宋　瑋,雷良奇,宋慈安,丁汝福

(1.廣東工業(yè)大學 計算機學院,廣州　510006;2.桂林理工大學 a.廣西礦冶與環(huán)境科學實驗中心;b.地球科學學院,廣西 桂林　541004;3.北京礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,北京　100145)

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新疆喀拉通克銅鎳礦區(qū)植物地球化學特征及找礦有效植物和元素的選擇

宋瑋1,雷良奇2,宋慈安2,丁汝福3

(1.廣東工業(yè)大學 計算機學院,廣州510006;2.桂林理工大學 a.廣西礦冶與環(huán)境科學實驗中心;b.地球科學學院,廣西 桂林541004;3.北京礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,北京100145)

摘要：喀拉通克銅鎳礦區(qū)植被屬土礫質(zhì)荒漠植被類型。優(yōu)勢植物群落為白莖絹蒿(Seriphidium terrae-albae(Krasch.) Poljak),主要伴生植物有小蓬(Nanophyton erinaceum(Pall.) Bunge)、冷蒿(Artemisia frigida Willd.)等。通過對該區(qū)植物地球化學及植物對元素的積聚性研究,發(fā)現(xiàn)本區(qū)植物主要為富Ca、Mg貧K、Na地球化學類型。從區(qū)域背景→礦區(qū)背景→礦床上部,植物群落總體和多數(shù)植物種屬的成礦及伴生元素含量逐漸增高;概率分布曲線從單峰正態(tài)分布到多峰分布;元素在不同植物種屬中的分配不均勻。區(qū)域背景植物中的Cu、Ni含量與大多數(shù)元素呈正相關的關系;礦床上部Cu、Ni與其他元素正相關程度降低甚至出現(xiàn)負相關。植物對元素的吸收具有選擇性和屏障效應。植物中積聚系數(shù)大的元素其襯度反而降低,積聚系數(shù)小的其襯度反而增高。本區(qū)白莖絹蒿、小蓬、冷蒿等植物可作為植物地球化學勘查的重要采樣介質(zhì);駝絨藜、角果藜等可作為輔助采樣介質(zhì)。Cu、Ni、Ag可作為優(yōu)先選擇的指示元素;Pb、As、Bi、Co、Au可作為一般性指示元素;Zn、Cr、Mn、Mo不宜作為指示元素。

關鍵詞：植物地球化學;找礦有效植物和元素;荒漠;銅鎳礦;喀拉通克；新疆

利用植物地球化學開展礦產(chǎn)普查和尋找被戈壁荒漠掩埋的隱伏礦床有著較長的歷史[1-8],現(xiàn)在依然得到一些國家和地區(qū)的重視和應用,并顯示出其獨特的優(yōu)越性[9-15]。國內(nèi)這方面的研究相對較少,僅有少數(shù)學者在西北某些地區(qū)開展過一些植物地球化學找礦的試驗工作[16-19]。北疆喀拉通克大型巖漿型銅鎳礦床是準噶爾成礦區(qū)薩吾爾-二臺Cu、Ni、Au、Mo成礦帶中的標志性礦床。近年來, 筆者在該區(qū)開展植物地球化學找礦工作, 對喀拉通克礦床及其區(qū)域植物地球化學特征進行了研究, 旨在為該區(qū)利用植物地球化學方法進行找礦提供理論基礎依據(jù)。

