石英(Quartz)是一種氧化物礦物,在自然界中廣泛存在于巖漿巖、變質巖、沉積巖和熱液脈體中,是重要造巖礦物和巖石圈的重要組成部分,屬于火山成因塊狀硫化物型、低溫熱液型。石英一般指低溫石英(a-石英),是石英族礦物中分布最廣的一個礦物種。廣義的石英還包括高溫石英(b-石英)。石英的化學成分主要是SiO2,并含微量的雜質元素鐵(Fe)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鉀(K)、鈉(Na)、鍺(Ge)等。
石英晶體堅硬而無解理,貝殼狀斷口,莫氏硬度為7,密度為2.65 g/cm3,折射率為1.544~1.553,雙折射率為0.009,色散為0.013(低),具壓電性石英透明至半透明,具有玻璃光澤,斷口有油脂光澤,因含微量色素離子或細分散包裹體,或存在色心而呈各種顏色,并使透明度降低。石英的顏色多種多樣,常為無色、乳白色、灰色,又有粉紅色、藍色、綠色、紫色、紫黃色、黃至橘黃色、淺紅至棕色、棕色、黑色、灰褐色等。石英的光性特征為一軸晶正光性。同時,石英具有貓眼石效應和星光效應。
石英的主要產地為巴西、馬達加斯加、美國、瑞士、玻利維亞、法國、德國、哥倫比亞、印度、澳大利亞、加拿大、斯里蘭卡、日本、中國、墨西哥、秘魯、阿富汗、巴基斯坦、尼泊爾、烏拉圭、俄羅斯、贊比亞等。
石英塊又名硅石,主要是生產石英砂(又稱硅砂)的原料,也是石英耐火材料和燒制硅鐵的原料。石英可以制成各種玻璃,還廣泛用于電子工業、鑄造、陶瓷、冶金、建筑、化工、塑料、橡膠、光學通訊、磨料磨具、珠寶、醫藥等多方面。
2017年10月27日,世界衛生組織國際癌癥研究機構公布的致癌物清單初步整理參考,石英或方石英形式的晶狀硅塵在一類致癌物清單中。石英粉塵會損傷呼吸系統,對眼睛和皮膚有刺激。
主要特征
礦物組成
石英是由二氧化硅組成的礦物,化學式SiO2。純凈的石英無色透明,因含微量色素離子或細分散包裹體,或存在色心而呈各種顏色,并使透明度降低。石英在自然界中廣泛存在于巖漿巖、變質巖、沉積巖和熱液脈體中,是重要造巖礦物和巖石圈的重要組成部分。據統計,巖漿巖、沉積巖和變質巖中的石英總量分別占巖石圈石英總量的93.6%、3.2%和3.2%。其中,花崗石含有25~40%的石英;頁巖含有22%的石英;砂巖含有67%的石英。暴露在上地殼的礦物組成中,石英約占20%,僅次于長石(約占35%);在上地殼整體的礦物組成中,石英約占23.2%,也僅次于長石(約占39.9%)。
水晶的包裹體也是多種多樣,有電氣石、金紅石、陽起石、綠簾石、云母等。水晶本身并無顏色,因此能有效地映襯出里面的包裹體。石英的伴生礦物為“冰長石”、鈉長石、方解石、綠泥石、綠簾石、伊利石、黃鐵礦、絹云母。石英的副礦物為磷灰石、磁鐵礦、金紅石(銳鈦礦)。
物理特征
石英晶體堅硬而無解理,貝殼狀斷口,莫氏硬度為7,密度為2.65 g/cm3,折射率為1.544~1.553,雙折射率為0.009,色散為0.013(低),具有壓電性。石英透明至半透明,具有玻璃光澤,斷口有油脂光澤。石英的導電性隨加熱而迅速增大。結晶石英的導熱性隨溫度的升高而降低,而非晶質石英的導熱性卻隨溫度的升高而增大。石英不溶于水。
石英的顏色多種多樣,乳白色者稱為乳石英,紫色者稱為紫水晶,淺玫瑰色,致密半透明者稱為薔薇石英(rose quartz),煙色透明者稱為煙水晶,褐色者稱為茶晶等。此外因包裹體不同,還有灰色、灰褐色、綠色、藍色等。
