挪威和美国一些学者依据用在半导体和光伏产业的石英玻璃的质量要求，认为石英的杂质总含量要小于百万分之50，也就是说SiO₂的纯度要达到99.995%以上，才能称为高纯石英。我国一些学者认为SiO₂纯度达到99.9%或者99.99%以上的石英，就是高纯石英。我国海关总署在统计进口货物分类时，也把“其他含硅量超过99.99%的硅”单独归为一类，而把低于此数值的石英归入“硅砂及石英砂”类。
我国汪灵学者认为，SiO₂纯度大于99.9%的石英即为高纯石英。近年来，新兴起的光伏玻璃、超白浮法玻璃等新型玻璃产业，降低了对SiO₂的纯度要求。因此，综合不同的指标体系，在考虑原料矿石质量、测试手段、现有提纯工艺和行业质量要求的情况下，我国采用的高纯石英的标准是：SiO₂纯度大于99.9%的石英。
严格来说，高纯石英不是一种矿产，而是由水晶、脉石英、石英岩、花岗伟晶岩等矿石作为原料经过提纯后的一种产品。这种高纯度的石英砂在自然界是不存在的，需要从石英矿中开采提纯后才能用于半导体制造。因此，能够提纯生产高纯石英的矿床称为高纯石英原料矿。制备高纯石英砂的最理想选择便是高纯度石英矿原料，石英或石英岩脉很常见，但是高纯度石英矿，尤其是具备经济开采价值的高纯度石英矿却又少之又少。
高纯石英砂是芯片制造不可或缺的原料，是硅产业高端产品的物质基础，而高纯石英原料矿极为稀缺。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。因此，对于全球高纯石英原料矿的分布和开发现状，我们要有所了解。目前，高纯石英原料矿床主要分布于美国、挪威、澳大利亚、俄罗斯、毛里塔尼亚、中国、加拿大等7个国家。除中国外，美国斯普鲁斯派恩（Spruce Pine）矿的高纯石英原料资源规模最大，超过1000万吨；资源量最小的是挪威德拉格（Drag）矿，仅有26.7万吨。
二、全球七大高纯石英原料矿分布
1. 美国
1）斯普鲁斯派恩矿床
斯普鲁斯派恩（Spruce Pine）高纯石英原料矿坐落于美国北卡罗来纳州西部米切尔县（Mitchell County）的斯普鲁斯派恩镇。采矿区有超过100年的悠久采矿历史。石英的杂质元素含量极低，经机械和化学提纯后，制得的高纯和超纯石英主要用于半导体晶体、精密光学玻璃以及光伏、照明等产业。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”（Nelson，2009）。
2）博维尔矿床
博维尔矿位于爱达荷州北部拉塔县博维尔镇（Bovill，Latah County）。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（I-Minerals，2023a）。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。
2. 澳大利亚
澳大利亚的石英资源非常丰富，主要分布于昆士兰州北部、维多利亚州和西澳大利亚州。其中，昆士兰州北部为主要的高纯石英原料矿来源地，目前已发现灯塔（Lighthouse）、糖袋山（Sugarbag Hill）、白泉（White Springs）、石英山（Quartz Hill）等多处矿床。
1）灯塔矿床
矿床位于昆士兰州北部的乔治敦区（Georgetown）。艾恩斯利（Einasleigh）镇在矿区西南16km，是最近的城镇。灯塔矿床由东、西两座状似灯塔、高出地表约440m的石英山峰组成，因此得名。该矿区矿石纯净、呈半透明或乳白色、块状，近直立状充填于断层中。经测试东、西矿体的矿石纯度＞99.9%，主要杂质元素Al、Ti、Fe、P、Ca等含量均较低，经过简单机械提纯后，纯度即可达99.95%以上，证明灯塔矿床为优质的高纯石英原料矿。