1地質(zhì)概況

喀拉通克礦區(qū)位于新疆阿勒泰地區(qū)富蘊縣境內(nèi),大地構造位置處于西伯利亞板塊和哈薩克斯坦-準噶爾板塊的結合部位,即東準噶爾北部額爾齊斯深大斷裂的南側,薩吾爾-二臺晚古生代島弧帶內(nèi)。礦區(qū)地層主要為石炭系下統(tǒng)南明水組(C1n),其下段主要為凝灰質(zhì)粉砂巖、 泥板巖、 硅質(zhì)巖、 含礫粉砂巖等, 底部與下伏中泥盆統(tǒng)蘊都喀拉組(D2y)火山巖系呈不整合接觸; 中段為沉火山角礫巖、 中粗屑凝灰?guī)r、 沉凝灰?guī)r等; 上段為中粗屑-粉屑沉凝灰?guī)r、 含炭質(zhì)凝灰(板)巖等, 其間夾多層安山巖。 區(qū)內(nèi)斷裂構造發(fā)育, 以NW和NNW向斷裂為主， NW向斷裂為本礦區(qū)的控巖斷裂, 基性雜巖體呈帶狀沿該斷裂帶分布(圖1)。 區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)11個基性雜巖體, 均侵位于晚石炭世南明水組中。 雜巖體巖相分帶明顯, 自下而上依次為: 黑云角閃輝綠輝長巖相、黑云角閃橄欖蘇長巖相、 黑云角閃蘇長巖相和黑云閃長巖相,各巖相呈過渡關系。晚期酸性巖脈發(fā)育,如鈉長斑巖、花崗斑巖。礦床類型為巖漿熔離型銅鎳礦,均為盲礦體。礦體呈巢狀、船狀、脈狀,多產(chǎn)于巖體的中、下部。礦石構造從致密塊狀到稠密、中等稠密到稀疏浸染狀均有,礦石礦物有50余種,其中以磁黃鐵礦、黃銅礦、鎳黃鐵礦、黃鐵礦、紫硫鎳礦和磁鐵礦等為最主要的礦物成分。成礦元素為Cu、 Ni, 伴生元素有Au、Ag、 Pt、 Pd、 Co、 Se、 Te、 S、 Pb、 Sb、 Bi、 As等。基性巖體的圍巖在外接觸帶發(fā)育角巖化和碳質(zhì)石墨化;內(nèi)接觸帶發(fā)育圍巖蝕變,主要為碳酸鹽化、絹云母化、綠泥石化、陽起石化、黝簾石化、蛇紋石化、滑石化等[20-21]?；詭r體及其圍巖的成礦元素和主要伴生元素含量明顯高于遠離巖體的礦區(qū)背景地層巖石和晚期各種酸性巖脈,更高于區(qū)域背景地層巖石。如基性雜巖及其圍巖Cu和Ni的含量分別是礦區(qū)背景的26.6倍和13.4倍,是區(qū)域背景的67.4倍和19.5倍;Au和Ag的含量分別是礦區(qū)背景的3.4倍和15.2倍,是區(qū)域背景的5.6倍和18.4倍(表1)。

圖1　喀拉通克銅鎳礦區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1　Geological sketech map of Kalatongke Cu-Ni ore field in Xinjiang 1—早古生代花崗巖;2—晚古生代花崗巖;3—區(qū)域大斷裂;4—基性雜巖體及編號;5—隱伏巖體及編號;6—地層界線;7—不整合界線;8—斷層及編號;9—研究剖面;10—見礦鉆孔及編號;Ⅰ—烏倫古海溝;Ⅱ—薩吾爾-二臺島弧(泥盆紀-石炭紀火山巖和火山碎屑巖);Ⅲ—克蘭弧后盆地(泥盆紀細碧角斑巖建造);Ⅳ—可可托海巖漿弧(寒武紀-石炭紀變質(zhì)復理石建造);Ⅴ—諾爾特斷陷盆地(泥盆紀-石炭紀火山沉積巖);Q—第四系殘坡積層和沖積層;C1n3—石炭系下統(tǒng)南明水組上段中粗屑-粉屑沉凝灰?guī)r、含炭質(zhì)凝灰(板)巖夾安山巖;C1n2—南明水組中段沉火山角礫巖、中粗屑凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r;C1n1—南明水組下段凝灰質(zhì)粉砂巖、泥板巖、硅質(zhì)巖等;φπ—鈉長斑巖;γπ—花崗斑巖