石英的光性特征為一軸晶正光性。具有獨特的左旋或右旋旋光性,從而造成中空十字的“牛眼”狀干涉圖,或是變形的螺旋槳狀的黑“十”字干涉圖。同時,石英具有貓眼石效應和星光效應。
化學性質
石英性質穩定,在一般溫度下,石英不溶于除氫氟酸以外的任何酸;長時間加熱,則能在相同的溶劑內觀察到石英明顯的溶解。石英在堿、水玻璃溶液中,尤其在加熱下,溶解得更厲害。氫酸是石英最好的溶劑,經氫氟酸作用后,石英就產生溶解于水的硅氟氫酸。
結構特征
石英是主要造巖礦物之一,一般指低溫石英(α-石英),是石英族礦物中分布最廣的一個礦物。廣義的石英范疇包含高溫石英(β-石英)、柯石英等類型,但依據嚴格定義,蛋白石(非晶質)、玉髓(隱晶質)、柯石英(假六方晶系)、方石英(四方晶系,高溫下呈立方晶系)等變體礦物并不屬于石英礦物。石英的化學式為SiO2,是由硅原子(Si)和氧原子(O)組成的硅氧四面體[SiO4]在三維空間有序排布形成的氧化物礦物,其中一個氧原子(O)與兩個硅氧四面體[SiO4]相連。晶體結構為三方晶系,晶體柱面較發育,但在巖石中多呈他形粒狀,其空間群為P3121或P3221,a0=0.491nm,c0=0.541nm。為架狀硅氧骨干,骨干外沒有其他陽離子。
常見的石英原石晶體大約有五種,屬三方晶系(Trigonal CrystalSystem)。圖A和圖B是石英晶體較常出現的形狀;圖C由菱形六面體為主導;圖D由六面錐體為主導,似兩座金字塔的底部相粘在一起;圖E的晶體,通常附有電力。石英晶體還會出現左旋晶體和右旋晶體,可以根據它特殊的x面來判斷是左旋還是右旋。
普通常見的石英都是低溫石英,是三方對稱的,即三方晶系,這種石英的透明晶體稱為水晶,水晶在低于573℃正常壓力的環境下是穩定的。加熱超過573℃時,轉成高溫石英,成六方對稱,即六方晶系,其穩定范圍介于573~870℃之間。在870~1470℃范圍內穩定存在的是鱗石英,還是六方對稱,但是晶體成為片板狀了。穩定于1470℃和1710℃間的二氧化硅變體為方英石,成立方對稱,晶體也變成立方形或八面體了。溫度高于1710℃時,石英開始熔化。熔化的二氧化硅在室溫條件下能冷凝成結晶不明顯的熔體,這種石英稱為熔煉石英、非晶質石英或石英玻璃。除上述5種二氧化硅變體外,還存在兩種不穩定的鱗石英變體(β,γ)和一種不穩定的方英石變體(β)。
除此之外,石英還存在雙晶、連生、歪晶、集合體的現象。
常見的石英雙晶,有三種。道芬雙晶,是兩個左旋石英或是兩個右旋石英是在一起構成的,兩個晶體的C軸方向完全一致。但是其中一個晶體順C軸轉了60°,而長成一個單獨晶體。巴西雙晶,是左旋石英及右旋石英合成的,C軸方向平行一致。這類雙晶常常發育成薄板狀。日本雙晶的雙晶面是三方錐面,這樣結合的雙晶兩單晶C體的軸成84°34’相交。有時候雙晶的接合面也很規則。
石英晶體常有兩個連生在一起,連生的方法。有時一個晶套在另一個晶體上邊,好象人戴帽子一樣,所以叫作“帽晶”。有時候,一個晶體包裹著另一個晶體,好象晶體里面還有鬼魂一樣,所以叫它“魔晶”。這些連生都是一次晶體生成以后,再有溶液進來,或者附著在第一個晶體上面,或者包裹著第一個晶體構成的。可以表示石英在生成時,經過兩個階段。
歪晶的形成多半是一個或幾個晶面特別發育,把其他晶面擠掉了,或者擠得只剩一小點,使它整個形體都變了樣子。下圖是石英的幾種歪晶的樣子。雖然形狀不像石英,但是它們的柱面上都毫無例外的有水平的線紋,根據整個條件還是可以確定它是石英的晶體。
