大兴安岭多宝山铜成矿区植物地球化学特征及找矿意义

贾大成，姜 涛，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，长春 130026

2.吉林大学环境与资源学院，长春 130023

0 引言

多宝山成矿区是我国大兴安岭北部典型的斑岩型铜矿成矿区。该区域已经开展了很多找矿工作，就地球化学方法而言，相继开展了水系沉积物地球化学测量、土壤地球化学测量和岩石地球化学测量［1］，以及系统地球化学找矿模型研究［2］，在地质找矿方面取得了显著的勘查效果，新发现了一批有意义的地球化学异常区［3］，然而在该区域还没有做过植物地球化学找矿工作。国内外勘查植物地球化学实践证实，在多种特殊景观条件下利用植物地球化学寻找隐伏矿具有良好的效果［4］。多宝山成矿区位于大兴安岭北部中低山－丘陵地带，地表植被发育，第四系覆盖厚，露头稀少，适合于进行植物地球化学测量。目前仅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［5］，对于大兴安岭森林覆盖区典型铜矿床的植物化探找矿仍缺少有关基础性试验研究。笔者以多宝山铜成矿区的外围区域为对照区，分别研究矿区和对照区主要植物微量元素分布特征，分析元素在植物主要器官内的分配，探讨多宝山铜成矿区植物中元素富集规律和有效指示植物的选择方法，分析矿化岩石－土壤－植物体系指示元素的成因联系，据此总结斑岩铜矿区植物地球化学特征，为在大兴安岭地区开展铜矿植物地球化学找矿提供依据。

1 多宝山铜成矿区地质特征

多宝山矿区位于兴蒙造山带与滨西太平洋活动陆缘带叠加复合部位，受海西期构造运动影响，形成北西向的弧形构造带。已知矿床基本上分布于北西向弧形构造带上，构成以铜为主的成矿区，区内共发现多宝山、铜山大型铜矿床2处，中型铜矿床3处，小型铜矿床8处，以及争光等金矿床［6］。矿床和厚大矿体产出往往在北西向与北东向或东西向构造的交汇部位（图1）。

成矿区地层由下而上依次为下奥陶统大冶组，中奥陶统铜山组、多宝山组，上奥陶统裸河组、爱辉组和下志留统黄花沟组。其中：铜山组中、下部主要由沉凝灰岩组成，上部由紫色凝灰岩砂砾岩组成；多宝山组主要为安山岩及安山质凝灰岩，夹有凝灰质沉积岩透镜体。铜山组和多宝山组分别构成铜山铜矿和多宝山铜矿的主要围岩。

成矿区岩浆活动频繁、强烈，前奥陶纪主要侵入岩为多宝山辉长岩、铜山花岗闪长岩、多宝山花岗闪长岩及花岗闪长斑岩［7］。三叠纪早期主要侵入岩为多宝山石英闪长岩、铜山Ⅰ号矿体英云闪长斑岩及多宝山英云闪长岩。侏罗纪中期主要侵入岩为黑云母斜长花岗岩和花岗斑岩。

矿床的围岩蚀变类型有硅化、绢英岩化、青磐岩化等。矿体主要赋存于绢英岩化蚀变带中，石英绢云母化是近矿围岩蚀变。矿床都包含有多个矿体，多宝山矿床的铜矿体主要产于花岗闪长岩中，少数产于多宝山组中，个别产于斑岩体中。铜山矿床包括有4个矿体群：Ⅰ号和Ⅱ号矿体群位于铜山断层上盘，赋存于多宝山组第一岩性段内绿泥石化绢云母化安山岩或安山质火山碎屑岩中；Ⅲ号和Ⅳ号矿体群位于铜山断层下盘，赋存于蚀变的英云闪长岩、蚀变安山岩及碎屑岩中［8］。

矿石主要为原生硫化物矿石，主要金属矿物为黄铜矿、斑铜矿、黄铁矿、赤铜矿、铜蓝、褐铁矿等；非金属矿物主要为斜长石、石英、水白云母、方解石和绿帘石等。矿石组分主要为Cu、Mo、Au，还有Ag、Se和Ga。在矿体及矿化蚀变上方形成明显的Cu、Pb、Zn、Ag、Au、Mo、W、Sb等水系沉积物异常和土壤地球化学异常［9］。

