中國粉體網(wǎng)訊  石英理論化學(xué)組成是SiO₂，但是在自然界不存在純 SiO₂石英。石英或多或少都包含一些雜質(zhì)元素（如 Al、Ti、K、Na、Ge 等），其種類和含量與晶出石英時的熔/流體和外界環(huán)境與結(jié)晶后受到的改造有關(guān)。在石英晶體內(nèi)部，雜質(zhì)元素的賦存形式包括（按尺度由小到大）：晶格雜質(zhì)元素（晶格尺度）、亞微米級（100nm~1μm）和納米級（＜100nm）包裹體，以及顯微包裹體（＞1μm）。

1. 晶格雜質(zhì)元素（晶格尺度）

石英晶格雜質(zhì)與石英晶體的點缺陷密切相關(guān)。石英晶體的點缺陷包括空位、置換原子和間隙原子三種，其中能引入雜質(zhì)元素的主要是后兩者。外來的離子（如P⁵⁺、Ti⁴⁺、Ge⁴⁺、Al³⁺、Fe³⁺、B³⁺等）通過置換Si⁴⁺，占據(jù) Si⁴⁺的位置，形成置換雜質(zhì)元素；同時，某些離子（如 Al³⁺、Fe³⁺等）在置換Si⁴⁺時，為了保持電價平衡，還會在原子間引入Na⁺、K⁺等電價補償離子，為間隙雜質(zhì)元素。

根據(jù)置換離子與Si⁴⁺的電價是否相同，可將外來離子置換Si⁴⁺分為兩大類：

（1）等價類質(zhì)同象替換，置換離子與Si⁴⁺的電價相同。如Ti⁴⁺和Ge⁴⁺可以直接與硅氧四面體(SiO₄)中的Si⁴⁺進行類質(zhì)同象替換，進入到石英晶格中；

（2）不等價類質(zhì)同象替換，置換離子與Si⁴⁺的電價不同，可以是：

①三價離子置換Si⁴⁺，同時需要一個一價的電荷補償離子。如當Al³⁺、Fe³⁺、B³⁺等離子類質(zhì)同象替換Si⁴⁺的同時，在Si原子間會引入Na⁺、K⁺、Li⁺、H⁺等離子；

②兩對異價離子同時發(fā)生替換。如在Al³⁺替換Si⁴⁺的同時，在其相鄰的硅氧四面體中心發(fā)生P⁵⁺替代Si⁴⁺，即以成對替代的方式，保持電價平衡；

③當外來離子為二價離子（如Be²⁺）時，二價離子會進入石英晶體的空位，同時需要兩個三價離子（通常是Al³⁺）作為電價補償元素，替換Si⁴⁺。在替換的過程中，為了保持晶格類型不變，晶體結(jié)構(gòu)會進行局部調(diào)整。

石英晶體中典型的類質(zhì)同象替換

來源：楊曉勇，等. 高純石英的研究進展及發(fā)展趨勢

1. 亞微米級（100nm~1μm）和納米級（＜100nm）包裹體

石英中亞微米級（100 nm～1μm）和納米級（＜100 nm）包裹體的尺寸很小，需要借助掃描電子顯微鏡（SEM：Scanning Electron Microscope）和透射電子顯微鏡（TEM：Transmission Electron Microscope）才能觀察到它們的形貌和在石英晶體中的分布。目前，對這類亞微米級（100nm～1μm）和納米級（＜100nm）包裹體的研究很少，主要集中在有色石英，特別是藍色的巖漿石英。

因此，現(xiàn)在不確定這類包裹體在一般石英晶體中的含量與分布如何。迄今為止，觀察到的亞微米級包裹體包括金紅石、銳鈦礦、云母、電氣石和Al-Si相礦物（可能代表Al₂SiO₅同質(zhì)多象體、AlOOH或剛玉）。

3.礦物、熔體和流體包裹體（＞1μm）

天然的石英晶體通常包含流體、硅酸鹽熔體和礦物包裹體（＞1μm），這些包裹體可以在普通的光學(xué)顯微鏡下觀察。包裹的種類和豐度取決于結(jié)晶環(huán)境、結(jié)晶后的蝕變和變形。如果在石英晶體中包裹體大量存在，那么它們會對石英原材料的化學(xué)純度和質(zhì)量有很大影響。

流體包裹體是石英中最常見、最豐富的包裹體。它們既可以在石英晶體生長時，為石英所捕獲，形成原生流體包裹體；也可以在后期流體沿石英的微裂縫滲透、石英晶體愈合時形成，稱之為次生包裹體。有專家在研究廣西姑婆山花崗巖和江蘇北部張錦莊石英砂時，在二者的石英中均發(fā)現(xiàn)了沿石英微裂縫發(fā)育的次生流體包裹體；同時在二者的石英中均發(fā)現(xiàn)了孤立或成群分布的流體包裹體。流體包裹體中最常見的是水，但在一些情況下，也可見 CO₂、CH₄、重烴、N₂等。

