過鋁質的岩石化學特徵（圖7），在圖8中落於花崗岩區。
青河地區的樣品中SiO2含量為73.89%，79.29%和75.28%；K2O+Na2O=11.19%，5.44%和9.10%；K2O/Na2O=2.98，0.34和1.14，一個富鈉，兩個富鉀；Al2O3=14.30，11.74和14.40%；Fe，Mg，Ca分別為FeOT=0.06%，0.83%和0.25%，MgO=0.14%，0.26%和0.24%；CaO=0.09%，0.52%和0.45%；鋁飽和指數（ACNK）為1.03，1.29和1.10。因此QH-08和QH-06-1樣品屬於亞鹼性，QH-01樣品具有鹼性，它們都有弱到強過鋁質的主元素地球化學特徵（圖7）。由於QH-06-1中的鉀含量較低，導致K2O+Na2O含量過低，不能在圖8中投出，其它兩個樣品均落於花崗岩區。
（2）微量元素地球化學特徵
從表1中可以看出，在美國Spruce Pine地區，兩個樣品的微量元素除了Zr和Ba有較大差別外，其他元素差別不大，它們的原始地幔不相容元素標準化模式比較接近（圖9）。
該地區樣品的稀土元素都存在Eu的正異常（圖9），δEu值分別為1.19和2.97；稀土總量較低，分別為17.70×10-6和11.65×10-6；都屬於輕稀土元素富集型，LREE/HREE為3.61和5.85。SP-02號樣品的第一組La-Ce-Pr-Nd和第二組Pm-Sm-Eu-Gd具有典型的M型稀土元素四分組效應，SP-01號樣品僅第二組的四分組效應明顯。
在新疆庫衛地區，樣品的微量元素差別較大（表1，圖10），KW-08樣品的Rb，Ba，Sr，Nb，Ta明顯高於KW-04樣品。它們的稀土元素更是差異明顯，KW-04為重稀土元素富集型，LREE/HREE為0.73；Eu負異常，δEu值0.38；稀土總量為5.41×10-6。KW-08樣品為輕稀土元素富集型，LREE/HREE為6.97；Eu正異常，δEu值13.5；稀土總量很低，僅有3.03×10-6。KW-04樣品具有典型的M型稀土元素四分組效應，其中第一組La-Ce-Pr-Nd，第三組Gd-Tb-Dy-Ho和第四組Er-Tm-Yb-Lu四分組效應比較明顯，第二組Pm-Sm-Eu-Gd因Eu虧損而偏離上凸曲線。KW-08的第二組和第三組的四分組效應明顯。
青河地區樣品的微量元素差別不是十分明顯，在原始地幔不相容元素標準化圖解上有相近的變化趨勢（圖11），其差別主要表現在稀土元素上。QH-01和QH-06-1都屬於輕稀土元素富集型，LREE/HREE分別為7.60和6.04；都有明顯的Eu負異常，δEu分別為0.21和0.13；但是它們的稀土總量有明顯差別，分別為4.73×10-6和40.95×10-6。QH-08號樣品與它們相比有明顯不同，後者相對富集重稀土元素，LREE/HREE為2.73；明顯虧損中稀土元素，Eu負異常不甚明顯，只有0.68；稀土總量為5.29×10-6。QH-06-1和QH-08樣品表現出明顯的M型稀土元素四分組效應，其中第一組La-Ce-Pr-Nd，第三組Gd-Tb-Dy-Ho和第四組Er-Tm-Yb-Lu四分組效應較明顯，第二組Pm-Sm-Eu-Gd因Eu虧損而偏離上凸曲線。QH-01樣品的四分組效應不明顯。
綜上可以看出，美國Spruce Pine和新疆庫衛、青河地區岩石樣品中的稀土總量（ΣREE）都不高；除了KW-04號樣品富集重稀土以外，其它均為輕稀土富集型；美國Spruce Pine樣品和KW-08樣品都出現了Eu正異常，而其他樣品為Eu負異常；在所研究的樣品中，多數樣品具有M型稀土元素四分組效應。
5、石英中的元素雜質
國際公認的高純石英砂是Al，K，Na，Li，Ca，Fe，Mg，Mn，Ti，Zr，Cu，Cr，Ni，P，B共15種元素雜質小於22.26×10-6的高技術產品，是半導體、太陽能光伏、高端電光源（如汽車金滷燈）行業的重要支撐材料。
本項研究對Spruce Pine、庫衛和青河地區的白崗巖/偉晶岩中的石英純度進行了初步評價。對這些地區的一些代表性樣品，在顯微鏡下通過人工挑選石英，然後進行酸浸，利用ICP-AES方法分析石英中的雜質含量，結果見表2。
