中国粉体网讯 石英理论化学组成是SiO2，但是在自然界不存在纯 SiO2石英。石英或多或少都包含一些杂质元素（如 Al、Ti、K、Na、Ge 等），其种类和含量与晶出石英时的熔/流体和外界环境与结晶后受到的改造有关。在石英晶体内部，杂质元素的赋存形式包括（按尺度由小到大）：晶格杂质元素（晶格尺度）、亚微米级（100nm~1μm）和纳米级（＜100nm）包裹体，以及显微包裹体（＞1μm）。
1. 晶格杂质元素（晶格尺度）
石英晶格杂质与石英晶体的点缺陷密切相关。石英晶体的点缺陷包括空位、置换原子和间隙原子三种，其中能引入杂质元素的主要是后两者。外来的离子（如P5+、Ti4+、Ge4+、Al3+、Fe3+、B3+等）通过置换Si4+，占据 Si4+的位置，形成置换杂质元素；同时，某些离子（如 Al3+、Fe3+等）在置换Si4+时，为了保持电价平衡，还会在原子间引入Na+、K+等电价补偿离子，为间隙杂质元素。
根据置换离子与Si4+的电价是否相同，可将外来离子置换Si4+分为两大类：
（1）等价类质同象替换，置换离子与Si4+的电价相同。如Ti4+和Ge4+可以直接与硅氧四面体(SiO4)中的Si4+进行类质同象替换，进入到石英晶格中；
（2）不等价类质同象替换，置换离子与Si4+的电价不同，可以是：
①三价离子置换Si4+，同时需要一个一价的电荷补偿离子。如当Al3+、Fe3+、B3+等离子类质同象替换Si4+的同时，在Si原子间会引入Na+、K+、Li+、H+等离子；
②两对异价离子同时发生替换。如在Al3+替换Si4+的同时，在其相邻的硅氧四面体中心发生P5+替代Si4+，即以成对替代的方式，保持电价平衡；
③当外来离子为二价离子（如Be2+）时，二价离子会进入石英晶体的空位，同时需要两个三价离子（通常是Al3+）作为电价补偿元素，替换Si4+。在替换的过程中，为了保持晶格类型不变，晶体结构会进行局部调整。
石英晶体中典型的类质同象替换
来源：杨晓勇，等. 高纯石英的研究进展及发展趋势
1. 亚微米级（100nm~1μm）和纳米级（＜100nm）包裹体
石英中亚微米级（100 nm～1μm）和纳米级（＜100 nm）包裹体的尺寸很小，需要借助扫描电子显微镜（SEM：Scanning Electron Microscope）和透射电子显微镜（TEM：Transmission Electron Microscope）才能观察到它们的形貌和在石英晶体中的分布。目前，对这类亚微米级（100nm～1μm）和纳米级（＜100nm）包裹体的研究很少，主要集中在有色石英，特别是蓝色的岩浆石英。
因此，现在不确定这类包裹体在一般石英晶体中的含量与分布如何。迄今为止，观察到的亚微米级包裹体包括金红石、锐钛矿、云母、电气石和Al-Si相矿物（可能代表Al2SiO5同质多象体、AlOOH或刚玉）。
3.矿物、熔体和流体包裹体（＞1μm）
天然的石英晶体通常包含流体、硅酸盐熔体和矿物包裹体（＞1μm），这些包裹体可以在普通的光学显微镜下观察。包裹的种类和丰度取决于结晶环境、结晶后的蚀变和变形。如果在石英晶体中包裹体大量存在，那么它们会对石英原材料的化学纯度和质量有很大影响。
流体包裹体是石英中最常见、最丰富的包裹体。它们既可以在石英晶体生长时，为石英所捕获，形成原生流体包裹体；也可以在后期流体沿石英的微裂缝渗透、石英晶体愈合时形成，称之为次生包裹体。有专家在研究广西姑婆山花岗岩和江苏北部张锦庄石英砂时，在二者的石英中均发现了沿石英微裂缝发育的次生流体包裹体；同时在二者的石英中均发现了孤立或成群分布的流体包裹体。流体包裹体中最常见的是水，但在一些情况下，也可见 CO2、CH4、重烃、N2等。
石英中的流体包裹体
来源：杨晓勇，等. 高纯石英的研究进展及发展趋势
硅酸盐熔体包裹体常常出现在岩浆岩，常表现为小的玻璃质或结晶质“气泡”（约 1～300 μm）。相比于流体包裹体，它们在石英晶体中的数量相对稀少。熔体包裹体的成分与石英捕获的硅酸盐熔体成分相对应，主要由 Si、Al、Fe、Ca、Na 和 K 等组成。在岩浆演化晚期形成的伟晶岩中，石英中的熔体包裹体常常包含大量的碱金属元素（如 Li、Na、K、Rb、Cs）、挥发性元素（如B、P、F、Cl），以及一些稀有元素。这些熔体包裹体中的杂质元素会影响石英的化学纯度，是一个主要的污染源。
理论上，寄主岩石中出现的矿物相都可以出现在石英的矿物包裹体中。在岩浆岩中，石英的矿物包裹体主要包括：长石、云母、金红石、磷灰石等，这些矿物大都是岩浆岩的造岩矿物或重要的副矿物。有专家在研究广西姑婆山花岗岩时，在石英中发现了磷灰石矿物包裹体，这是花岗岩中常见的副矿物之一。变质岩中，石英的矿物包裹体则与寄主岩石的变质程度有关；寄主岩石不同的变质程度，对应石英矿物包裹体中不同的矿物组合。在低级变质岩中，石英的矿物包裹体可以包括绿泥石、白云母或角闪石；在高级变质岩中，石英的矿物包裹体可以包括蓝晶石、十字石或石榴子石等。在沉积岩中，除了碎屑岩浆岩石英和变质岩石英中的矿物包裹体以外，在沉积环境中形成的石英（如石英次生加大边等）还会包含硬石膏、石膏、盐类矿物、有机质等在沉积环境形成的矿物。
有专家在研究江苏北部张锦庄石英砂时，在石英砂中的石英中发现了方解石、微斜长石、金红石等包裹体，它们与碎屑石英的源岩有关，关于其形成和源岩还有待进一步研究。
石英中的一些矿物包裹体及其激光拉曼光谱分析
来源：杨晓勇，等. 高纯石英的研究进展及发展趋势
上述的晶格杂质元素（晶格尺度）、亚微米级（100 nm～1μm）和纳米级（＜100 nm）包裹体，以及显微包裹体（＞1 μm）是杂质元素（如 P、Ge、Ti、Al、Fe、B、K、Na、Li、Be 等）在石英晶体内部基本的赋存形式。同时，在石英晶体表面，可以附着其他矿物微晶；在结晶岩中，石英会和其他矿物嵌布。
现阶段，经研磨、分选、磁选、重选、电选、浮选、酸洗、酸浸、加热、焙烧等矿物提纯工艺，可以将石英晶体大部分的表面附着微晶、与石英嵌布的矿物、以及石英晶体中大部分的显微包裹体除去。但对于石英内部的杂质，如晶格杂质元素、可能出现的亚微米级（100 nm～1μm）和纳米级（＜100 nm）包裹体、显微包裹体（＞1 μm），现有手段难以将它们完全地除去，它们的存在将会极大地影响石英的化学纯度和质量。
因此，石英晶体中晶格杂质元素、亚微米级和纳米级包裹体、显微包裹体的数量和分布，是决定石英晶体能否成为高纯石英的重要制约因素。详细查明杂质元素在石英晶体内部的赋存状态、数量和分布特征，对于后续的矿物提纯加工和探讨其工业用途至关重要。
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