**1. 引言** 花岗伟晶岩是一种主要由石英（London, 2018）、长石和云母组成的粗粒火成岩，是一些高纯度石英的重要来源。美国北卡罗来纳州的Spruce Pine地区就是一个典型例子，那里的伟晶岩石英杂质含量极低，长期以来一直作为半导体、光伏和光纤的优质原料（Haus, 2005; Moore, 2005; Haus et al., 2012）。在中国，花岗伟晶岩也广泛分布，包括阿尔泰、南平、官坡和东秦岭地区等地区也被认为是高纯度石英原料的潜在来源（Wang et al., 2022, 2025; Zhang et al., 2022）。 高纯度石英是高科技产业的关键原料。现有的提纯技术主要包括物理提纯、化学提纯和多阶段联合工艺。物理方法有效去除相关脉石矿物，而化学方法如酸浸出和高温氯化对于深度去除杂质至关重要。然而，以往的研究主要集中在工艺优化和最终纯度上，而对于原矿矿物学特征与杂质去除效率之间的关系了解不足，尤其是对于花岗伟晶岩型石英（Shen, 2006; Li et al., 2023; Magar et al., 2024; Ding et al., 2009; Khalifa et al., 2019; Zhang et al., 2017; Deng et al., 2024）。 华北克拉通南部边缘的火球群花岗伟晶岩型石英矿床具有良好的结晶度和相对较低的初级杂质含量，表明其具有生产高纯度石英的潜力（Yang et al., 2012; Xue et al., 2025）。本研究通过光学显微镜和ICP-OES分析了安徽省火球县曹楼地区的石英矿石的矿物学特征、包裹体分布和杂质分布，并应用了联合提纯工艺来评估其生产高纯度石英的潜力（Vatalis et al., 2015; Lin et al., 2020）。采样地点位于华北克拉通南部边缘的安徽省火球县曹楼地区。
**2. 地质背景** 华北克拉通南部边缘的火球群经历了复杂的构造和岩浆演化，为花岗伟晶岩的形成提供了有利条件。多阶段的变形形成了断层-裂隙系统和构造薄弱带，为伟晶岩熔体的侵入提供了通道和空间（Liu and Yang, 2013; Li et al., 2018）。研究区域内的花岗伟晶岩主要呈脉状或透镜状体，出现在中高级变质岩中，常见于花岗岩与片麻岩的接触带以及次生裂隙中。围岩以黑云母-斜长石片麻岩及相关片麻岩岩性为主（Yang et al., 2012; Müller et al., 2023; Keyser et al., 2021）。 曹楼地区的伟晶岩具有高石英含量、良好结晶度和相对较低的可见杂质矿物含量，表明其具有生产高纯度石英的潜力。采样地点位于华北克拉通南部边缘火球群中部的安徽省火球县曹楼地区（116°20′–116°30′E, 32°10′–32°20′N）（Magar et al., 2024; Li et al., 2025; Yu et al., 2025; Haus et al., 2012）。
**3. 样品和实验方法** **3.1. 实验样品** 火球曹楼花岗伟晶岩样品I#取自研究区域内的典型伟晶岩脉。样品呈块状结构，无明显风化或蚀变现象。石英颗粒占最大比例，呈灰白色，具有透明至半透明的玻璃光泽。断口呈贝壳状，表明石英晶体结晶度较高。石英具有中细粒结构，颗粒紧密排列，边界清晰。样品中含有丰富的斜长石，主要为白色玻璃光泽，与石英紧密共生。还含有少量片状黑云母，呈黑色珍珠光泽，片理发育良好。黑云母主要存在于石英和斜长石颗粒之间的间隙或石英颗粒内的微裂隙中（图1）。从宏观特征来看，该花岗伟晶岩石英结晶度高，杂质矿物含量低，无显著蚀变，表明其作为高纯度石英原料的基本潜力（Müller et al., 2012; Wang et al., 2021; Zhang et al., 2024）（见图2）。
