高纯石英矿背后的资源博弈

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在半导体制造的复杂流程中，高纯石英矿扮演着举足轻重的角色，堪称产业的 “芯片粮仓”。制造半导体的关键材料 —— 高纯度硅，其制备离不开高纯石英。从石英到纯度高达 99.9999999%（9N）的芯片用硅，以及纯度稍低（6N - 8N）的太阳能电池用硅，需历经多道精炼工序。一切始于石英（二氧化硅），它在矿热炉中与碳反应生成冶金级硅（纯度约 98 - 99%），随后经西门子工艺，硅与氯化氢反应生成气态三氯硅烷，再经液化、蒸发，在氢气环境下于加热的硅丝上通过化学气相沉积，凝结成非常纯净的多晶硅棒。

然而，对于芯片和高效太阳能电池板而言，多晶硅还不够，需要单晶硅。这就涉及到 Czochralski（CZ）工艺，多晶硅在石英坩埚中被加热至超过 1400 摄氏度熔化，接着将硅籽晶浸入熔体，随着晶体缓慢被拉出，熔融硅围绕籽晶凝固，形成单晶硅锭，而后被切割成晶片用于制造微芯片或太阳能电池。在这一高温过程中，石英中的杂质极易渗入熔融硅，即便坩埚有保护涂层也难以避免。由于半导体对杂质极为敏感，百万分之几的杂质就可能带来灾难性后果，所以坩埚所用的石英必须尽可能纯净，这使得高纯石英矿成为半导体制造不可或缺的关键原料。

全球高纯石英矿资源分布不均，美国北卡罗来纳州斯普鲁斯派恩镇（Spruce Pine）是主要产地之一。该矿供给了全球90%以上的高纯石英砂需求量，在相当长时间内甚至是唯一的来源地。2009年BBC称此地为“地球上最具战略价值的平方英亩”。距离Spruce Pine约一小时车程的阿什维尔矿产研究实验室的首席矿物加工工程师约翰施兰茨表示，在评估了来自世界各地的数千个石英样品后，几乎所有样品的污染物都锁在石英颗粒中，无法清除。而最好的Spruce Pine石英具有开放的晶体结构，这意味着可以将氢氟酸直接注入晶体分子中，以溶解任何残留的长石或铁，从而将纯度提高一个档次。技术人员更进一步，在高温下使石英与氯或盐酸发生反应，然后再经过一到两个商业秘密的物理和化学处理步骤。

由比利时矿业公司 Sibelco 的子公司 Covia（前身为 Unimin）和挪威矿业公司 Quartz Corp 在该地开采的石英，因天然纯度高且能进一步提纯至 99.999% 以上，备受市场青睐。据估算，Spruce Pine 每年产出 18 万至 20 万吨高纯度石英，在全球高纯石英供应中占比达 70 - 90%。

博维尔矿位于美国爱达荷州北部拉塔县博维尔镇。经电子探针分析，该矿石中石英晶体的纯度大于99.9%。2010年，艾矿产股份公司（I-Minerals，Inc.）完成预可行性研究，研发出SiO₂纯度为99.9%~99.997%的高纯石英砂产品。矿床钾长石和石英的探明资源量437.8万吨，控制资源量885.7万吨，共计1323.5万吨。博维尔矿高纯石英资源量巨大，矿石的提纯加工难度较低。采用传统浮选提纯工艺，即可生产高纯石英砂。

除美国外，挪威、俄罗斯也有少量产出，巴西曾是主要供应国，加拿大、毛里塔尼亚、斯里兰卡和澳大利亚等地也在探寻潜在资源。

我国硅质资源丰富，但是大部分矿床为普通硅石矿，用于普通玻璃、石材、建筑用砂等。同时，受矿石品质的限制，生产出来的产品主要为低端高纯石英。对于高纯石英砂、原料矿石及高端石英制品每年都大量依赖进口。目前国内多方在努力开发矿源，寻找新来源替代，不断进行设备创新，优化不同提纯工艺，探索高效的合成工艺，但这些都有着各自的技术困难要克服。

01 高纯石英的找矿方向

高纯石英的找矿方向,指的是野外可操作的“高纯石英原料”的找矿方向,不是直接寻找“4N5”这样纯度的“高纯石英矿产品”。石英砂、粉石英、石英砂岩、石英岩和脉石英矿这5个矿种是我国以石英为主要开发利用对象的矿种,共已发现矿产地2147处,其中,天然石英砂430处,石英砂岩684处,石英岩515处,粉石英36处,脉石英482处(图1)。当然,在勘探这类矿床时,并没有考虑当今所谓“高纯石英”的特殊需要,但其“石英原料”的本质属性没有变。因此,从这些已知的矿产地中优选出有可能提供“高纯石英原料”的矿产地,就是当前找矿的主要方向,也是最现实的工作方向。比如,江苏东海的水晶矿,也正是我国当前最重要的高纯石英原料的提供者。但由于其资源储量有限,不能满足需求,因此需要拓宽找矿方向。