灯塔矿（引自ROCKFIRE RESOURCES官网）
2）糖袋山矿床
矿床位于乔治敦区（Georgetown），西北距离乔治敦镇约25km，东距灯塔矿60km。矿石质量极为优质，原位SiO2纯度可达99.99%以上。2016年普查结果表明，矿体长约600m，平均厚度20m，钻孔揭示矿体深度60~80m（Alper，2023）。经取样测试和选矿提纯实验，可制得高纯石英砂纯度达99.995%~99.999%，满足太阳能和半导体产业的质量要求。目前，糖袋山矿床尚未开采和生产高纯石英砂，但其探明和控制的资源量规模可观，可露天开采。
糖袋山矿区
3）白泉和石英山矿床
从乔治敦镇到惊喜山镇（Mt.Surprise）的1号公路沿线分布着白泉和石英山矿。矿床均为热液石英脉型。白泉矿的矿石质量优异，原料SiO₂纯度达99.99%以上，被推断高纯石英的资源量150万吨。石英山矿石原料纯度大于99.5%，预测高纯石英资源量达1400万吨，资源规模巨大。白泉矿可生产的高纯石英砂纯度涵盖99.99%~99.999%，年产高纯石英砂3万吨，应用于光伏和半导体产业领域。目前，石英山矿床尚未进入开采期。
4）克雷西克矿床
矿床位于澳大利亚维多利亚州（Victoria）中南部的克雷西克区（Creswick）。矿床为金矿尾矿型，由19世纪淘金热开采金矿废弃后的尾矿组成（Hughes，2013） 。矿石是尾矿中6～200mm的石英砾石，质量优异，杂质元素含量低，尤其是B和P含量很低，可用于液晶显示器、光伏、半导体、光学玻璃等产业。经澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）采用传统机械和化学提纯工艺处理后，制得的高纯石英砂SiO₂纯度可达99.995%。
3. 俄罗斯
在俄罗斯乌拉尔山脉的东侧，有2处高纯石英矿床，分别是亚极地乌拉尔的萨兰保尔(Saranpaul)矿床和南乌拉尔的克什特姆(Kyshtym) 矿床。其中，克什特姆矿的规模较大，开发程度高，其高纯石英产品质量优，在国际市场占有一定比例。
1）克什特姆矿床
克什特姆矿床位于俄罗斯车里雅宾斯克州（Chelyabinsk）的克什特姆市( Kyshtym)，东南距离车里雅宾斯克市100km。矿床为热液脉石英型。矿区总长15km，宽1~3km，面积20km²，石英储量136万吨。矿床开发始于20世纪60~70年代，至今已超过50年。早期采矿主要用于建筑材料、玻璃等传统行业。2011年之后开始开采生产高纯石英砂。2023年产能预计达6000吨/年，矿山可满足满负荷生产30年服务年限。
2）萨兰保尔矿床
萨兰保尔矿床地处俄罗斯汉特－曼西自治区（Khanty-Mansi Autonomous Okrug-Ugra）别列佐夫斯基区（Berezovsky District）的西北缘，东南距萨兰保尔村( Saranpaul＇)85km。矿床为热液脉石英型。矿石呈半透明－透明状，玻璃光泽。根据2014年矿区的勘探报告，可用作高纯石英的资源量为33万吨 （Development Corporation JSC，2017）。此外，在矿区范围外发现有多条尚未勘探的石英脉，远景资源量可能更为可观。
4. 毛里塔尼亚
1）乌姆阿奎尼纳矿床