2 大兴安岭景观地球化学和植物发育特征

多宝山铜成矿区地形绝对标高460～800m，相对标高50～200m，除局部见有较陡山体外，一般为低山地形，属大兴安岭中山向低山丘陵过渡地带。地处亚寒带，冰缘地貌，冻融风化作用十分强烈，岛状冻土散布于不同地段的坡谷之中，局部出现“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与深部基岩之间具有复杂的成因联系。第四系广泛覆盖，一般厚2～3m，岩石露头稀少。土壤中的有机质含量较多，A层中有机质质量分数可达到25%，A层土壤厚度大，在B、C层土壤中也不同程度地发育着植物的根系，构成山地森林沼泽景观环境。

图1 多宝山铜成矿区地质简图和采样位置分布示意图（据文献［6］改编）Fig.1 Geological sketch map and sampling location in Duobaoshan Cu metallogenic field and contrast area（modified from reference［6］）

多宝山铜成矿区另一个特征为地表植被发育、森林覆盖。经调查发现，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，以及灌木、塔头和草本植物。其中，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。

3 样品分布及分析方法

3.1 样品分布及采集方法

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布设采样点，每个采样点按矿体、岩石残积层、土壤C层、土壤B层、土壤A层及其上部的植物，包括乔木、灌木和草本植物分别取样，所采集的植物为植物样方内常见的植物种属，样方测量面积为10m×10m，主要包括白桦、蒙古栎、落叶松、红松、胡枝子、羊胡子草等植物。对每种植物根、茎、叶分别进行采集，植物茎采集长度为30cm，采集的植物样品用保鲜袋封存，放置于恒温箱内保存，野外采样结束后送实验室进行元素含量分析。

为了便于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，在成矿区外围100km2范围内的呼玛地区也进行了取样，作为植物地球化学的背景区（图1）。取样方法仍然首先进行岩石、岩石残积层、土壤C层、土壤B层、土壤A层取样，然后在采样地点上方进行10m×10m植物样方测量，选取常见的植物种属，同时考虑与成矿区植物的一致，对植物样品的采集、保存和分析与成矿区一致。

3.2 分析方法

岩石、矿石和土壤样品分析在国土资源部哈尔滨矿产资源监督检测中心完成。首先将样品碎至200目，然后称重溶样，按DZG93－09标准方法，利用ICP－MS仪器进行分析，分析的元素为Au、Ag、Cu、Pb、Zn、W、Sn、Mo、Bi、As、Hg、Co、Ni。

植物样品分析在国土资源部哈尔滨矿产资源监督检测中心完成。分别对植物的根、茎、叶3个器官样品进行焙烧和灰化，焙烧在铝或铁的容器中加热助燃，焚烧成炭－灰粉状，然后将焚烧炭－灰粉样品在马弗炉内进一步灰化，灰化温度为650～700℃时可以完全灰化成白色灰粉，将完全灰化的白色灰粉利用ICP－MS仪器进行分析。由于植物中Au的含量，尤其是背景区的含量低于检测限，分析精度差，因此在植物样品中分析的元素为Ag、Cu、Pb、Zn、W、Sn、Mo、Bi、As、Hg、Co、Ni等12种元素（表1）。

4 植物地球化学特征

4.1 成矿区与对照区植物元素分布特征

土壤微量元素含量决定于土壤母质和表生地球化学作用。土壤是植物生长所需要微量元素的主要来源，受矿化作用影响的土壤必然造成与矿化有关元素的富集。因此受矿化作用影响土壤上方的植物生长处在与矿化有关元素超常供给的环境，矿化元素对植物的胁迫造成“被强迫吸收”，使矿化区植物相对于背景区显示出较高的衬度和清晰的异常。

通过成矿区岩石、土壤的相关分析，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0.50为标准，体现出成矿元素Cu与Au、Ag、Mo、Co、Pb、Zn关系密切，与矿石主要成分和地球化学异常组合一致。由于Au在植物中含量低于检测限，因此主要考察Cu、Ag、Mo、Co、Pb、Zn在成矿区与对照区不同植物内的分布情况，成矿区白桦、蒙古栎、落叶松、红松、胡枝子、羊胡子草等体内Cu含量明显高于对照区相应植物，除Ag在个别植物中出现反常现象外，Ag、Mo、Co、Pb、Zn等也具有相似的分布（图2），反映出在矿区的植物可以形成比较明显的植物地球化学异常。

4.2 有效指示植物的选择指标

为了反映某一地区某种植物能否形成明显的植物地球化学异常，能否作为有效指示植物，提出利用若干指标来进行选择。

4.2.1 植物总富集系数

为了解某元素在各植物中的总体含量和总体衬度，反映某一地区植物地球化学异常的总体特征，提出植物总富集系数（total enriched coefficient，TEC），即