图1 中国可能用作高纯石英原料矿的石英矿矿产地分布简图

(1)脉石英。东海水晶矿属于脉石英矿,定位于我国中央造山带的最东段,形成于印支运动的晚期,代表了相对稳定的成矿环境。造山带本身是构造活跃的,流体丰富且活跃,总体上不利于高纯石英的形成。但恰恰是在特定的相对稳定的时间、空间可以形成东海水晶这样的脉石英矿床。类似的远景区、靶区除了江苏北部、山东南部之外,在东秦岭—大别乃至于西部的阿尔金、东昆仑、西昆仑都有找矿潜力，如青海的吴曼通洞。

我国曾经根据工业用途的不同,将脉石英资源分为玻璃用、水泥配料用、冶金用脉石英等亚矿种。由于冶金用脉石英和水泥配料用脉石英SiO2纯度低,主要用于冶金熔剂和水泥配料,不适宜用作高纯石英原料。玻璃用脉石英SiO2含量相对较高,具有用作高纯石英原料的潜在价值。玻璃用脉石英分布于江西、四川、安徽、新疆、黑龙江、陕西、浙江等地的变质岩区,以中小型为主,大型矿1处,中型矿14处,小型矿198处。我国玻璃用脉石英保有资源储量10325.87万t,其中基础储量2476.56万t,资源量为7849.32万t。尽管玻璃用脉石英的资源量不小,但SiO2含量在98.8%及以上(可满足我国当前提取高纯石英技术条件)的矿产地仅有25处,保有资源储量709.9万t,平均品位99.07%。即便是全部用作高纯石英原料,按照我国每年高纯石英砂约600万t的静态产能,也只能维持10多年的需要。

(2)石英砂。石英砂在我国的东南沿海分布广泛,在青海湖这样的内陆湖泊区也有产出,但类似于澳大利亚西海岸帕斯一带厚达数百米的滨海砂矿实属罕见。辽宁、山东等老变质岩分布区风化剥蚀出来的石英有可能在海边形成现代砂矿,海南、广东、福建等地的燕山期花岗岩及其他时代花岗岩分布广泛,其风化剥蚀出来的石英也可能搬运到海边形成石英砂矿。在风化剥蚀、搬运以及海浪千淘万漉的过程中,石英颗粒与其他矿物不断解离,有次生包裹体者也易于碎裂,有可能出现高纯石英。

(3)粉石英。粉石英一般指的是原生石英岩、脉石英或者花岗岩风化壳原地、近原地残积形成的现代砂矿,虽然可能混有长石、云母及金属重矿物,但其开发利用的成本相对较低,因而也是重要的找矿方向。实际上,老挝甘蒙省和波里坎赛省存在规模可达亿吨级的、质量好的粉石英矿层,就是风化壳型的。中国南方地区,气候湿润,风化作用强烈,具有成矿的优越条件。粉石英矿床的形成主要受层位和风化作用控制,粉石英常呈白色或灰白色,所以在找矿工作中应注意观察黏土层的颜色;传统粉石英产区的找矿潜力仍然很大,如西南、中南和华东地区。

(4)石英岩。石英岩是由石英矿物为主形成的沉积岩(不包括由热液蚀变作用形成的“次生石英岩”),其原始成因可能是化学沉积的,也可以是机械沉积的,但石英矿物的含量一般在90%以上。当其全岩的SiO2含量达到98%(野外地质样品)、等粒状变晶结构尤其是三晶嵌结结构发育、石英中流体包裹体不发育时,就应该作为重点评价对象。这种石英岩具有固定的层位,区域上展布规律清晰,有一定的体量,往往又有明显的野外找矿标志,无论是地质勘查还是今后的开发利用都具有现实可操作意义,应该引起重视。

据了解，我国石英岩的矿床规模和资源量都是最大的。但该类型石英矿的杂质一般较多且提纯较困难，其工业应用主要集中在附加值不高的金属硅和硅铁原料，以及不受粒度大小和角形因数影响的w(SiO2)99%±的石英原材料产品，如浮法玻璃、日用玻璃等原材料。有越来越多的学者开始研究石英岩制备高纯石英砂，包括武汉理工大学的张凌燕教授和西南科技大学的孙红娟教授及其团队。近年来，成都理工大学的汪灵教授在提纯、检测和评价石英岩矿时发现，石英岩有可提纯加工w(SiO2) > 99.9%的高纯石英的可能性，还有个别甚至具有提纯加工4N8高纯石英高端产品的潜力。

