植物地球化学找矿中有效指示元素和有效指示植物的选择方法－以黑龙江多宝山铜成矿区为例

姜 涛，贾大成，陈圣波，包国章，高 文，张 潇，毛永新

(1.吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林长春 130061;2.吉林大学环境与资源学院，吉林长春 130061)

目前国内外植物地球化学找矿实践表明，在多种特殊景观区，运用植物地球化学找矿具有良好的效果(陈代演等，2000;宋慈安等，2001;宋慈安等，2009;韦雪姬等，2011)。位于大兴安岭西北部的黑龙江多宝山成矿区，第四系覆盖厚，地表植被发育，露头稀少，给常规化探工作带来诸多不利因素。目前在大兴安岭地区某金矿和内蒙古东部某铅锌矿进行了植物化探找矿方法研究(权恒等，1998)，而在黑龙江多宝山成矿区尚未进行过植物地球化学找矿工作，对该区的植物找矿指标缺少系统的研究，如何选择有效指示元素和有效指示植物是开展植物地球化学找矿的关键因素。为此，以黑龙江多宝山成矿区为例，在分析岩石、土壤和植物中元素地球化学特征及其相互关系的基础上，探讨植物地球化学找矿中有效指示元素和有效指示植物的选择方法，旨在为在森林沼泽景观区开展植物地球化学找矿工作提供基础依据。

1 黑龙江多宝山铜成矿区景观条件及植物群落

位于大兴安岭中山向低山丘陵过渡地带的多宝山铜成矿区，地处亚寒带，有十分强烈的冻融风化作用，在不同地段的坡谷之中散布着岛状冻土，局部有“石海”，地形平缓，谷地多为沼泽化湿地。特殊环境使当地的表层土壤广泛覆盖，厚2～3 m，岩石露头稀少。土壤中有较大的有机质含量，在A层中有机质含量高达到25%，且土壤厚度大，植物的根系也不同程度地发育在B、C层土壤中，构成森林沼泽覆盖景观环境。在森林沼泽覆盖景观和植被发育条件下，土壤剖面中除A层土壤中有机质发育外，在B、C层土壤中发育的植物根系也使有机质含量增多，由于植物根系对某些元素的吸收会使B、C层中某些元素丰度下降，因此土壤中有机物对元素的强烈吸附作用影响着元素在土壤中的正常化学行为，加之野外土壤化探取样深度的不一致和取样深度不够等原因，往往使某些地段的土壤化探“异常”失去了其真实性(权恒等，1998)。

多宝山铜成矿区地表植被发育，森林覆盖，经植物样方调查，该区属于兴安岭植物群落，多生长落叶松、白桦、山杨及栎树等深根乔木、灌木和草本植物。以白桦、蒙古栎为优势树种，全区均有分布，落叶松和山杨为局部优势树种，分布不均，呈孤岛状分布于低山地带。

在森林沼泽覆盖景观区和植被发育条件下，植物地球化学测量具有一定优势。隐伏矿体及其周围的矿化原生晕，经过长期的表生地球化学作用，在渗透作用、浓度扩散、毛细管作用及在自然电场、纳米气体运移等因素的综合作用下，与矿化有关的元素部分地进入到地下溶液，被迁移到地表附近，在矿体上方或矿体附近形成高浓度的离子晕或水化学晕。只要植物根系达到该晕圈范围，就有可能形成植物地球化学异常。由于植物根系在土壤中分布广、扎得较深，其结果就有可能克服森林覆盖区土壤化探的局限性和片面性，而反映出更真实可靠的特征。同时植物化探异常所反映的不只是其根系所涉及的范围，而是根系之下几米甚至更深处的元素地球化学行为。已知利用植物地球化学方法探测的矿体深度不仅包括了地表露头矿化，而且可以反映出埋藏20～500 m深处的盲矿体(宋慈安等，2009)。