式中：TEC为总富集系数；X0i为矿区（或地球化学异常区）各植物中某元素的质量分数；Xi为矿区外围（或地球化学背景区）各植物中某元素的质量分数。多宝山成矿区与成矿有关元素的植物总富集系数（TEC）均大于1（表2），表现出可以形成植物地球化学异常的能力。

4.2.2 植物元素衬度系数

根据植物元素衬度系数（contrast coefficient，CC）概念［4］，即

式中：CC为植物元素衬度系数；A为矿区（或地球化学异常区）某植物种属中某元素的平均值；A0为矿区外围（或地球化学背景区）某植物种属中某元素的平均值。如果将多宝山成矿区作为异常区，将呼玛对照区作为背景区，那么所测植物Cu的CC均＞1，除落叶松Ag、Zn外，其他相关元素的CC也都≥1（表2）。CC不仅是反映植物异常的标志，也是选择有效指示植物的最主要的评价指标，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。植物CC指标因不同矿区和矿种不同有不同的标准，宋慈安等［10］在热带雨林区南坡铜矿植物调查时，认为植物中Cu的CC≥5即可视为有效指示植物。而从多宝山矿区分析结果，认为白桦和胡枝子Cu的CC≥2，可视为有效指示植物。

表1 黑龙江多宝山矿化区和对照区植物样品分析结果Table1 Contents of elements in plants in Duobaoshan cupper metallogenic field and contrast area

表1 （续）

图2 矿区与背景区不同植物中成矿元素含量对比图Fig.2 Contrast of metallogenic elements in Cu metallogenic field and contrast area

表2 黑龙江多宝山成矿区植物地球化学指标Table2 Phytogeochemical coefficients in Duobaoshan cupper metallogenic field

4.2.3 组合衬度系数

由于CC为某植物单一元素的指标，没有考虑到成矿元素与相关元素之间的关系，同时某种植物对某一元素可能存在偏好性从而影响CC指标的真实性，因此，笔者提出组合衬度系数（combination contrast coefficient，CCC）概念，用以反映某种植物地球化学总体异常特征，即

式中：CCC为组合衬度系数；（CC）0为主成矿元素衬度系数；（CC）i为相关元素衬度系数；ri为元素相关系数；n为相关元素个数；μ为主成矿元素系数（μ≥n）。CCC值越大植物地球化学异常越清晰，可作为有效指示植物。计算表明多宝山成矿区白桦、蒙古栎、落叶松、红松、胡枝子和羊胡子草的CCC值分别为15.78、13.43、12.38、14.60、17.74和12.55。从中可以看出白桦和胡枝子的CCC比较高，均＞15，与白桦和胡枝子Cu的CC反映的指示意义吻合，而落叶松虽然其Cu的CC排在第三位，但其CCC却排在第五位，因此不适合作为有效指示植物。从中可以看出，在选择有效指示植物方面组合衬度系数比元素衬度系数更具有确切的指示意义。

图3 多宝山成矿区不同植物器官中元素质量分数对比图Fig.3 Contrast of metallogenic elements contents in various organs in Cu metallogenic field

4.2.4 屏障系数

根据植物地球化学屏障系数（shielding coefficient，SC）概念［10］，即式中：AE0为矿区外围（或地球化学背景区）某植物对某元素的吸收效率（absorption efficiency）；AE为矿区（或地球化学异常区）某植物种属对某元素的吸收率。SC表征了背景区和异常区植物吸收率的差别，既反映了土壤和植物之间的相关性，又反映了植物地球化学异常大小，可作为植物地球化学评价指标。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；反之植物屏障效应越小，与土壤间相关性越大。植物异常主要来自当地的土壤，因此更有利于作为有效指示植物。在多宝山成矿区多数植物的SC值＜1（表2），表明植物中元素主要来源于当地土壤。如果将Cu的SC值＜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CC和CCC指标选择的植物吻合。

4.3 植物体内各器官元素的含量特征

植物根从土壤中吸收物质后，依次将物质传输到茎和叶片中。由于不同元素在植物体内的传输能力以及植物不同器官对元素的生理需求不同，元素在不同器官中的含量差别显著。在多宝山成矿区蒙古栎中Cu主要分布在茎和叶中，白桦中Cu主要分布在根和叶中，而红松、落叶松以及胡枝子、羊胡子草Cu主要分布在根中，其他元素在植物不同器官内的含量也各不相同（图3）。植物体内各器官元素含量变化的差异，体现在植物过量吸收某一元素后，不同器官对该元素承载能力的不同。对于植物地球化学找矿而言，了解植物主要器官元素含量特征对选择植物地球化学测量取样部位或取样介质具有指示意义。