**3.3. 提纯实验** 石英提纯过程主要包括三个阶段：预处理、物理提纯和化学提纯。每个阶段旨在去除不同类型的杂质，各阶段相互关联，逐步提高石英纯度。火球曹楼花岗伟晶岩样品I#的提纯工艺包括煅烧、水淬、破碎、筛分、重力分离、磁分离、浮选、酸浸出和高温氯化等步骤。各步骤的工艺参数经过优化，以平衡提纯效率与工艺的经济可行性（Bao et al., 2026; Wang et al., 2014; Wang, 2019; Wang, 2025; Yang et al., 2023; Liu et al., 2024, Liu et al., 2024; Martinez et al., 2022; Gao et al., 2022）。
**3.3.1. 预处理** 原始石英矿石样品首先进行脱泥和冲洗，去除表面附着的粘土和杂质颗粒，然后破碎至<5 cm，放入马弗炉（型号KSL-1200X，合肥科京仪器有限公司）中。在950 °C下以10 °C/min的加热速率进行煅烧，达到目标温度后保持60分钟以确保矿石均匀加热。热煅烧后的样品立即转入超纯水中快速淬火。这种热冲击处理通过热膨胀和收缩在石英颗粒中产生大量微裂隙，降低石英硬度，便于后续破碎，并促进下游浸出过程中的酸渗透，提高杂质去除效率（Pang et al., 2020; Yang et al., 2023）。 淬火后的石英矿石经过颚式破碎机进行粗碎，再通过双辊破碎机进行细碎。破碎产物用标准试验筛筛分，收集0.106–0.250 mm（60–150目）粒度的部分用于后续提纯实验，因为该粒径范围符合高纯度石英的工业要求，确保物理和化学提纯的高效率。筛分后的石英砂进行15分钟超声清洗，去除残留的表面粘土矿物、胶结物质和金属氧化物薄膜，然后在105 °C下干燥，得到预处理后的石英砂。 预处理后的石英砂进一步通过重力分离和高梯度磁分离（HGMS）进行提纯。重力分离使用摇床去除金红石和锆石等重矿物（Zhou et al., 2015）。HGMS在1.2 T的磁场强度下进行，以消除含有磁性杂质的矿物（Yang等人，2019；Peng和Chen，2010；Lv等人，2017；Liu等人，2023a,b；Deng等人，2024），从而初步提高了石英的纯度（Zhang等人，2022）。3.3.2. 物理纯化物理纯化的核心过程是浮选。浮选使用了氢氟酸活化系统。HF作为石英表面的活化剂，与石英表面少量的杂质发生反应，改变了其润湿性。十二烷基胺（DDA）被用作阳离子捕集剂，十二烷基苯磺酸钠（SDBS）被用作起泡剂。捕集剂和起泡剂的共同作用使得石英能够有效地与脉石矿物分离（Yin等人，2019；Kohobhange等人，2018）。具体步骤如下：准确称量100克去泥后的石英砂，放入含有1.0升超纯去离子水的浮选槽中。将搅拌速度设置为1000转/分钟，并搅拌2分钟以确保石英砂在水中均匀分散。然后加入0.5毫升HF溶液，再搅拌5分钟以活化石英表面。接着加入2毫升十二烷基胺（DDA）捕集剂和2毫升SDBS起泡剂，继续搅拌5分钟以确保试剂与矿物颗粒充分反应。引入氮气，并将气流速度调整到0.2立方米/小时，开始第一次浮选。浮选持续约10分钟，在此期间脉石矿物随泡沫浮起，而石英留在浮选槽底部。第一次浮选后，收集泡沫产物（主要是长石、黑云母和其他杂质矿物），并对浮选槽底部剩余的石英砂进行第二次清洗。在此过程中，再次加入一半量的DDA和SDBS，继续浮选5分钟以确保杂质彻底去除。清洗后，收集浮选槽底部的石英砂样品，用超纯水反复冲洗以去除残留的试剂，然后在105°C的烤箱中干燥，得到浮选纯化的石英砂样品（Mckee，1991；Wang等人，2004；Han等人，2020；Wang等人，2018）。3.3.3. 化学纯化和高温氯化化学纯化主要涉及酸浸和二次煅烧-水淬过程。