矿床位于毛里塔尼亚西部的努瓦迪布湾省（Dakhlet Nouadhibou），西距努瓦迪布（Nouadhibou）港口130km。矿床为热液脉石英型。矿石呈浅灰色的半透明状、光滑透明状，部分采样矿石的SiO2含量大于99.8%。地表出露的矿体表现为破碎的大块脉石英砾石，其上覆盖少量红土。石英的推断资源量为500~1000万吨(Feytis，2010)，但因缺少钻孔验证和测试分析以及必备的选矿实验，可用作高纯石英原料的资源量不明。截至目前未进行有效的采矿活动。
乌姆阿奎尼纳矿床
2）查米矿床
查米矿床位于努瓦迪布湾省（Dakhlet Nouadhibou）东部，距乌姆阿奎尼纳矿20km。矿床成因、矿石类型、围岩、赋存特征与乌姆阿奎尼纳矿类似，矿石呈半透明状、光滑透明状，矿石SiO₂含量为98% ~99.9%。表层2.7m以上矿体的高纯石英原料探明储量72.5万吨; 2.7m以下矿体可延伸至8m，探明储量有进一步扩大的空间。
毛里塔尼亚优质石英矿
5. 加拿大
在加拿大魁北克省东南部约翰比兹湾（Johan Beetz Bay）的海岸带，10条北东－南西向的热液脉石英矿体出露地表，即约翰比兹高纯石英原料矿。结果显示矿石的SiO₂含量为98.7%~99.6%，杂质元素B和P的平均含量分别低于0.25×10-6和0.2×10-6，可用来生产光伏石英坩埚。在计入采矿损失后，2号脉和9号脉地表矿体的高纯石英控制资源量分别为174.3万吨和50.7万吨，合计225万吨（Bathalon，2014）。
约翰比兹湾(Johan Beetz Bay) 海岸带
6. 挪威
作为南北狭长的山地之国，挪威的石英资源非常丰富，并且拥有TQC、埃肯股份（ Elkem ASA）等全球石英产业巨头。挪威地质调查局根据境内石英矿石的测试数据，还提出一套基于晶格杂质元素含量的高纯石英质量评价指标（Müller et al., 2007; Müller et al., 2012）。当前，北部的德拉格矿床和南部的内索登(Nesodden) 矿床是挪威主要的高纯石英原料产地。
1）德拉格矿床
德拉格矿区地处挪威北部诺尔兰郡廷斯菲尤尔峡湾（Tysfjord）西侧的德拉格村（Drag）附近，由分布在方圆5km2的数十个伟晶岩型的石英矿体组成。石英晶体纯净，粒径平均6mm，Al、Ti、Li、B等晶格杂质元素均达到高纯石英原料的质量要求（Müller et al，2012）。德拉格矿区的开采始于1907年。早期的矿山以露天方式开采伟晶岩中的钾长石，到了1996年开始采矿生产用于光学、照明设备、光伏的高纯石英砂。
德拉格矿区地质简图
2）内索登矿床
内索登矿（Nesodden）位于挪威西南部的霍达兰郡的克文赫拉德市（Kvinnherad）。矿体长约580m，宽15m，延伸150m，矿石中的石英晶体较大。截至目前，尚未开采内索登高纯石英矿。但是，该矿对高纯石英砂及制品行业具有相当大的影响。矿床的资源量大且矿区高纯石英的后备资源相当丰富。在断裂带北段也发现了克瓦维克（Kvalvik）热液脉石英矿，推断资源量70万吨，其矿石质量与内索登矿类似，可用作高纯石英原料。
内索登矿区地质简图
7. 中国
近年来，我国一些石英砂矿山企业正努力研发高纯石英的提纯工艺，取得了突破性进展。湖北蕲春、江苏东海、安徽旌德和太湖等地的优质热液脉石英可能具有高纯石英原料的潜力(焦丽香，2023)。灵虬山脉石英矿位于湖北省蕲春县西北约20km的横车镇。钻孔取样分析结果表明，矿石几乎全由石英组成，晶体粒径1~2mm。矿石SiO₂纯度＞99.35%，Al2O3＜0.22%，Fe2O3＜0.02%。目前，灵虬山石英矿采用露天开采，其设计矿山规模为年采1.5万吨矿石。