5 讨论

5.1 高纬度森林覆盖区植物地球化学找矿的可行性

在森林沼泽覆盖景观和植被发育条件下，土壤中除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，往往造成某些地段的土壤化探“异常”失去了其真实性［5］。与土壤化探相比，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、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［11］。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20～500m深处的盲矿体［5］。

5.2 大兴安岭地区植物对Cu等元素的吸收性

由于植物选择性吸收元素能力的不同，同一地点不同植物累积吸收微量元素的含量表现出较大的差异，即使都在矿区，不同植物中同一元素的含量也是不一致的。以多宝山成矿区为例，Cu、Zn在红松、白桦、胡枝子、羊胡子草中含量较高，Ag在蒙古栎和胡枝子中含量大于其它植物，Mo在灌木和草本植物中含量明显高于乔木，Co、Pb在红松和羊胡子草中含量较高（图4）。总体来说，在相同土壤背景条件下，植物中微量元素含量差异主要是由于不同植物对微量元素的生理适应和耐性机制不同造成的，不一定完全与土壤背景环境相对应。对此，在进行植物地球化学测量时，选择有效的指示植物不宜简单地直接根据某一植物中元素含量高低来确定，选择典型地区对比和综合指数判断至关重要。

5.3 植物与土壤、矿石中元素的含量相关分析

即使矿区植物能够形成明显的地球化学异常，仍然需要进一步证明所形成的异常与矿区的岩石和土壤具有直接的成因关系，体现出植物地球化学异常与成矿作用的关系。为此，将多宝山矿区矿化岩石、矿体上方土壤和各种植物进行相关分析，通过相关分析可以看出，有效指示植物白桦和胡枝子与土壤A层Cu的含量密切相关，相关系数分别为0.697和0.915，而土壤A层与土壤B层、土壤B层与土壤C层、土壤C层与矿化岩石相关系数分别为0.528、0.643、0.994（表3），由此表明指示植物中Cu的异常含量主要来自矿化的岩石。

图4 矿区不同植物中元素质量分数分布图Fig.4 Metallogenic elements contents in various plans in Cu metallogenic field

表3 多宝山成矿区矿化岩石、土壤和有效指示植物Cu相关系数Table3 Correlation analysis of mineralized rock，soil and effective indicator plants in Duobaoshan cupper metallogenic field

5.4 森林覆盖区植物地球化学找矿方法

在森林覆盖区进行植物地球化学找矿的基础集中体现在勘查区的岩石、土壤和植物中与成矿有关元素含量变化以及彼此之间的地球化学成因联系上［12］。而在具体找矿方法上，首先，要确定存在植物地球化学元素异常，对此可采用矿区或异常区与对照区或背景区同种植物对比方法，配合植物总富集系数进行判断。其次，要确定出有效指示植物以及有效指示元素，对此可利用衬度系数、组合衬度系数、屏障系数进行判断。其中：衬度系数是对某一植物的单一元素的简单判断；组合衬度系数兼顾到主成矿元素与共生元素，是对一组元素的综合判断，可靠性更明显；屏障系数是基于土壤和植物之间吸收率提出的，更多地体现出矿区和背景区植物与土壤之间相关性的差异。因此，上述指数各具特色，在实际找矿中要进行综合评价。再次，要证明植物地球化学元素异常与成矿作用有关，对此可采用矿化岩石、土壤和有效指示植物相关分析方法，依据相关系数进行判断，同时也可配合吸收率指数进行判断；另外，在进行植物地球化学找矿时，采样介质也是值得关注的问题，对此可以根据植物根、茎、叶各器官内元素含量的分配特征来确定。

6 结论

1）通过对黑龙江呼玛县多宝山成矿区以及相邻呼玛县罕达气-白石砬子-宽河对照区植物地球化学实验，在斑岩型铜矿区可以形成比较明显的植物地球化学异常，与Cu相关成矿元素的植物总富集系数均大于1，表明在大兴安岭森林覆盖区利用植物地球化学进行找矿是可行的。

2）植物地球化学测量的干扰因素既受到表生地球化学条件限制，也受到生物地球化学的制约，同时还与植物的生理特性有关。在进行植物地球化学找矿前最好先进行试验研究，了解哪些植物可以形成异常，异常梯度如何，有利采样介质和样品规格等。更为重要的是要证明植物中元素异常与成矿作用、岩石和土壤异常具有成因联系，甄别由于某些植物特性所形成的假异常。

3）植物地球化学找矿关键是选取有效指示植物，避免以某一植物中元素含量多少的单一方法，应尽量选择多指标综合方法，包括成矿元素综合对比、总富集系数、衬度系数、组合衬度系数、屏障系数等。

（References）：

［1］杜琦，赵玉明，卢秉刚，等.多宝山斑岩铜矿床［M］.北京：地质出版社，1988：1－334.Du Qi， Zhao Yuming， Lu Binggang， et al.Duobaoshan Porphyry Copper Deposit［M］.Beijing：Geological Publishing House，1988：1－334.