自然界石英很少有單個生長的,普通都是許多晶體聚生的集合體,通常石英的集合體構成晶簇的一部分。
形成原因
石英在自然界分布極廣,是許多火成巖(巖漿巖)、沉積巖和變質巖的主要造巖礦物。石英又是花崗偉晶巖脈和大多數熱液脈的主要礦物成分。
巖漿巖,是由于地殼深部熔化的物質(熔融巖漿)運移到地殼中或噴出地表時,會發生冷凝結晶和固化,在此過程中礦物依次從高溫到低溫結晶析出而形成。巖漿巖在高溫下偏向基性巖,低溫下偏向酸性巖;其中酸性巖和中性巖的主要礦物就包括石英。石英在酸性火山巖中常呈斑晶出現,由于其性質穩定常集中形成砂礦。沉積巖,是由于地表巖石(包括已有的巖漿巖,變質巖和沉積巖)在漫長的地質時期中風化的產物,經過風、流水等的搬運,在某些低洼地方沉積下來,再經過膠結壓實固化最終形成。變質巖,是在高溫高壓環境下,先前已經存在的巖石(包括巖漿巖,沉積巖、變質巖)發生各種物理和化學變化,使其中的礦物發生重結晶或交代作用,進而形成新的礦物組合或新的結構構造的過程,或由構造作用使原巖發生破碎和細粒化的過程而形成。脈石英礦床產出的大地構造環境為地縫合帶附近、弧后巖漿帶及其繼承性地區,含礦熱液充填作用形成。硅化巖石分帶現象見于多種熱液體系中,其中硅的沉淀一般是流體溫度降低的結果。在火山成因塊狀硫化物礦床,硅化作用是熱液通道附近最為常見的現象,但也可能影響到礦體下盤最上部50 ~ 100 m的范圍。淺成熱液體系中的硅化作用可能在較大范圍(≥ 100 m2)內呈透入性產出,這可能與絹云母和“冰長石"有關,有時也可能與成礦作用有關。在這兩種環境,硅化作用可能受構造控制,圍繞脈石英或網脈帶形成包絡層,也可能受透入性更強的地層單元控制。偉晶巖一般認為是由殘余巖漿結晶而成,這種巖漿富含添發性組份。
自然界產水晶的工業礦床,只有熱液型和偉晶巖型兩類。工業用的塊狀石英主要來源于脈石英,而比較純的脈石英主要成因類型也只有熱液型石英脈和分異良好的偉晶巖石英脈兩種。沉積作用所形成的砂粒狀硅質巖,稱為石英砂巖。石英砂巖經變質作用而進一步術結硬化后,叫石英巖。硅質巖石經風化成疏松粒狀的石英堆積物則叫石英砂。
自然界生成的石英,最常見的是低溫類型,當然也有高溫的。因為高溫的不穩定,逐漸變為穩定的形體。但是石英在1713°C以下,已經變成固體,有了一定晶形。這時溫度低下來,晶形不易改變,只有內部分子變為低溫石英的排列,外形不受影響。這種現象叫作“同質假象”。正是由于這種現象,石英才能作為“地質溫度計”。
分布區域
石英存在廣泛,除了不存在于超基性基礎巖(橄欖巖、輝長巖、玄武巖)和高血鉀中(霞石正長巖、響石等),主要產于偉晶巖晶洞中,也產于熱液礦脈或花崗石、片麻巖及砂巖中。地質學家曾統計,在自然界的3000多種礦物里,竟有200余種和石英結下不解之緣。美麗的石英晶體被發現于金屬熱液礦脈和高山槽中,也存在于風化的火山巖囊泡中(因此才形成晶洞)。
石英的產地包括巴西(所有顏色品種的石英的主要產地)、馬達加斯加(紫水晶、黃水晶、芙蓉石)、美國(水晶石、莫里恩)、瑞士(水晶石和墨晶)、玻利維亞(紫黃晶)和法國(水晶石和紫水晶)等,以及德國、哥倫比亞、印度、澳大利亞、加拿大、斯里蘭卡、日本、中國、墨西哥、秘魯、阿富汗伊斯蘭共和國、巴基斯坦、尼泊爾、烏拉圭、俄羅斯、贊比亞等。其中,中國的產地包括江蘇省、貴州省、重慶市、廣西壯族自治區、青海省、福建省、云南省、四川省、黑龍江省、河南東秦嶺、新疆阿勒泰市等地區。