2 植物取样及工作方法

2.1 植物样品布置和工作量

多宝山铜成矿区内共发现多宝山、铜山、争光大型矿床3处，中、小型矿床多处，为了探讨铜矿区植物地球化学特征，以多宝山和铜山两个大型斑岩型铜矿为典型矿床，分别在两矿床的矿体上部采样，矿区一共设计了8个采样点(图1)，为了方便对比矿区的植物地球化学异常，除了在多宝山成矿区取样外，在矿物外围50 km2范围内的呼玛地区也进行取样，作为成矿区植物地球化学的对照区，在对照区设计了13个采样点(图1)。

2.2 取样方法

在每个采样点按矿体、岩石残积层、土壤C层、土壤B层、土壤A层，以及其上部的植物，包括乔木、灌木和草本植物分别取样，主要包括白桦、蒙古栎、落叶松、红松、胡枝子、羊胡子草等植物。对每种植物分根、茎(0～30 cm)、叶分别进行采集，采集的植物样品用保鲜袋封存，放置于恒温箱内保存，野外采样结束后送国土资源部哈尔滨矿产资源监督检测中心进行分析。植物样品与成矿有关元素含量比较低，因此采用ICP-MS方法分析元素含量，分析元素为 Cu、Au、Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W、Bi、Hg、As、Sn、Ni。由于元素在植物中的分布是不均匀的，在不同器官中含量差别较大，元素在植物器官中含量差异一般主要体现在根、茎、叶三大部分，为了体现植物中元素总体含量特征，本文采用根、茎、叶的平均含量代表植物的含量。

2.3 土壤与植物元素含量特征关系

将多宝山矿区岩石、土壤和各种植物进行相关分析，通过相关分析可以看出，土壤A层与土壤B层、土壤B层与土壤C层、土壤C层与岩石相关系数分别为 0.528、0.643、0.994，而植物白桦和胡枝子与土壤A层Cu相关系数分别为0.697和0.915(表1)，密切相关，由此表明指示植物中Cu的含量主要来自土壤A层，而土壤A层Cu的含量与深部土壤和岩石关系密切，因此植物元素含量的特征和土壤元素含量的特征都可以作为找矿依据。

表1 多宝山成矿区岩石、土壤和有效指示植物Cu相关系数表Table 1 Correlation analysis of rocks，soil and effective indicator plants in the Duobaoshan copper ore district

3 有效指示元素和有效指示植物的选择方法

选择有效指示元素和有效指示植物，首先考虑主成矿元素及其伴生元素;其次通过对植物、岩石和土壤的相关分析，选出与植物相关性好的元素;然后以多指标方法选择有效指示植物及有效指示元素。选择的指标包括植物地球化学异常衬度系数(KCD)、组合衬度系数(ZKCD)以及屏障系数(KPZ)。

3.1 有效指示元素的选择

在多宝山铜成矿区，Cu为主成矿元素，伴生元素为 Au、Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W、Bi、Hg、As、Sn、Ni。通过土壤中元素相关分析，得出Cu与Au、Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W、Bi、Hg、As、Sn、Ni的相关系数分别为0.81、0.72、0.62、0.55、0.52、0.50、0.44、0.28、0.15、0.09、0.06 和 －0.14。以相关系数大于0.40 为基准，得出成矿元素 Cu 与 Au、Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W 密切相关，由于植物与土壤中元素含量的正相关性，因此可以考虑 Cu、Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W 为有效指示元素，另外由于Au在植物中含量低于检测限排除在外。对比不同植物内的 Cu、Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W 在矿区与对照区分布情况，矿区白桦、蒙古栎、落叶松、红松、胡枝子、羊胡子草等体内 Cu、Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W 元素大多含量明显高于对照区相应植物，仅Ag、Pb、W在个别植物中存在反常现象(图2)，因此出在矿区这些植物的元素含量可以形成植物地球化学异常。

图1 矿区与对照区采样位置分布图(底图为1∶20万水系沉积物Cu异常等值线图，据赵元艺等，2011改编)Fig.1 Sampling location of the Duobaoshan copper ore district and contrast area(base map is 1∶200000 Cu anomaly contour map of stream sediments，modified from Zhao et al.，2011)

