摘要：通過對鳳陽石英砂和石英砂原料的磁化率、磁化率隨溫度變化曲線的測量及石英巖顯微鏡下觀察，結(jié)果表明，石英砂中磁性礦物含量很低，磁化率很低；石英砂原料磁化率高，可能含有磁鐵礦、赤鐵礦、鐵的氫氧化物（如纖鐵礦）等磁性礦物。石英砂磁化率值的高低反映了石英砂中含鐵雜質(zhì)的含量，同時(shí)也反映生產(chǎn)過程中除鐵效果。當(dāng)石英砂磁化率越低時(shí)，說明含鐵雜質(zhì)的含量低，反映生產(chǎn)過程中除鐵效果較好；當(dāng)石英砂磁化率越高時(shí)，說明含鐵雜質(zhì)的含量高，反映生產(chǎn)過程中除鐵效果較差。

磁化率是指在弱磁場中（0.1mT）物體的磁化強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之比，它反映了物體在磁場作用下磁化強(qiáng)弱的程度。磁化率與物體中所含磁性礦物的種類、粒度和含量直接有關(guān)，常用作磁性礦物含量的粗略估量。自然界常見的巖石大部分成分由硅組成，其中含有Fe²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺磁離子的巖石具有亞鐵磁性或順磁性，不含這些磁離子的巖石具有抗磁性。這是因?yàn)樵诒姸嗟慕饘匐x子中，僅Fe²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺具有磁矩，其余的離子如Si⁴⁺、Al³⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺、K⁺、Ti⁴⁺、P⁵⁺等均無磁矩。朗之萬理論指出自然界巖石的磁化率主要Fe²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺離子含量決定。

鳳陽縣是我國著名的石英砂原料基地，石英巖中主要成分是SiO₂，另外還含有少量的Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO、K₂O、CaO等雜質(zhì)。目前鳳陽縣石英砂生產(chǎn)方式主要有二種： 一是濕法生產(chǎn)，采用石輪碾破碎再加水沖洗；二是干法生產(chǎn)，采用破碎-脫泥-磨礦-磁選-篩分。鳳陽縣石英砂產(chǎn)品主要分二類：普通石英砂和精制石英砂，其中普通石英砂SiO₂的含量達(dá)98%以上，精制石英砂SiO₂的含量達(dá)99%以上。石英砂生產(chǎn)過程中通過除鐵工藝，大部分含鐵雜質(zhì)（特別是強(qiáng)磁性的含鐵雜質(zhì)）都被去除，石英砂的磁化率相對石英砂原料的磁化率大幅下降。但有關(guān)應(yīng)用磁化率來分析石英砂除鐵效果的研究文章并不多見。本實(shí)驗(yàn)通過測量石英砂和石英砂原料的磁化率及κ-T曲線，來分析兩類樣品中磁性礦物種類和含量，試圖用磁化率來快速分析石英砂中鐵雜質(zhì)的含量和判斷生產(chǎn)過程中的除鐵效果。

1 樣品與研究方法

本實(shí)驗(yàn)在鳳陽縣五個(gè)不同的生產(chǎn)企業(yè)采集了石英砂原料（直接從礦山挖下來的塊狀石英石）樣品80個(gè)，石英砂（石英石經(jīng)破碎-脫泥-磨礦-磁選-篩分等工藝后的成品石英砂）樣品116個(gè)，其中濕法生產(chǎn)石英砂樣品22個(gè)（60~120目）、干法生產(chǎn)7號(hào)（70~90目）石英砂樣品26個(gè)、干法生產(chǎn)6號(hào)（50~70目）石英砂樣品26個(gè)、干法生產(chǎn)5號(hào)（30~50目）石英砂樣品16個(gè)、干法生產(chǎn)4號(hào)（20-30目）石英砂樣品14個(gè)、干法生產(chǎn)3號(hào)（10-20目）石英砂樣品12個(gè)。石英砂原料樣品采回后在室內(nèi)自然風(fēng)干，用銅缽把塊狀石英石人工搗碎并研磨成粉末狀，再過80目篩，把過篩后的粉末顆粒物裝入8cm³（2cm×2cm×2cm）無磁性塑料樣品盒。石英砂樣品采回在室內(nèi)自然風(fēng)干后，直接裝入8cm³（2cm×2cm×2cm）無磁性塑料樣品盒。壓實(shí)、稱重，進(jìn)行磁化率測量：①利用KLY-4S磁化率儀測量低場體積磁化率(κ)，經(jīng)質(zhì)量校正后得到磁化率(χ)；②利用KLY-4S磁化率儀和CS-3溫度控制系統(tǒng)在氬氣環(huán)境下完成磁化率隨溫度變化曲線測量（κ-T曲線）。磁化率測量和κ-T曲線測量均在中國地質(zhì)大學(xué)（北京）古地磁學(xué)與環(huán)境磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微鏡下觀察