應用領域
玻璃工業
高純二氧化硅是由二氧化硅單一組分構成的特種工業技術玻璃,具有一系列特殊的物理和化學性能,并被新材料領域專家譽為“玻璃之王”。其優點如下:極佳的光譜特性,從紫外到紅外極寬的光譜范圍內的光學透過能力(T157-4000 nm ≥ 80%),尤其在紫外和深紫外光譜范圍內的透過性能是一般光學玻璃所不具備的;優良的耐高溫性能,其軟化點是1650℃,與白金的熔點相近,能在1100℃下使用,短時間可達到1400℃;熱膨脹系數極小(5.5×10-7/℃),僅為陶瓷的1/6和普通玻璃的1/20;耐急冷急熱,將透明高純二氧化硅燒至紅熱,放在水里也不會炸裂;高介電場強度,低介電損失和極低的導電性,是極好的絕緣材料;較高的純度,人工合成石英玻璃的金屬離子總含量可控制在1×10-6以內;同時經過摻雜的石英玻璃具有其他特殊性能,如光譜特性和超低膨脹系數等。石英玻璃現已成為近代科學技術和現代工業不可或缺的重要材料,在航空航天、激光核技術、半導體集成電路、光電器件和精密儀器等高技術領域具有廣泛的應用,主要作為精密光學系統透鏡、反射鏡、棱鏡和窗口等的材料,也被用來制作電視機的顯像管、照相器材,其性能直接制約著相關裝備的分辨率﹑精度、穩定性和可靠性等性能。
石英玻璃具有很好的透明度,耐酸性能非常好,除氫氟酸和磷酸外,任何濃度的有機酸和無機酸甚至在高溫下都極少和石英玻璃作用。因此,石英玻璃是痕量分析用的好材料,如石英折射計、光譜儀等。在高純水和高純試劑的制備中也常采用石英器皿。
石英也用來制造平板玻璃、安全玻璃、信號玻璃、玻璃纖維,它是形成硅酸鹽玻璃的骨架氧化物,決定著玻璃的主要性質。
熔融石英陶瓷也稱作石英陶瓷,最早由美國Georgia理工學院在20世紀60年代研制成功并于1963年實現產業化,是一種以熔融石英或者高純二氧化硅為原料,經過粉碎、成型、燒結等工藝而制成的燒結體。熔融石英陶瓷具有熱穩定性好、熱膨脹系數小、介電常數低、耐酸堿腐蝕性好、電絕緣性好、成本低等一系列優異性質,故自問世以來,迅速在耐火材料和中等溫度下抗拒溫度激烈變化的結構材料應用中得到了推廣,其應用領域正逐步擴大,已經涉及到了包括載人飛船、火箭、導彈、雷達、鋼鐵、冶金、玻璃等諸多領域,是一種很有前途的陶瓷材料。
石英也用來制造鏡片,即久負盛名的水晶眼鏡,戴上以后,令人感到光線柔和而均勻,有提神養目之功效。
電子工業
水晶的壓電現象十分敏感,能測出非常微小的力。如果將具有壓電現象的晶片接到交流電的回路上,它就會隨著交流電的頻率而振動——一會兒膨脹,一會兒收縮。如果改變交流電的頻率,使它與晶片的固有頻率同步時,晶片就會劇烈振動,產生超聲波。晶體中沒有任何包裹體,無雙晶或裂縫的部分用作壓電材料,用于石英鐘、石英表、計算機中的石英芯片、衛星定時器、諧振器、濾波器。當對振蕩頻率的精確度和穩定性要求較高時,自然會選擇石英晶體振蕩器。在電子設備中把壓電水晶片用作標準頻率穩定器,頻率誤差小于億萬分之一秒。壓電石英最普遍的用途是裝在海上航行用的回聲探測器的儀器上,這種電子儀器在戰爭中發揮的作用巨大。回聲探測儀也廣泛地用在和平事業上,如今已在海洋地質、地貌、海上航行中應用。壓電水晶應用于水晶諧振器、濾波器,使電子儀器更加完備,不受外界的干擾,可以準確地辨認任何極其微弱的信號,因此,能廣泛地應用于人造衛星、航天飛機、超音速飛機、導彈、雷達、電子計算機、電子顯微鏡、遙控、遙測儀器、電視機等各種裝置上。