2自然景觀及植物群落特征

礦區(qū)位于準噶爾盆地東北緣, 屬山前平原戈壁荒漠地貌,地形相對平坦, 高差不大, 海拔高程為900～980 m。 礦區(qū)北30 km有額爾齊斯河, 洪水期主要發(fā)生在春夏冰雪融化時期, 最大洪水流量為400 m3/s, 最高水位8.5 m, 一般流量40 m3/s。 該區(qū)屬典型大陸性氣候, 夏季炎熱少雨、 冬季嚴寒多雪。 年平均氣溫在4～6 ℃, 極端最高氣溫39 ℃以上, 極端最低氣溫-20 ℃以下; 年降雨量在130～170 mm, 雨季在7～8月, 日最大降雨量16 mm;日蒸發(fā)量最高為18 mm,一般8～9 mm;積雪期在11月至次年4月。氣候干燥,相對濕度小;晝夜溫差顯著,物理風化強烈;春季多風,風力強勁,可達8～10級。礦區(qū)內(nèi)無常年性地表水體和地下水露頭,殘山丘陵發(fā)育有干溝,春季冰雪消融或夏季暴雨時, 有短暫性的流水。 地勢平坦的戈壁荒漠廣泛分布第四系松散堆積覆蓋物, 主要由風積沙土、 沖洪積砂礫或二者混合組成, 呈半膠結狀。 風積沙土通常為粉砂質(zhì); 砂礫石從細砂到粒徑大于20 cm的漂石均有, 呈次棱角狀, 磨圓度及分選性差。 覆蓋物厚度0.5～50 m, 一般厚度3～5 m。 覆蓋較厚處形成孔隙潛水, 其礦化度0.25 g/L, 水化學類型為SO4-K+Na·Ca型或CO3-K+Na·Ca型。第四系覆蓋物下的基巖風化強烈,風化層厚度0～30 m,裂隙極為發(fā)育,形成貫通的裂隙網(wǎng)絡而成為基巖裂隙潛水,其礦化度<0.3 g/L,水化學類型為HCO3-Ca型或HCO3-Ca·Mg型。深部基巖斷裂破碎裂隙發(fā)育時,則與其上第四系孔隙潛水、基巖裂隙潛水發(fā)生水力聯(lián)系,形成構造含水體。

表1　基性巖體及其圍巖與礦區(qū)、區(qū)域背景巖石 微量元素的平均含量Table 1　Microelement mean contents in basic rock mass and its surrounding rocks and rocks of the mining area and regional background in KalatongkewB/10-6

注: 括號內(nèi)為樣品數(shù)。 ①基性雜巖樣品為輝綠輝長巖、 輝長閃長巖、 輝長蘇長巖、 黑云角閃蘇長巖、 黑云角閃橄欖蘇長巖及橄欖輝綠輝長巖; ②巖體圍巖樣品為蝕變的凝灰質(zhì)粉砂巖、 中粗屑凝灰?guī)r、 沉凝灰?guī)r、 粉屑沉凝灰?guī)r、 含炭質(zhì)凝灰?guī)r及硅質(zhì)巖; ③礦區(qū)背景巖石樣品為C1n沉凝灰?guī)r、 硅質(zhì)巖、 粗屑沉凝灰?guī)r、 凝灰?guī)r及安山巖; ④礦區(qū)酸性巖脈樣品為石英斑巖、 花崗斑巖和鈉長斑巖;⑤區(qū)域背景巖石樣品為C1n沉凝灰?guī)r、 安山質(zhì)凝灰?guī)r、 凝灰質(zhì)粉砂巖、 安山巖及D2y安山質(zhì)凝灰?guī)r、 安山巖。測試單位: 桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院測試中心, 2015年。