酸浸使用混合酸系统进行，通过与酸的化学反应溶解和去除杂质。准确称量30.0克浮选纯化的石英砂，放入PTFE水热反应容器中，用超纯水清洗和干燥。加入20毫升HF–HCl–HNO3（体积比2:1:1）的混合酸溶液，密封反应容器并置于80°C的恒温水浴中24小时，以确保酸与杂质完全反应。酸浸反应结束后，取出反应容器并自然冷却至室温。然后将石英砂转移到烧杯中，用超声波清洗设备反复用超纯水清洗，直到清洗液呈中性（pH = 7），去除任何残留的酸和可溶性杂质。随后将石英砂放入105°C的干燥烤箱中，得到第一次酸浸后的石英砂。第一次酸浸后的石英砂经过相同的950°C煅烧-水淬处理，完成二次煅烧和快速冷却，进一步促进石英内部微裂纹的发展和扩展，暴露出内部的杂质。之后，重复第一次酸浸的参数进行第二次酸浸，以确保残留杂质完全溶解。第二次酸浸后，对石英砂样品进行高温氯化处理（Yang等人，2018；Lee等人，2007；Ma等人，2019；Götze，2009；Harbin，2002）。将石英砂放入管式炉中，在600°C的温度下通入干燥的HCl气体。氯化处理持续2小时，HCl气体与石英中的碱金属杂质反应，生成挥发性氯化物，有效去除残留的碱金属杂质，得到高纯度的氯化石英砂（Al-maghrabi，2004；Ding等人，2009；Lou等人，2020；Shaban和Abukhadra，2016；Zhang等人，2017）。4. 原矿特性和分析结果天然石英作为高纯度石英原料的能力以及纯化后的最终纯度主要取决于石英中杂质的可纯化性。这些杂质的可纯化性由其含量、存在方式及其与石英的结合方式决定（Xia等人，2024；Xie等人，2024）。根据去除难度，石英原料中的杂质通常可以分为三类：1）脉石矿物杂质，包括长石、云母、磁铁矿、金红石、锆石等。这些杂质以独立矿物相的形式存在于石英颗粒之间或表面，与石英的结合较弱，因此相对容易纯化。2）流体包裹体杂质，包括气-液两相包裹体和纯液体包裹体。这些杂质被困在石英晶体内部，需要物理或化学方法来打破包裹体并去除杂质，因此纯化难度适中。3）晶格杂质元素，通过同晶替代进入石英晶格，与石英形成稳定的晶格键。这些杂质极难去除，是限制石英纯度进一步提高的关键因素（Wu等人，2017；Gotze，2012）。本研究通过光学显微镜和地球化学测试系统分析了Huoqiu Caolou花岗岩伟晶岩样品I#的矿物学、包裹体和杂质特性，为后续纯化过程的设计提供了理论支持。4.1. 花岗岩伟晶岩原矿的矿物学和地球化学特性来自中国Huoqiu的Caolou花岗岩伟晶岩的代表性样品I#被制备成标准薄片（30微米用于电子探针微分析，100微米用于流体包裹体分析）。通过透射偏振显微镜、电子探针微分析和ICP-OES系统地表征了其晶体结构、粒度、脉石矿物组合、矿物共生以及流体包裹体和杂质元素的存在情况。样品主要由石英（65–70体积%）、斜长石（20–25体积%）和黑云母（5–8体积%）组成，含有微量磁铁矿、金红石和锆石（总量<1体积%）。样品中的石英结晶度很高，晶体结构完整。杂质主要以脉石矿物、流体包裹体和少量晶格杂质的形式存在（Götze等人，2004；Lehmann等人，2009；Müller等人，2003, 2012）。总体而言，杂质含量较低，为高纯度石英提供了基础。4.2. 石英及其共存脉石矿物的特性在Huoqiu Caolou花岗岩伟晶岩矿石中，石英具有中细粒结构，粒度范围为0.2至3毫米。石英颗粒边界清晰，多为亚晶形到无定形晶体，部分颗粒因后期应力作用而呈现波状消光和微裂纹（图3a）。下载：下载高分辨率图像（943KB）下载：下载全尺寸图像图3. 在透射偏振光（TPM）下，花岗岩伟晶岩在(a)和(b)位置的照片。(a) 共存的长石和黑云母；(b) 具有中细粒结构的石英。Q：石英；Pl：斜长石；Bt：黑云母。