石英制作的石英溫度計,具有高精度、高分辨率(0.0001℃),高線性度(0.002%)和高穩定性等特點,適于中、低溫測量,也被作為量值傳遞的標準溫度計。
在半導體領域中,幾乎所有工序從生產輔助部件到用于實際硅片加工的工具都或多或少地使用石英制品。石英堝用于制造單晶硅,石英玻璃鐘罩用于光刻工程,石英管制作的石英舟和石英支架可以用于IC外延、擴散和光刻工程等。半導體行業的快速發展將帶動上游高純石英材料的需求增長。高純石英礦具有耐高溫、耐腐蝕、低燒膨脹性、高絕緣性和透光性這些特點,是半導體、光伏等產業必不可缺少的關鍵基礎材料。
陶瓷工業
石英是組成陶瓷的骨架,配料中加少量石英使制品堅固耐久。石英也是非可塑性原料,它與粘土在高溫中生成的莫來石晶體能賦予瓷器較高的機械強度和化學穩定性,并能增加坯體的半透明性,因此成為配制白釉的良好原料。
機械、鑄造工業
利用石英礦物的高熔點特性,制成鑄鋼件的砂芯;在噴砂工藝中利用石英礦物的高硬度特性,進行清潔磨光作用。
磨料、磨具工業
石英礦物耐火度高、硬度高,適于合成磨料和磨具等。碳化硅是常用的一種人造磨料,礦物組成為SiC,按色澤分為綠碳化硅和黑碳化硅兩類。綠碳化硅雜質少,硬度比黑碳化硅高,切削力強,自銳性好,用于磨削硬合金工具、量具以及作寶石和光學玻璃的精密磨削;黑碳化硅主要磨削非金屬材料和壓延性較好的有色金屬,如陶瓷玻璃、鋁、黃銅、錫等。色澤差的瑪瑙和玉髓被用于制作研磨器具,如造紙生產中作紙漿磨具。
化學工業
石英礦物具有高純度及其化學穩定性,可制備硅酸鈉,又稱硅酸鈉或水玻璃。礦物組成為Na2O·nSiO2。按其形態分為固體和液體兩種。固體泡花堿主要作為煉油工藝中的催化劑;液體泡花堿主要作為紙箱用粘結劑、防水和防銹涂料、土壤加固劑、混凝土和木材表面防護劑和飾面材料等。
光學通訊
在光纖通信領域,高純高純二氧化硅產品是光纖生產過程中的重要材料,應用于光纖預制棒制成和光纖拔絲工藝中。石英還被用于微波通訊。
建筑材料
石英主要用作各種高級涂料的填料和外墻彩砂。石英在涂料中可防止涂層收縮老化,增加涂層的質感。在各種混凝土和砂漿材料中,石英砂是不可缺少的細集料。此外還可作硅酸鹽水泥的校正料。
冶金
石英在冶煉金屬過程中起增溫、造渣、脫硫、脫氧的作用,是冶煉硅金屬、硅鐵、硅鋁合金的原料或添加劑和熔劑。石英是生產硅質耐火材料的主要原料,硅質耐火制品是應用廣泛的酸性耐火材料,主要用于冶金砌筑等。
珠寶行業
瑪瑙、紫水晶、薔薇石英等可作寶玉石材料。通常石英結晶良好、個體較大的晶體或晶塊就被稱為“水晶”。在寶石領域,不僅色彩美麗的水晶是重要的珠寶玉石資源,就是那些由結晶細小的隱晶質或細晶質石英參與組成的許多不同種類的巖石,也是玉石和彩石的重要來源。如東陵玉、晶白玉、密玉等。
石英晶體是人們最早認定的護身符之一。最先流行的形狀是珠子和印章,而具有神秘色彩的“魔法球”實質上就是白水晶。在北美和歐洲,人們認為神靈隱藏在吉普賽神秘讀心術中,因此水晶球被看作是擁有占卜魔力的特殊法器。今天,在西方和中國,還有不少人將透明的水晶陳設在家中,期待全家平安。古埃及人將死人放在鏡子的前面,并在其額頭上擺放水晶以凈化靈魂;吉普賽人將透明水晶球用來占卜和觀察未來;超能力的巫師表示,水晶具有吸收人類壞情感的神力,將水晶置于額頭上能吸走心靈上的恐懼和不安等負面情緒,而使人心情豁然開朗。