(5)石英砂岩。石英砂岩是以石英为主的沉积岩,但由于天然杂质多,开发利用成本高,如果其中的石英矿物本身纯度普遍不高,可不作为找矿重点。

此外,地台区形成的石英岩,经过区域变质之后的石英岩矿;变质石英岩风化之后的粉石英矿;白岗岩、翁岗岩、碱性花岗岩建造风化壳以及由其风化产物形成的石英砂;“干环境”中形成的脉石英等,均值得注意。

表1高纯石英矿床成因类型(据张佩聪等,2012修改)

从矿床成因的角度,高纯石英原料的类型包括花岗质岩浆石英长石共结结晶型、岩浆热液析晶型、变质流体析晶型、固体重结晶型、机械风化碎屑型(表1)。

02 研判高纯石英原料矿的可能性

那么,高纯石英原料矿到哪去找？首先从矿床成矿系列的角度,总体上分析研判哪些矿床成矿系列具备寻找高纯石英原料矿的可能性,再具体到不同矿床类型的远景区、靶区。

(1)对花岗伟晶岩,目前看有利地区是新疆阿尔泰伟晶岩带、新疆阿尔金花岗伟晶岩带,秦岭花岗伟晶岩带,武夷山花岗伟晶岩带、祁连山花岗伟晶岩带,幕阜山花岗伟晶岩区等应是今后值得关注的找矿地区。伟晶岩主要发育于下古生代或前寒武纪变质岩系中。伟晶岩中部的石英核可能是非常良好的高纯石英原料矿。

(2)对石英脉,重点关注的地域是:①在花岗伟晶岩外围的石英脉,不仅石英脉的聚集程度较高,其石英的纯度也普遍较高,应是今后值得关注的地区。比如新疆阿尔泰和秦岭地区花岗伟晶岩带外围的石英脉。②古老地台或隆起区变质岩系中的石英脉,应是值得关注的地区,例如,山西中阳县太古界吕梁山地区,福建双溪前寒武纪隆起区,湖北鄂东南付家山地区,湖南城步青白口纪片岩中的石英脉。鲁西隆起带元古代地层中的石英脉等。今后应注意在这些地区找矿。③对岩浆分异型石英脉,主要和中新生代中酸性岩浆侵入和后期分异作用有关的石英脉,也是重要的找矿方向,我国较有利地区主要有:黑龙江小兴安岭—张广才岭地区,云南滇西一带与燕山—喜马拉雅期花岗岩浆侵入活动中后期分异产生的石英脉,西藏南部喜马拉雅浅色花岗岩和花岗伟晶岩带,应是值得关注的地区。

根据实际生产情况,我国目前用作高纯石英原材料的脉石英和水晶,主要分布在秦岭—大别—苏鲁超高压变质带上,如湖北蕲春、安徽凤阳、江苏东海等高纯石英原料供应地。尽管这些地方的石英呈“脉状”产出,但其成因不见得是花岗岩岩浆结晶分异的,而更可能是变质侧分泌形成的。花岗伟晶岩也如此,即便是新疆阿尔泰地区十余个伟晶岩密集区的数万条伟晶岩脉,有的是变质成因,有的是岩浆结晶分异成因,有的是岩浆热液成因与变质成因的叠加。张晔等将新疆阿尔泰地区伟晶岩与美国斯普鲁斯潘花岗伟晶岩进行对比分析,发现具有高纯石英伟晶岩的特点,若进行严格的加工,很有可能得到高纯石英砂产品。但实际上具有相似性的恰恰是他们的伟晶岩都可能是过铝质花岗岩浆通过熔体-蒸汽高度分异作用的产物,产高纯石英的伟晶岩发育在片岩、片麻岩背景之上。

(3)水晶矿,自然也是重要的高纯石英原料矿。目前我国江苏东海一带地表的水晶矿已采得差不多了,但深部还是有前景的,另外海南岛的水晶资源有很大前景,值得进一步做工作。

(4)滨海石英砂矿,我国福建、广东、特别是海南岛的石英砂矿也有很大前景,石英砂的纯度较高,值得进一步工作。

高纯石英矿的重要性不仅体现在半导体领域，光伏产业对其也高度依赖。随着光伏产业的迅猛发展，对高纯石英的需求持续攀升。而目前，高纯石英矿的供应相对集中，政治局势的变化以及部分地区的储量和产量变化，都可能对全球半导体和光伏产业的供应链稳定性造成影响。

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