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的含量，同時也反映生產過程中除鐵效果。當石英砂磁化率越低時，說明含鐵雜質的含量低，反映生產過程中除鐵效果較好；當石英砂磁化率越高時，說明含鐵雜質的含量高，反映生產過程中除鐵效果較差。

磁化率是指在弱磁場中（0.1mT）物體的磁化強度與磁場強度之比，它反映了物體在磁場作用下磁化強弱的程度。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，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。這是因為在眾多的金屬離子中，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。目前鳳陽縣石英砂生產方式主要有二種： 一是濕法生產，采用石輪碾破碎再加水沖洗；二是干法生產，采用破碎-脫泥-磨礦-磁選-篩分。鳳陽縣石英砂產品主要分二類：普通石英砂和精制石英砂，其中普通石英砂SiO₂的含量達98%以上，精制石英砂SiO₂的含量達99%以上。石英砂生產過程中通過除鐵工藝，大部分含鐵雜質（特別是強磁性的含鐵雜質）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。但有關應用磁化率來分析石英砂除鐵效果的研究文章并不多見。本實驗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的含量和判斷生產過程中的除鐵效果。

1 樣品與研究方法

本實驗在鳳陽縣五個不同的生產企業采集了石英砂原料（直接從礦山挖下來的塊狀石英石）樣品80個，石英砂（石英石經破碎-脫泥-磨礦-磁選-篩分等工藝后的成品石英砂）樣品116個，其中濕法生產石英砂樣品22個（60~120目）、干法生產7號（70~90目）石英砂樣品26個、干法生產6號（50~70目）石英砂樣品26個、干法生產5號（30~50目）石英砂樣品16個、干法生產4號（20-30目）石英砂樣品14個、干法生產3號（10-20目）石英砂樣品12個。石英砂原料樣品采回后在室內自然風干，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自然風干后，直接裝入8cm³（2cm×2cm×2cm）無磁性塑料樣品盒。壓實、稱重，進行磁化率測量：①利用KLY-4S磁化率儀測量低場體積磁化率(κ)，經質量校正后得到磁化率(χ)；②利用KLY-4S磁化率儀和CS-3溫度控制系統在氬氣環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大學（北京）古地磁學與環境磁學實驗室完成。

2 結果與討論

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構，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

所有樣品磁化率統計結果，見表1。

表1 所有樣品磁化率統計結果

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
濕法生產石英砂（n=22）	-0.50-2.87	0.39
干法生產7號石英砂（n=26）	0.12-0.62	0.28
干法生產6號石英砂（n=26）	-0.06-0.89	0.12
干法生產5號石英砂（n=16）	-0.17-0.92	0.13
干法生產4號石英砂（n=14）	-0.18-0.17	-0.02
干法生產3號石英砂（n=12）	-0.20-0.02	-0.11

注：表中n為樣品數

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的統計結果顯示，石英砂原料的磁化率平均值為7.45×10^-8m³/kg，遠遠高于石英砂磁化率平均值（其中濕法生產石英砂的磁化率平均值大，為0.39×10^-8m³/kg）；干法生產石英砂和濕法生產的石英砂的磁化率都非常低，幾乎接近于零，其中干法生產4號石英砂和3號石英砂磁化率平均值為負。說明石英砂中磁性礦物含量很低，且遠遠低于石英砂原料。這主要是在石英砂生產過程中經水洗、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果。

圖2是樣品的磁化率散點圖。圖2a顯示石英砂原料的磁化率值遠高于石英砂，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高于石英砂。圖2b顯示濕法生產石英砂磁化率值高于干法生產石英砂，且濕法生產石英砂磁化率值變化范圍比干法生產石英砂大，說明濕法生產石英砂中磁性礦物含量變化范圍比干法生產石英砂大，這可能是在濕法生產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。

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變規律。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，當加熱到580℃左右時，樣品磁化率有一個突然下降，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，這種現象不太明顯）。當溫度繼續升高時，由于樣品磁化率太低，加熱曲線出現振蕩形的變化。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，當加熱到250℃左右時出現一個小峰值，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，這可能是亞穩定、強磁性的磁赤鐵礦受熱轉化成熱穩定的、弱磁性的赤鐵礦造成的。當溫度超過450℃后，樣品磁化率隨溫度的升高又有回升，并在500℃左右又出現一個峰值，可能是在加熱過程中生成了新的強磁性礦物。當溫度加熱到580℃時，樣品的磁化率急劇下降，表現出磁鐵礦的居里溫度。當溫度接近680℃時樣品的磁化率幾乎降到了零，表現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SiO₂，另外還含有少量的順磁性物質，如白云母等，由于石英巖中順磁性物質含量少，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。在石英砂生產過程中，經水洗、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磁性的含鐵礦物幾乎都被去除，因此，磁測結果顯示石英砂磁化率顯著降低，幾乎降到了零，甚至降為負值（圖2a、圖2b）。由于濕法生產沒有采用除鐵工藝，圖2b顯示濕法生產石英砂磁化率值高于干法生產石英砂。為了進一步提高濕法生產的除鐵效果，應在濕法生產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的含量，同時也反映生產過程中除鐵效果。石英砂磁化率越低，說明含鐵雜質的含量較低，反映生產過程中除鐵效果較好；石英砂磁化率越高，說明含鐵雜質的含量較高，反映生產過程中除鐵效果較差。

3 結語

通過測量石英砂的磁化率來分析石英砂中鐵雜質的含量及石英砂生產過程中的除鐵效果，相對化學測量方法而言，這種磁化率測量方法具有靈敏度高、簡單快捷、非破壞性和費用低等特點。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，還可為應用磁化率來定量計算石英砂中鐵雜質含量提供理論基礎。根據朗之萬理，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算出巖石中鐵元素含量，目前這項工作正在進行。如果把磁化率測量作為應用化學方法測量石英砂中鐵雜質含量前的預處理，利用其快速、簡便的優點，不僅可節約測量成本，還可縮短測量時間，具有一定的生產應用意義。