中国高纯石英砂
三、“超级硅”大本事
高纯石英是光纤通讯、光伏、半导体等必不可少的关键材料，在电子信息、新材料和新能源等战略性新兴产业以及国防军工中具有十分重要的地位和作用，是世界公认的战略性关键矿产资源，日本、欧盟将其列为关键性矿产，俄罗斯已经要求不再公开高纯石英的开采量和使用量。
1. 信息技术领域
高纯石英原料可用于制作晶体管、存储器和集成电路（芯片）等；用于制作通讯领域的石英光纤，玻璃基板，半导体化合物单晶及其生长用的容器，光掩模基板，高纯石英坩埚等；用于制作石英晶体振荡器的压电水晶等；石英球形微粉用作大规模集成电路封装覆铜板以及环氧塑封料填料。
2. 新能源领域
将金属硅转变成四氯化硅或三氯氢硅，经分离提纯后由氢还原制成多晶硅。将超纯多晶硅置于石英坩埚中用提拉法制成单晶硅。单晶硅或多晶硅用于制作太阳能电池组件，石英玻璃用于核聚变激光点火装置。
3. 新材料领域
石英纤维可用于制造火箭的喷火口等高温部件；电子级硅微粉主要用于电子原件的塑封料和包装料。
4. 电子信息领域
用于光通讯、电子信息、集成电路基板、高端光源等。
5. 高端制造领域
石英玻璃用于普通及精密光学透镜、航空航天器的光学系统、红外线搜索与跟踪测量的光学系统、显微光学仪器等窗口材料；石英球形微粉陶瓷复合材料用于飞机、火箭、卫星等防热瓦片，也是导弹天线罩的主要材料之一；石英玻璃纤维用于军事飞行器雷达罩。
通过上述的介绍，相信大家能够看出，虽然石英是一种非常普通且常见的矿物，但高纯石英却是一种稀缺的矿物原料，是新能源、新材料等新兴产业领域不可缺少的矿物资源。保障高纯石英供应渠道、建立自主供应链，对国家安全和经济社会运行，以及国与国之间的竞争都具有至关重要的战略价值。因此，我国需要加大对高纯石英原料矿石的质量评价和潜力评估，对优质石英原料进行保护性开采，并且研发先进的提纯工艺技术流程，力争早日实现高纯石英砂和超纯石英砂的规模性商业生产，保障国家高纯石英供应安全。
四、我国高纯石英的供需形势
战略性矿产是具有中国特色的新概念，它是指对一个国家（地区）经济建设、社会发展、国防安全所必需的，但国内供应无法满足需求（对外依存度高）且国外供应渠道脆弱（进口集中度高）、或者本国具备资源产能优势又被他国高度依赖的重要矿产资源，我国称为战略性矿产。
我国战略性矿产概念的提出，有助于进一步重视战略性矿产的保护与开发利用，通过加强战略规划、战略性矿产目录、形势分析与预警、经济技术与生态评价、科学技术研究与创新、信息利用等方面的制度建设，确保战略性矿产的安全稳定供应，保障国家经济安全、国防安全和战略性新兴产业发展需求。高纯石英具有重要的战略地位，是高新技术产业的基础原材料，为确保战略性新兴产业的发展，建议将高纯石英列入战略性矿产目录清单。
1. 生产供应现状
我国生产高纯石英的原料为脉石英和水晶，由于国内水晶资源接近枯竭，因此，国内主要采用脉石英为原料生产高纯石英，但受矿石品质的限制，生产出来的品质主要为低端高纯石英，高纯石英目前被少数企业垄断。