醫藥行業
中醫認為石英味甘,微溫,無毒。中國藏醫認為石英味澀,性寒,可清熱解毒。
歷史
文化傳說
石英和人類的關系遠在有史以前。人類學家普遍認為,奧爾德沃文化的石器工具是最早的人類早期祖先制造工具的證據。這些包括石英和石英巖在內的巖石碎片是被我們的祖先有意制成刮刀、錐子和斧頭的,好用來獲取食物,砍倒樹木,去除樹枝,處理獸皮制成衣服、帳篷和容器。在石錘擊打下,石英和石英巖工具會變鈍。周口店鎮發現了世界著名的“北京人”,他們用的石器好多都是石英的。北美的印地安人墳墓中,找到完美的石英晶體,有的地方發現瑪瑙制成的箭頭。當然在初有文字記載的時候,也就有了石英的記載。確實有石英記載的,要算是山海經了。已經把礦物巖石分成了七十三種,并且指出它們的產地。那時對于石英稱為“水玉”,記載水玉的地方有七處。目前已在法國、瑞士和西班牙發現公元前75000年原始人類使用的石英物件的遺跡。紫水晶在公元前25000年的法國地區就被用為裝飾性寶石,并且在歐洲不同地區已經發現新石器時期人類使用的石英物件的遺跡。
發現歷程
公元前4000年,中東地區出現圓柱狀石英印章。在公元前3100年,古埃及人將石英作為護身符、印章以及裝飾性寶石。因為石英無瑕的透明度,古希臘人和古羅馬人將這種寶石廣泛使用。
在中世紀和歐洲文藝復興時期,石英被用來雕刻成器皿提供給貴族和教會使用;日本人和中國人雕刻這種材料的歷史也已達數百年之久;而身處地球另一邊的瑪雅人、前阿茲特克帝國人、阿茲特克人和印加人同樣如此。日本人也曾將石英認定為“最完美的寶石”:純潔的象征,無限的空間、耐心和堅持。在北美和緬甸的部分地區,石英被認為是有生命的存在。美洲原住民徹羅基族人不僅將它作為捕獵時的護身符,還定期用鹿血來“喂養”寶石;緬甸人也用類似的方法來養護石英。
1727年,巴西紫晶出現在歐洲市場上,當時它風靡一時且價格高昂。不久以后,來自烏拉爾山脈礦區(于1799年被發現)和巴西的紫晶開采增加了紫晶的供給量,紫晶價格也隨之下跌。希臘人相信紫晶能防止人們迷醉(希臘語中“amethstos”的意思是“不醉的”)。傳說紫晶還能夠平息人們的怒火、緩解過度激情。在中世紀的歐洲,紫晶被作為戰場中保護士兵的護身符,也被認為能使人在生意場上變得更加精明。
幼發拉底河流域的蘇美爾人以及公元前3100年的古埃及人都曾使用過煙晶。從古羅馬時期遺留下的煙晶制成的珠子也很常見。這種寶石在納瓦霍人(美國最大的印第安部落)以及美國原住民當中十分流行。人們將來自蘇格蘭一座名為Cairngorms的山脈的煙晶稱為cairngorm(煙晶),這些石頭常被用來鑲嵌在女士胸針和匕首的手柄之上。
芙蓉石因其獨特的粉紅至玫瑰紅色而命名,最早在公元前800~前600年被美索不達米亞地區奴隸制國家的亞述人使用,之后古羅馬人也開始使用這種寶石,但總體來說芙蓉石在過去的珠寶行業里并不是那么流行。如今,芙蓉石被廣泛加工成串珠項鏈、小件雕刻品以及弧面型寶石。
在公元前330~前323年的古希臘,黃晶被認定為寶石品種,并且在公元1~2世紀的希臘和羅馬較流行用于凹雕和加工成戒指上的弧面形寶石。如今,黃晶還繼續被用作寶石品種,但是它還從未像紫晶鼎盛時期那樣流行過。黃晶的英文名"citrine”,來源于法語“citron”,意思是“檸檬”,其暗示了黃晶如檸檬般的顏色。16世紀時,德國歷史學家和礦物學家阿格里科拉(Agricola)首次將該名詞用于描述這種顏色的石英品種。