鳳陽石英砂原礦屬石英巖，其顯微鏡下照片（正交偏光）如圖1，其主要礦物成分為石英（>95%），另外還含有白云母（<5%）和少量不透明礦物，塊狀構(gòu)造，石英呈等粒狀，粒度約0.2~0.5mm，彼此呈典型的三邊鑲嵌粒狀變晶結(jié)構(gòu)，白云母呈片狀，長0.1mm左右，多位于石英顆粒之間，且定向排列。

2.2 磁化率

所有樣品磁化率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表1。

表1 所有樣品磁化率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

樣品名稱	磁化率（χ）（10-8m3/kg）
	范圍	平均值
石英砂原料（n=80）	1.89-17.52	7.45
濕法生產(chǎn)石英砂（n=22）	-0.50-2.87	0.39
干法生產(chǎn)7號(hào)石英砂（n=26）	0.12-0.62	0.28
干法生產(chǎn)6號(hào)石英砂（n=26）	-0.06-0.89	0.12
干法生產(chǎn)5號(hào)石英砂（n=16）	-0.17-0.92	0.13
干法生產(chǎn)4號(hào)石英砂（n=14）	-0.18-0.17	-0.02
干法生產(chǎn)3號(hào)石英砂（n=12）	-0.20-0.02	-0.11

注：表中n為樣品數(shù)

樣品的磁化率值能粗略反映樣品中磁性礦物含量，但也受到磁性礦物類型和顆粒大小的影響。石英砂是由石英砂原料經(jīng)物理加工而成，石英砂與石英砂原料中磁性顆粒大小基本一致。表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，石英砂原料的磁化率平均值為7.45×10^-8m³/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石英砂磁化率平均值（其中濕法生產(chǎn)石英砂的磁化率平均值大，為0.39×10^-8m³/kg）；干法生產(chǎn)石英砂和濕法生產(chǎn)的石英砂的磁化率都非常低，幾乎接近于零，其中干法生產(chǎn)4號(hào)石英砂和3號(hào)石英砂磁化率平均值為負(fù)。說明石英砂中磁性礦物含量很低，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于石英砂原料。這主要是在石英砂生產(chǎn)過程中經(jīng)水洗、磁選等除雜工藝后，石英砂原料中絕大部分磁性礦物被去除的結(jié)果。

圖2是樣品的磁化率散點(diǎn)圖。圖2a顯示石英砂原料的磁化率值遠(yuǎn)高于石英砂，而石英砂的磁化率分布在零附近，說明石英砂原料中磁性礦物含量遠(yuǎn)高于石英砂。圖2b顯示濕法生產(chǎn)石英砂磁化率值高于干法生產(chǎn)石英砂，且濕法生產(chǎn)石英砂磁化率值變化范圍比干法生產(chǎn)石英砂大，說明濕法生產(chǎn)石英砂中磁性礦物含量變化范圍比干法生產(chǎn)石英砂大，這可能是在濕法生產(chǎn)過程中沒有采用磁選的工藝，樣品中磁性礦物被去除不夠徹底的原因。而干法生產(chǎn)過程中由于采用磁選工藝，樣品中的磁性礦被去除比較徹底，從而樣品的磁化率值很低，甚至為負(fù)。