表2可以看出，本文分析的Spruce Pine樣品中Al，Na，Ca和K的含量明顯偏高，可能是在挑選石英時混入了主要造岩礦物鈉長石。從其他元素的對比可以看出，新疆庫衛、青河、可可托海的樣品與產高純石英的Spruce Pine樣品比較接近。由此可見，若對阿爾泰地區的這些偉晶岩進行嚴格的加工，其中的石英有可能達到高純石英砂的標準。
6、討論和結論
美國Spruce Pine白崗巖/偉晶岩地區，產高純英的花崗質偉晶岩，形成於早古生代，可能是奧陶世或者早志留世，圍巖為前寒武紀的雲母角閃石片麻岩、片岩，含有少量的白雲石大理。
我國新疆阿爾泰地區庫衛和青河的花崗質偉巖，形成於晚古生代和中生代，圍巖為中上奧陶統哈巴河（O2-3hbc），巖性主要為中深度變質的片岩、片岩、混合巖、變粒巖、千枚巖、變質砂岩。
就圍巖來看，二者的變質程度接近，但時代差別較，Spruce Pine地區的偉晶岩發育在前寒武紀變質基底之上，而阿爾泰地區的偉晶岩的圍巖則為古生代沉積的變質岩。偉晶岩的形成時代也不同，阿爾泰地區的偉晶岩時代新、期次多。Spruce ine地區的偉晶岩形成時代老，為早古生代。
從巖相學特徵來看，Spruce Pine地區的白崗/偉晶岩和新疆庫衛、青河地區的白雲母花崗岩晶巖的主要造岩礦物都由鹼性長石、石英和白母組成，但鹼性長石的性質有明顯差別，前者要為鈉長石，後者多數樣品主要為微斜長石，有KW-04和QH-06-1樣品與前者類似，其中鹼長石主要為鈉長石。
在副礦物方面，KW-04和QH-06-1亦與前者相似，都含有石榴子石，只是QH-06-1還含有電氣石。
從元素地球化學特徵來看，Spruce Pine地區的白崗巖/偉晶岩和新疆庫衛、青河地區的白雲母花崗岩/偉晶岩的主元素SiO2和Al2O3沒有明顯差別，暗色組分Fe，Mg，Ti等也較相近。但在鹼金屬和鹼土金屬方面存在不同，前者的K2O+Na2O相對於後者偏低，CaO偏高。除了QH-01號樣品外，它們都屬於亞鹼性的過鋁質花崗岩類（圖4，圖5），並具有高分異鈣鹼性的特徵（圖12）。
但是，需要特別注意的是，在K2O/Na2O上，新疆庫衛和青河地區的樣品中只有KW-04和QH-06-1與Spruce Pine地區可以類比，它們都表現為鈉大於鉀的地球化學性質，與其斜長石大於鹼性長石的岩石學特徵一致。
在微量元素方面，美國的樣品含有較高的大離子親石元素（LILE），特別是Sr和Ba的含量明顯高於阿爾泰地區。但Spruce Pine和阿爾泰地區樣品的高場強元素（HFSE）和稀土元素（REE）都普遍較低，高場強元素的含量變化在（11.67~104.19）×10-6之間，稀土元素為（3.03~40.95）×10-6，而且多數樣品都具有M型稀土元素四分組效應。如此低的高場強元素和稀土元素，以及四分組效應，表明形成偉晶岩的“岩漿”可能是過鋁質花崗質岩漿通過了熔體-蒸汽的分異作用形成的富流體的端員，因為在此過程中，這些元素的蒸汽/熔體分配係數都很低。Eu正異常可能與Eu相對於熔體相而更易於進入流體相有關。
鑑此，可得出初步結論：Spruce Pine地區和新疆阿爾泰的庫衛、青河地區的偉晶岩可能是過鋁質花崗岩漿通過熔體-蒸汽高度分異作用的產物。產高純石英的偉晶岩發育在片岩、片麻岩的背景之上，主要造岩礦物中富含鈉長石，全巖樣品中以Na2O>K2O，大離子親石元素Sr和Ba含量高、高場強元素和稀土元素含量低、四分組效應明顯、Eu正異常，以及石英中雜質元素含量低為特徵，這些特徵可作為高純石英偉晶岩的判別標誌。
我國阿爾泰地區的偉晶岩脈十分發育，所研究的樣品中，有些樣品已經具有這些特點，而且石英本身的純度較高，值得繼續開展更加深入和全面的研究。期望通過本文，起到拋磚引玉作用，以引起對高純石英偉晶岩研究的重視，為我國的半導體和太陽能光伏行業的發展打造資源基地。
來源：美國Spruce Pine與新疆阿爾泰地區高純石英偉晶岩的對比研究，作者：張曄，陳培榮
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