美国尤尼明是世界上领先的高纯石英生产商，其高纯石英砂原矿为北卡罗来纳州Spruce Pine地区的花岗质伟晶岩，具有矿体规模大、石英中流体杂质少、矿石品质稳定等优点，尤尼明的高纯石英砂市场份额在全球市场中具有绝对垄断地位。挪威TQC加工高纯石英的原料来自Spruce Pine和挪威当地的石英，公司在挪威每年被许可生产30000t的高纯石英。中国江苏太平洋石英股份有限公司是石英材料行业的龙头企业，其原材料除少部分精选自东海地区独特的石英矿石外，还不断在全球范围内寻找优质石英矿源，并具备相当数量的战略储备。由于国内适用石英矿资源较少且环保要求趋严，石英股份石英石基本外购，2023年海外采购石英石占比为93.32%，主要采购于巴西、非洲、印度、美国等国家和地区；主要供应商较为稳定，且签订长期框架协议。石英股份是全球少数掌握规模化量产高纯石英砂技术的企业之一，2023年高纯石英砂产能为2万吨/年。
总体来说，我国高纯石英生产技术起步较晚，2010年以前，我国高纯石英一直依赖进口，国内高纯石英砂市场基本被美国尤尼明公司所垄断。石英材料产业链中，上游石英砂高度垄断，中游石英玻璃和石英制品中低端产品厂商差别较小，竞争激烈，高端产品国内供应商较少。
2. 需求情况
高纯石英是半导体行业、光伏、光纤、电光源、航天航空等领域不可或缺的重要支撑材料，我国是高纯石英消费大国，2014年以来高纯石英消费量呈增长趋势，由2014年的517.8万t增长到2018年的804.6万t。受资源限制，2023年我国石英类产品进口量277.01万t；其中SiO₂纯度99.99%的超高纯石英进口量14.54万t，进口价格高达9044.54美元/t。自2011年以来，石英类产品进口量呈快速增长趋势。
近年，光伏、半导体、光纤等需求的增加拉动高纯石英砂需求快速增长。在半导体行业，根据市场调查机构全球半导体行业协会（SIA）最新发布的报告显示，2023年全球半导体销售额为5559亿美元，创历史新高，同比增长26.2%。中国市场销售额为1925亿美元，仍是全球最大的半导体市场，同比增长27.1%。随着物联网、区块链、汽车电子等多项技术的发展，半导体、芯片设备增长明显，将拉动半导体用石英需求的增长。在光伏行业，随着国家政策的支持、行业技术的进步，发电成本将进一步降低，我国光伏产业存在巨大的市场空间及发展潜力。随着光伏行业的迅速发展，单晶用电弧石英坩埚需求量随之走高，带动高纯石英砂需求持续放量。在通信行业，中国已成为全球最主要的光纤生产和消费大国，光纤市场将进一步释放需求，带动石英材料需求量相应提升。在电光源行业，随着LED对白炽灯的替代加快，LED市场规模和渗透率不断提升，石英管作为LED的制作原料，市场需求也会不断增加。在航空航天领域，石英纤维是航空航天不可或缺的战略材料，需求前景非常广阔。
综上，我国是高纯石英消费大国，中低端产品自给有余，但高端产品仍然高度依赖进口，可用于生产高纯石英的原料规模小，资源禀赋较差、供需形势严峻。
五、结论
当前，加快产业发展，尤其是战略性新兴产业，实现中国制造历史性飞跃，是我国的国家战略目标之一。战略矿产在战略性新兴产业发展中具有不可替代的作用，对我国的经济发展、国计民生和国家安全具有重大的战略意义。
近年来，随着新兴产业的发展，例如新能源、半导体、航空航天等领域的发展，高纯石英的需求也极大地增长。虽然我国石英矿产资源丰富，但是由于生产成本和提纯工艺的限制，高纯石英的供应能力弱，进口量大。对于高纯石英及其原料的核心技术突破还有许多工作要做，因此，建议将高纯石英列入战略性矿产目录清单，从政策法规及国家战略层面上加大石英矿产资源的勘察力度，寻找优质的高纯石英原料，加强对高纯石英的研究，减少我国高纯石英的对外依存度，提高我国在高纯石英行业的话语权。
来源：前沿材料
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