石英中的流體包裹體

來源：楊曉勇，等. 高純石英的研究進展及發(fā)展趨勢

硅酸鹽熔體包裹體常常出現(xiàn)在巖漿巖，常表現(xiàn)為小的玻璃質(zhì)或結(jié)晶質(zhì)“氣泡”（約 1～300 μm）。相比于流體包裹體，它們在石英晶體中的數(shù)量相對稀少。熔體包裹體的成分與石英捕獲的硅酸鹽熔體成分相對應(yīng)，主要由 Si、Al、Fe、Ca、Na 和 K 等組成。在巖漿演化晚期形成的偉晶巖中，石英中的熔體包裹體常常包含大量的堿金屬元素（如 Li、Na、K、Rb、Cs）、揮發(fā)性元素（如B、P、F、Cl），以及一些稀有元素。這些熔體包裹體中的雜質(zhì)元素會影響石英的化學(xué)純度，是一個主要的污染源。

理論上，寄主巖石中出現(xiàn)的礦物相都可以出現(xiàn)在石英的礦物包裹體中。在巖漿巖中，石英的礦物包裹體主要包括：長石、云母、金紅石、磷灰石等，這些礦物大都是巖漿巖的造巖礦物或重要的副礦物。有專家在研究廣西姑婆山花崗巖時，在石英中發(fā)現(xiàn)了磷灰石礦物包裹體，這是花崗巖中常見的副礦物之一。變質(zhì)巖中，石英的礦物包裹體則與寄主巖石的變質(zhì)程度有關(guān)；寄主巖石不同的變質(zhì)程度，對應(yīng)石英礦物包裹體中不同的礦物組合。在低級變質(zhì)巖中，石英的礦物包裹體可以包括綠泥石、白云母或角閃石；在高級變質(zhì)巖中，石英的礦物包裹體可以包括藍晶石、十字石或石榴子石等。在沉積巖中，除了碎屑巖漿巖石英和變質(zhì)巖石英中的礦物包裹體以外，在沉積環(huán)境中形成的石英（如石英次生加大邊等）還會包含硬石膏、石膏、鹽類礦物、有機質(zhì)等在沉積環(huán)境形成的礦物。

有專家在研究江蘇北部張錦莊石英砂時，在石英砂中的石英中發(fā)現(xiàn)了方解石、微斜長石、金紅石等包裹體，它們與碎屑石英的源巖有關(guān)，關(guān)于其形成和源巖還有待進一步研究。

石英中的一些礦物包裹體及其激光拉曼光譜分析

來源：楊曉勇，等. 高純石英的研究進展及發(fā)展趨勢

上述的晶格雜質(zhì)元素（晶格尺度）、亞微米級（100 nm～1μm）和納米級（＜100 nm）包裹體，以及顯微包裹體（＞1 μm）是雜質(zhì)元素（如 P、Ge、Ti、Al、Fe、B、K、Na、Li、Be 等）在石英晶體內(nèi)部基本的賦存形式。同時，在石英晶體表面，可以附著其他礦物微晶；在結(jié)晶巖中，石英會和其他礦物嵌布。

現(xiàn)階段，經(jīng)研磨、分選、磁選、重選、電選、浮選、酸洗、酸浸、加熱、焙燒等礦物提純工藝，可以將石英晶體大部分的表面附著微晶、與石英嵌布的礦物、以及石英晶體中大部分的顯微包裹體除去。但對于石英內(nèi)部的雜質(zhì)，如晶格雜質(zhì)元素、可能出現(xiàn)的亞微米級（100 nm～1μm）和納米級（＜100 nm）包裹體、顯微包裹體（＞1 μm），現(xiàn)有手段難以將它們完全地除去，它們的存在將會極大地影響石英的化學(xué)純度和質(zhì)量。

因此，石英晶體中晶格雜質(zhì)元素、亞微米級和納米級包裹體、顯微包裹體的數(shù)量和分布，是決定石英晶體能否成為高純石英的重要制約因素。詳細查明雜質(zhì)元素在石英晶體內(nèi)部的賦存狀態(tài)、數(shù)量和分布特征，對于后續(xù)的礦物提純加工和探討其工業(yè)用途至關(guān)重要。

參考來源：

楊曉勇，等. 高純石英的研究進展及發(fā)展趨勢

礦材網(wǎng)、石英石網(wǎng)等

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初心）

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