1880年,法國人皮埃爾·居里(Pierre Curie)將石英切成片狀,切面和它的晶體之柱面相平行,然后在片狀的石英面上加壓力,于是產生了電。這就是石英的壓導電性(Piezoelectric Property)。由于它具有這種神秘的能量,于1922年起,石英開始應用于鐘表、收音機、鏡片、電腦、衛星等領域。
1969年,日本將第一款石英手表——精工35 SQ Astron——推向市場,徹底動搖了瑞士手表的地位。精工35 SQ Astron采用以電池為動力的石英晶體諧振器,振蕩頻率為8192赫茲。它取代了傳統的機械上發條式腕表,更加耐用,也更經濟,準確度更高。1983年,瑞士人創立了自己的石英表品牌——SWATCH。
2025年4月,中國自然資源部發布《新發現礦種公告》,其中確定了一個新礦種-高純石英礦,是指經選礦、提純可獲得二氧化硅的純度不低于99.995%,雜質、包裹體含量滿足半導體、光伏等高新領域應用要求的巖石,高純石英礦具有耐高溫、耐腐蝕、低燒膨脹性、高絕緣性和透光性這些特點,是半導體、光伏等戰略性新興產業必不可缺少的關鍵基礎材料。
開采歷史
由于高純石英原料礦床極為稀缺,21世紀初以來世界各國加大找礦勘查和礦石可利用性評價。全球包括中國在內的15處礦床中,有生產礦山的8處,尚未開采生產的7處。斯普魯斯派恩高純石英原料礦坐落于美國北卡羅來納州西部米切爾縣(Mitchell County)的斯普魯斯派恩鎮,該礦供給了全球90%以上的高純石英砂需求量,在相當長時間內甚至是唯一的來源地。該礦區從1949年開始能夠從花崗石、偉晶巖、白崗巖中分選出石英、長石、云母、石榴石等礦物。德拉格礦區地處挪威北部諾爾蘭郡廷斯菲尤爾峽灣(Tysfjord)西側的德拉格村附近。20世紀70年代,挪威地調局對德拉格礦區的偉晶巖礦坑進行石英礦勘查,探明石英儲量。1986年~1988年,以及1996年以后對石英進行開采。燈塔礦床位于澳大利亞昆士蘭州北部的喬治敦區,2006年發現高純石英原料,2013以后對石英進行采礦生產。白泉礦床位于澳大利亞從喬治敦鎮到驚喜山鎮(Mt. Surprise)的1號公路沿線,西距喬治敦鎮35km,2018年以后對石英進行開采。克什特姆礦床位于俄羅斯車里雅賓斯克州的克什特姆市,礦床開發始于20世紀60~70年代,至今一直在生產。薩蘭保爾礦床地處俄羅斯漢特-曼西自治區( Khanty-Mansi Autonomous Okrug-Ugra)別列佐夫斯基區( Berezovsky District)的西北緣,2000年開始開采。查米礦床位于毛里塔尼亞努瓦迪布灣省東部,現在為開采狀態。靈山脈石英礦位于中國湖北蘄春縣西北約20 km的橫車鎮,1971~1973年進行勘探,現在為露天開采狀態。
分類
按結晶程度劃分為:晶質石英、石英巖、隱晶質石英。晶質石英主要品種有水晶、紫水晶、黃晶、煙水晶、芙蓉石、發晶、石英貓眼、星光石英等。
表:石英的寶石品種、顏色和顏色成因
名稱來源
石英(quartz)這個詞可能來源于斯拉夫語的“kwardy”一詞,有“堅硬”的意思。拉丁語中“quarzum”最早是于16世紀由德國學者格奧爾格·阿格里科拉(Gcorgius Agricola,近代礦物學之父)提出的,他首次對礦物進行了科學系統的分類。石英Quartz一詞也有可能來自德國薩克森語Querkluftertz(交錯脈中的礦石),以后才演變為Quartz。中文名稱是美玉的意思,因為古漢語中的英也作瑛(美玉、玉光)。