图2 成矿区与背景区不同植物中成矿元素含量对比图(ω(Ag)/10－9;ωB/10－6)Fig.2 Comparison of metallogenic element content in background area and Cu metallogenic field

3.2 有效指示植物的选择

3.2.1 植物地球化学异常衬度系数(KCD)

评价植物地球化学异常最主要的参数是植物地球化学异常的衬度，它反映了植物地球化学异常的清晰度(宋慈安等，2010)，根据衬度系数(KCD)的概念，即:

式中:C为成矿区(或地球化学异常区)某植物种属中某元素的平均值;C0为成矿区外围(或地球化学背景区)某植物种属中某元素的平均值。

将多宝山成矿区作为成矿区，将呼玛对照区作为成矿区外围，所测植物中Cu的衬度系数均大于1，除落叶松Ag、Zn元素及羊胡子草Pb元素外，其它相关元素的衬度系数也都大于1(表1)。该值越大，植物地球化学异常的清晰度越好，作为指示植物越好。宋慈安等(2010年)对热带雨林区的西双版纳南坡铜矿进行植物调查时，认为植物中某元素KCD≥5可做为有效指示植物。衬度系数根据具体选择的矿区与对照区的差异有不同的标准，对多宝山成矿区而言，选择KCD≥2为基准，白桦和胡枝子Cu 的 KCD≥2，并且 Cu、Mo、Co、Pb、Ag 这五个元素的KCD普遍比较大，可视为有效指示植物。

3.2.2 植物地球化学异常组合衬度系数(ZKCD)

某植物单一元素的指标KCD，没有考虑到成矿元素与伴生元素间的关系，并且不同种植物对不同元素可能存在偏好性，均会影响KCD指标的准确性，所以利用组合衬度系数(ZKCD)概念，来反映某种植物地球化学总体异常特征，组合衬度系数(ZKCD)即:

式中:(KCD)0为主成矿元素的衬度系数;(KCD)i为相关元素的衬度系数;ri为相关元素的相关系数;n为相关元素的个数;μ为主成矿元素的系数(μ≥n)。

作为选择有效指示植物的依据是ZKCD值越大，植物地球化学异常越清晰。计算结果多宝山成矿区所采植物ZKCD，得出白桦和胡枝子的ZKCD比较高，均大于15(表2)，与白桦和胡枝子KCD值的指示意义相吻合，适合作为有效指示植物。而落叶松ZKCD却排在第五位，即使其Cu的KCD排在第三位，却也不适合作为有效指示植物。因此可以看出，组合衬度系数比元素衬度系数在选择有效指示植物方面更有确切的指示意义。

3.3 屏障系数(KPZ)

根据植物地球化学屏障系数(KPZ)概念(宋慈安等，2010)，屏障系数(KPZ)即:

式中:K0为成矿区外围(或岩石、土壤地球化学背景区)某植物对某元素的吸收率;KYC为成矿区(或岩石、土壤地球化学异常区)某植物对某元素的吸收率。

表征了背景区和异常区植物吸收率差别的KPZ，既反映土壤和植物之间的相关性，又反映植物地球化学障的大小，可作为植物地球化学评价的辅助指标。该值越大，植物地球化学屏障效应越大，与土壤间相关性越小;反之植物地球化学屏障效应越小，与土壤间相关性越大。由于植物异常主要来自其下的土壤，因此屏障系数越小，越有利于作为有效指示植物。在多宝山成矿区多数植物的KPZ值小于1(表2)，表明植物中元素主要来源于其下的土壤。如果将Cu的KPZ值小于0.5作为选择标准，则白桦和胡枝子可以作为有效指示植物，与KCD和ZKCD指标选择的有效指示植物吻合。