2.3 熱磁曲線分析

石英砂和石英砂原料樣品的κ-T曲線圖，見圖3。

κ-T曲線特征可識(shí)別樣品中賦存的磁性礦物類型，也可分析磁性礦物在加熱過程中的轉(zhuǎn)變規(guī)律。圖3a顯示石英砂樣品在加熱到550℃之前，磁化率基本沒有變化，當(dāng)加熱到580℃左右時(shí)，樣品磁化率有一個(gè)突然下降，顯示出磁鐵礦的居里溫度（居里溫度是指鐵或亞鐵磁性礦物失去磁性的臨界溫度，由于樣品中磁性礦物含量很低，這種現(xiàn)象不太明顯）。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，由于樣品磁化率太低，加熱曲線出現(xiàn)振蕩形的變化。圖3b是石英砂原料的κ-T曲線，加熱曲線在200℃以下，樣品磁化率基本上沒有什么變化，當(dāng)加熱到250℃左右時(shí)出現(xiàn)一個(gè)小峰值，這可能是加熱過程樣品中鐵的氫氧化物（如纖鐵礦）脫水生成了磁赤鐵礦所致。當(dāng)溫度加熱到250~450℃之間，樣品磁化率隨溫度的升高逐漸降低，這可能是亞穩(wěn)定、強(qiáng)磁性的磁赤鐵礦受熱轉(zhuǎn)化成熱穩(wěn)定的、弱磁性的赤鐵礦造成的。當(dāng)溫度超過450℃后，樣品磁化率隨溫度的升高又有回升，并在500℃左右又出現(xiàn)一個(gè)峰值，可能是在加熱過程中生成了新的強(qiáng)磁性礦物。當(dāng)溫度加熱到580℃時(shí)，樣品的磁化率急劇下降，表現(xiàn)出磁鐵礦的居里溫度。當(dāng)溫度接近680℃時(shí)樣品的磁化率幾乎降到了零，表現(xiàn)出赤鐵礦的居里溫度。兩類樣品的冷卻曲線高于加熱曲線，且在冷卻至約580℃后，磁化率隨溫度的降低而快速增加，表明樣品在加熱過程中可能新生成了磁鐵礦。由兩類樣品的κ-T曲線分析，石英砂原料樣品中磁性礦物含量高且成分復(fù)雜，可能含有磁鐵礦、赤鐵礦、鐵的氫氧化物等。而石英砂樣品中磁性礦物含量很少且成分簡單。說明石英砂原料經(jīng)水洗、磁選等工藝后，其原有的磁性礦物的種類和含量都大幅下降。

2.4 兩類樣品磁化率的對比及其意義

顯微鏡下照片顯示（圖1），石英巖中主要成分是抗磁性物質(zhì)SiO₂，另外還含有少量的順磁性物質(zhì)，如白云母等，由于石英巖中順磁性物質(zhì)含量少，因此石英砂原料的磁化率主要由含鐵礦物決定。熱磁曲線（圖3）反映石英砂原料中磁性礦物成份復(fù)雜，含有多種含鐵礦物，但其磁化率主要由亞鐵磁性礦物所決定。圖1顯示含鐵礦物或鑲嵌于石英顆粒中，或附于石英表面。在石英砂生產(chǎn)過程中，經(jīng)水洗、磁選等除雜工藝后，石英砂原料中絕大部分含鐵礦物，特別是附于石英表面的強(qiáng)磁性的含鐵礦物幾乎都被去除，因此，磁測結(jié)果顯示石英砂磁化率顯著降低，幾乎降到了零，甚至降為負(fù)值（圖2a、圖2b）。由于濕法生產(chǎn)沒有采用除鐵工藝，圖2b顯示濕法生產(chǎn)石英砂磁化率值高于干法生產(chǎn)石英砂。為了進(jìn)一步提高濕法生產(chǎn)的除鐵效果，應(yīng)在濕法生產(chǎn)過程中增加除鐵工藝。

石英砂磁化率值的高低反映了石英砂中含鐵雜質(zhì)的含量，同時(shí)也反映生產(chǎn)過程中除鐵效果。石英砂磁化率越低，說明含鐵雜質(zhì)的含量較低，反映生產(chǎn)過程中除鐵效果較好；石英砂磁化率越高，說明含鐵雜質(zhì)的含量較高，反映生產(chǎn)過程中除鐵效果較差。

3 結(jié)語

通過測量石英砂的磁化率來分析石英砂中鐵雜質(zhì)的含量及石英砂生產(chǎn)過程中的除鐵效果，相對化學(xué)測量方法而言，這種磁化率測量方法具有靈敏度高、簡單快捷、非破壞性和費(fèi)用低等特點(diǎn)。另外，通過對石英砂中磁性礦物種類和磁性礦物含量的研究，還可為應(yīng)用磁化率來定量計(jì)算石英砂中鐵雜質(zhì)含量提供理論基礎(chǔ)。根據(jù)朗之萬理，只要能精確測量巖石中磁離子（Fe²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺）的含量，從理論上就可用磁化率計(jì)算出巖石中鐵元素含量，目前這項(xiàng)工作正在進(jìn)行。如果把磁化率測量作為應(yīng)用化學(xué)方法測量石英砂中鐵雜質(zhì)含量前的預(yù)處理，利用其快速、簡便的優(yōu)點(diǎn)，不僅可節(jié)約測量成本，還可縮短測量時(shí)間，具有一定的生產(chǎn)應(yīng)用意義。