古希臘人從覆蓋著萬年積雪的冰塊中看到露出地面的水晶,誤以為這是變成冰塊的石頭,稱它為水晶(Crystallus)。18世紀末曾用Crystal(晶體)、Rock crystal(巖晶)來表示石英。Rock crystal源自希臘語Krystollos(潔白的冰)。普林尼(Plinius)認為水晶是由天空中的濕氣和純凈的雪生成,是冰據神的意志變成的石頭——水晶(郝用威,1997)。中國古代將水晶叫做水精,也認為是由水變成的。
人工優化
自然或人工輻照是使紫晶和煙水晶變成黑色石英的必要手段。許多煙晶是無色透明水晶經過人工輻照后得到的。類似的,大自然中較為稀有的黃晶在市場上也通常是輻照天然紫晶后得到的。
環境影響與健康危害
環境影響
石英是地殼中分布最廣泛的礦物之一,其成因多種多樣,在三大巖中都有分布,是一種典型的造巖礦物。石英是中酸性巖漿巖的常見造巖礦物,如流紋巖、石英安山巖、閃長巖、花崗石等;石英也是多數變質巖的造巖礦物,如片巖、片麻巖、硅質巖等;石英還是陸源碎屑巖的主要造巖礦物,如砂巖、粉砂巖、泥巖等。
石英砂開采前的去表層,除去開采區表層的植被、土壤,會造成土壤流失,植被破壞、河流堵塞。從石英礦砂的開采到硅凈化過程中需要浪費大量的原料和使用多種大量的有毒化學品,例如大量的氯、酸及各種溶劑,使用這些化工產品的方法往往又是消耗性的,最終都會排放到環境中,對環境與人類健康產生嚴重后果。石英砂選礦會產生各種廢氣、廢水、固體廢棄物以及噪聲。廢氣主要包括:破碎粉塵、尾礦粉塵、裝卸粉塵和原礦粉塵;石廢水主要包括選礦廢水、設備冷卻水、尾礦庫廢水和生活污水;固體廢棄物一般為尾礦、集塵器收集的粉塵、廢油、廢潤滑油和生活垃圾;噪聲主要集中在選礦車間破碎機等機械的待機作業所產生的噪聲和原料、產品運輸過程中產生的交通噪聲。石英產品的運輸過程中,會產生粉塵污染。
健康危害
接觸石英粉塵的最常見環境為礦山開采,還存在于機械制造業、鑄造廠、耐酸耐火材料廠、玻璃和陶瓷制造以及道路建設中。石英粉塵的損傷作用主要是肺部的彌漫性纖維化,所致主要疾病即所謂的矽肺(silicosis)。石英吸入還會造成咳嗽,呼吸困難,喘息、慢性支氣管炎、肺功能下降;眼睛接觸會刺激眼睛,產生眼紅和疼痛;皮膚接觸會造成皮膚發紅;在職業環境中接觸會對腎臟有潛在毒性。
國際癌癥研究機構將石英歸類為已確定的人類致癌物(即1類致癌物)。
GHS 信號 危險
GHS 危害聲明
H350(24.42%):可能導致癌癥[危險致癌性]
H372(46.62%):長期或反復接觸對器官造成損害[危險特定靶器官毒性,反復接觸]
H373(57.12%):長期或反復接觸對器官造成損害[警告特定靶器官毒性,反復接觸]
防范說明:使用前獲取、閱讀并遵循所有安全說明;不要吸入灰塵/煙霧/氣體/霧氣/蒸氣/噴霧;處理后徹底洗手等接觸部位;使用時請勿進食、飲水或吸煙;戴防護裝備; 如果接觸或感到不適,請尋求醫療建議;上鎖保存;將內容物或容器妥善處理。
參考資料 >
石英.《中國大百科全書》第三版網絡版.2025-06-12
Quartz - PubChem.PubChem.2023-06-08
新一輪找礦行動“挖到寶”了,我國礦種+1.騰訊.2025-04-10