4 结论

在森林沼泽景观区进行植物地球化学找矿具有一定优势，在植物地球化学找矿中，有效指示元素和有效指示植物是主要评价指标，对其选择至关重要。有效指示元素的选择首先要确定主成矿元素和伴生元素;其次植物中元素异常是土壤异常的继承和延展，与土壤地球化学异常关系密切;三是能够形成清晰的植物地球化学异常，具有较高的衬度系数。有效指示植物的选择要综合考虑各种指标，衬度系数(KCD)、组合衬度系数(ZKCD)、屏障系数(KPZ)等是比较实用的指标，对选择有效指示植物具有比较明确的意义。在黑龙江多宝山成矿区进行植物地球化学找矿时，Cu 及 Ag、Mo、Co、Pb、Zn、W 等可作为有效指示元素，白桦和胡枝子可作为有效指示植物。

表2 黑龙江多宝山铜成矿区植物地球化学系数表Table 2 Phytogeochemical coefficients in the Duobaoshan copper metallogenic field

Chen Dai-yan，Zou，Zhen-xi，Ren Da-yin.2000.A preliminary application of the geobitanical method to the Lanmuchang thallium(mercury)ore deposits in southwest Guizhou［J］.Journal of Guizhou University of Technology(Natural Science Edition)，29(5):32 －38(in Chinese with English abstract)

Quan Heng，Zhang Hong，Zhang Jiong-fei，Wu Guang，Li Guang-yuan，Wang Lu，Jin Cheng-zhu.1998.Biogeochemical exploration in Daxing＇anling forest covered area［J］.Journal of Precious Metallic Geology，7(4):241 －249(in Chinese with English abstract)

Song Ci-an，Lei Liang-qi.2009.Research and orientation of exploration vegetation geochemistry in China［J］.Journal of Guilin University of Technology，29(1):1 －11(in Chinese with English abstract)

Song Ci-an，Lei Liang-qi，Yang Qi-jun，Wang De-run，Yang Yun-song.2001.Botanical geochemistry of redwood of the Au-Cu deposits in Beishan，Gansu［J］.Geology and Prospecting，37(3):45 － 49(in Chinese with English abstract)

Song Ci-an，Yang Zhong-ping，Lei Liang-qi，Wen Zong-zhen.2010.Characteristics of phytogeochem istry and prospecting effective indicator plant in Xishuangbanna nanpo copper field［J］.Journal of Guilin University of Technology，30(1):1－14(in Chinese with English abstract)

Wei Xue-ji，Song Ci-an，Ding Ru-fu.2011.Botanogeochemical anomaly characteristics of the Fuhezhong W-Sn polymetallic ore district in Guangxi and their prospecting effectiveness［J］.Geology in China，38(3):750－761(in Chinese with English abstract)

Zhao Yuan-yi，Wang Jiang-peng，Zhao Guang-jiang，Cui Yu-bin.2011.Metallogenic regularity and prospecting direction of Duobaoshan ore field，Heilongjiang Province，China［J］.Journal of Jilin University(Earth Science Edition)，41(6):1676－1687(in Chinese with English abstract)

［附中文参考文献］

陈代演，邹振西，任大银.2000.地质植物法在黔西南滥木厂铊(汞)矿床的初步应用［J］.贵州工业大学学报:地球科学版，29(5):32－38

权恒，张宏，张炯飞，武广，李广远，王录，金成洙.1998.大兴安岭森林覆盖区植物化探找矿方法研究［J］.贵金属地质，7(4):241－249

宋慈安，雷良奇.2009.我国勘查植物地球化学的研究现状及发展方向［J］.桂林工学院学报，29(1):1－11.

宋慈安，雷良奇，杨启军，王德润，杨云松.2001.甘肃北山、铜矿床红沙的植物地球化学特征及其找矿意义［J］.地质与勘探，37(3):45－49

宋慈安，杨仲平，雷良奇，文宗振.2010.西双版纳南坡铜矿区植物地球化学特征及找矿有效指示植物［J］.桂林工学院学报，30(1):1－14

韦雪姬，宋慈安，丁汝福.2011.广西富贺钟钨锡多金属矿区植物地球化学异常特征及其找矿有效性［J］.中国地质，38(3):750－761

赵元艺，王江朋，赵广江，崔玉斌.2011.黑龙江多宝山矿集区成矿规律与找矿方向［J］.吉林大学学报(地球科学版)，41(6):1676－1687