石英与丰富的斜长石紧密共生，斜长石主要形成片状和粒状晶体，可见孪晶结构。少量片状黑云母也存在于矿物颗粒边界或裂纹处，部分发生绿泥石化作用（图3b）。从微观结构特征来看，石英颗粒粒度较大，与脉石矿物的共生关系明显，表明具有较高的纯化潜力。4.3. 石英包裹体特性Huoqiu Caolou花岗岩伟晶岩样品I#中的石英包裹体特性是评估其高纯度石英开发潜力的重要指标。通过透射偏振显微镜系统观察了包裹体的类型、分布、形态和大小。结果表明，石英中的包裹体总量较低，没有明显的富包裹体区域。包裹体主要由次生流体包裹体组成，而原生流体包裹体非常稀少，反映了石英晶体生长过程中的良好杂质排斥效果和后期流体活动的较弱。次生流体包裹体大多小于10微米，大部分在2至5微米之间，只有少数达到5–10微米。未观察到大于10微米的包裹体。在平面偏振光下（图4a和c），在石英颗粒内部观察到多个不规则且穿透性的微裂纹。次生流体包裹体主要沿裂纹壁呈不连续的珠状分布，其分布明显受裂纹结构控制。包裹体主要集中在裂纹附近，而石英主体区域较为干净，几乎没有包裹体发育。这一特征为纯化过程中的包裹体去除提供了有利条件。下载：下载高分辨率图像（2MB）下载：下载全尺寸图像图4. 原矿的包裹体特性(a, c) 含有大量微裂纹和少量包裹体的石英颗粒（比例尺=1000微米）(b, d) 具有愈合微裂纹和孤立流体包裹体的石英（圈出，比例尺=200微米）。在更高放大倍数下（图4b和d），大多数包裹体呈圆形、椭圆形或不规则形状，边界清晰光滑。包裹体内的气-液相清晰可辨，气相呈圆形或椭圆形，液相占据包裹体体积的90%以上。气-液比例稳定，没有固相杂质。一些包裹体作为点状存在于石英晶格中，而其他包裹体沿愈合裂纹排列成短链。整体来看，包裹体密度较低，反映了后期矿物化流体沿石英微裂纹渗透和沉淀的特征。流体活动的强度较弱，未显著影响石英的纯度（Müller和Koch-Müller，2009）。总体而言，Huoqiu Caolou花岗岩伟晶岩样品I#中的石英包裹体具有“含量低、尺寸小、分布分散”的特点，主要沿裂纹分布。这些包裹体特征表明，在经过煅烧-水淬处理后，微裂纹会扩展，导致包裹体破裂，杂质被酸浸液溶解，为高纯度石英的纯化提供了有利条件。5. 纯化石英砂的矿物学和地球化学特性通过“预处理、物理纯化、化学纯化和高温氯化”联合工艺，Huoqiu花岗岩伟晶岩样品I#得到了系统纯化，得到了浮选石英砂、初次酸洗石英砂、二次酸洗石英砂和氯化石英砂。使用光学显微镜和ICP-OES测试（Ning等人，2017；Wang等人，2017），系统分析了不同纯化阶段石英砂的矿物学、包裹体和杂质元素特性。目的是探讨每个纯化阶段的杂质去除模式和机制，评估石英砂的质量指标，并为后续工艺优化提供数据。5.1. 石英砂及其包裹体的特性包裹体是限制高纯度石英质量和应用可行性的关键因素。石英中的微量气-液包裹体和各种固体包裹体不仅直接影响高纯度石英产品的纯度、透明度和热稳定性，还决定了石英原料是否满足半导体和光伏等领域的应用要求。因此，系统观察和分析石英包裹体是评估高纯度石英原料的核心方面（Müller等人，2002）。经过预处理、物理纯化和化学纯化后，从Huoqiu Caolou花岗岩伟晶岩样品I#获得的石英砂呈浅白色（图5a–d），与原始矿石的灰褐色形成鲜明对比，表明大部分色素杂质已被有效去除。颗粒清晰透明，透明度显著提高，只有少数颗粒因残留杂质或微裂纹的发展而略微浑浊（图5b和c）。经过煅烧-水淬处理后，石英砂主要呈现出不规则的颗粒状和角状碎片形态，这与原始矿石的细粒结构有显著差异，表明热处理过程中的热应力导致石英颗粒轻微破碎并发生了明显的形态变化（见图5c和d）。这一过程还促进了颗粒内部微裂纹的进一步发展，为后续酸浸过程中酸浸液的渗透和杂质的去除创造了有利条件（见图6）。