［2］赵元艺，马志红，冯本智，等.多宝山铜矿床系统地球化学及其找矿研究［M］.长春：吉林人民出版社，1997：1－74.Zhao Yuanyi，Ma Zhihong，Feng Benzhi，et al.A Study on Systemmatic Geochemistry and Prospecting for Duobaoshan Copper Deposits，Heilongjiang［M］.Changchun：Jilin People’s Publishing House，1997：1－74.

［3］谭成印，王根厚，李永胜.黑龙江多宝山成矿区找矿新进展及其地质意义［J］.地质通报，2010，29（2／3）：436－445.Tan Chengyin，Wang Genhou，Li Yongsheng.New Progress and Significance on the Mineral Exploration in Duobaoshan Mineralization Area， Heilongjiang，China［J］.Geological Bulletin of China，2010，29（2／3）：436－445.

［4］宋慈安，雷良奇.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，2009，29（1）：1－11.Song Cian，Lei Liangqi.Research and Orientation of Exploration Vegetation Geochemistry in China［J］.Journal of Guilin University of Technology，2009，29（1）：1－11.

［5］权恒，张宏，张炯飞，等.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，1998，7（4）：241－249.Quan Heng，Zhang Hong，Zhang Jiongfei，et al.Biogeochemical Exploration in Daxing’anling Forest Covered Area ［J］.Journal of Precious Metallic Geology，1998，7（4）：241－249.

［6］赵忠海，曲晖，郭艳，等.黑龙江多宝山成矿区金矿成矿规律及找矿方向［J］.地质与资源，2011，20（2）：89－95.Zhao Zhonghai，Qu Hui，Guo Yan，et al.MetallogenicRules and Prospecting Orientation of Gold Deposit in the Duobaoshan Area，Heilongjiang Province［J］.Geology and Resources，2011，20（2）：89－95.

［7］崔根，王金益，张景仙，等.黑龙江多宝山花岗闪长岩的锆石SHRIMP U－Pb年龄及其地质意义［J］.世界地质，2008，27（4）：387－394.Cui Gen，Wang Jinyi，Zhang Jingxian，et al.U－Pb SHRIMP Dating of Zircons from Duobaoshan Granodiorite in Heilongjiang and Its Geological Significance［J］.Global Geology，2008，27（4）：387－394.

［8］赵元艺，王江朋，赵广江，等.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，2011，41（6）：1676－1687.Zhao Yuanyi，Wang Jiangpeng，Zhao Guangjiang，et al.Metallogenic Regularity and Prospecting Direction of Duobaoshan Ore Field， Heilongjiang Province，China［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2011，41（6）：1676－1687.

［9］赵元艺，马志红，仲崇学.黑龙江多宝山铜矿田1∶5万水系沉积物地球化学异常研究［J］.地质找矿论丛，1994，9（2）：75－83.Zhao Yuanyi， Ma Zhihong， Zhong Chongxue.Characteristic of Geochemical Anomaly of 1∶50 000 Stream Sediment in Duobaoshan Copper Ore field，Heilongjiang Province［J］.Contributions to Geology and Mineral Resources Research，1994，9（2）：75－83.

［10］宋慈安，杨仲平，雷良奇，等.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，2010，30（1）：1－14.Song Cian，Yang Zhongping，Lei Liangqi，et al.Characteristics of Phytogeochemistry and Prospecting Effective Indicator Plant in Xishuangbanna Nanpo Copper Field［J］.Journal of Guilin University of Technology，2010，30（1）：1－14.

［11］Kovalevskii A L.Biogeochemical Prospecting for Ore Deposits in the USSR［J］.Journal of Geochemical Exploration，1984，21：62－73.

［12］Batista M J，Abreu M M，Serrano Pinto M.Biogeochemistry in Neves Corvo Mining Region，Iberian Pyrite Belt Portugal［J］.Journal of Geochemical Exploration，2007，92：159－176.