礦區(qū)植被屬土礫質(zhì)荒漠植被類型, 具有植物群落種屬組成少、 覆蓋度低及旱生的特征。 廣泛分布占優(yōu)勢的植物群落為白莖絹蒿(Seriphidiumterrae-albae(Krasch.) Poljak.), 其覆蓋度為20%～25%。白莖絹蒿屬菊科, 絹蒿屬, 多年生小半灌木。主根粗, 木質(zhì), 根狀莖粗大; 直立或斜向上生長, 高8～30 cm; 其根系發(fā)達, 葉片細小, 遍體柔毛, 是典型超旱生沙生植物, 具有極強的抗旱、 耐熱、 抗風沙和耐土壤瘠薄的能力[22-25]。伴生植物主要有小蓬(Nanophytonerinaceum(Pall.) Bunge)(藜科, 小蓬屬)、 冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld.)(菊科, 苦蒿屬)、 駝絨藜(Ceratoideslatens(J.F.Gmel.) Reveal & N.H.Holmgren)(藜科, 駝絨藜屬)、 角果藜(CeratocarpusarenariusL.)(藜科, 角果藜屬)、 駱駝蓬(PeganumharmalaL.)(蒺藜科, 駱駝蓬屬)、 木地膚(Kochiaprostrata(L.) Schrad.)(藜科, 地膚屬); 伴生植物還有梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.) Bunge ex Fenzl)(菊科, 梭梭屬)、 三界羊茅(FestucakurtschumicaE.B.Alexeev)(禾本科, 羊茅亞屬)、 芨芨草(Achnatherumsplendens(Trin.)Nevski)(禾本科,芨芨草屬)、苔草(Carextristachya)(莎草科, 苔草屬)、 兔兒條(SpiraeahypericifoliaL.) (薔薇科, 繡線菊屬)以及鹽生假木賊(Anabasissalsa(C.A.Mey.) Benth.ex Volkens)(藜科, 假木賊屬)、 鹽爪爪(Kalidiumfoliatum(Pall.) Moq.)(藜科, 鹽爪爪屬)、 紅砂(Reaumuriasoongarica(Pall.) Maxim.)(怪柳科, 紅砂屬)、 紅柳(TamarixramosissimaLedeb.)(怪柳科, 怪柳屬)等[22-25]。有些植物在荒漠局部微景觀中可形成局域的優(yōu)勢植物，如鹽爪爪、 鹽生假木賊等在荒漠中較低洼的鹽堿化地帶,駱駝蓬在溪溝臺地或綠州邊緣輕鹽漬化沙地,芨芨草沿有地下水活動的斷裂破碎裂隙帶等都較發(fā)育。

3植物的地球化學特征

植物地球化學采樣,礦床采用剖面法(點距 10～50 m)和隨機布點相結合,礦區(qū)背景及區(qū)域背景區(qū)均采用隨機布點;植物采集除優(yōu)勢植物白莖絹蒿外,還采集其他伴生植物。采集的植物器官為一二年生葉及細枝,采集時除去泥土,質(zhì)量約400 g。共采集了15種植物。樣品采集后, 適當截斷,送加工房; 清洗、 晾干、烘干(60 ℃)、 粉碎(至 0.1～0.2 mm);稱樣、用硝酸-過氧化氫消解法處理后定量分析。測定元素含量以占植物干重表示。送樣時, 密碼插植物國家標樣和重分析樣各6個以監(jiān)控分析質(zhì)量[26-27]。檢查結果均符合化探分析允許誤差。

3.1植物中主要元素的含量

由表2可見,本區(qū)各種植物中的K、Na、Ca、Mg及P的含量所占的比例很大,它們是植物中的主要元素。 1)植物群落總體主要元素的平均含量(wB, 下同),K、Na、Ca、Mg及P的區(qū)域背景分別是1.66%、2.60%、1.36%、1.19%和0.130%, 礦區(qū)背景分別為0.75%、 1.32%、 1.21%、 1.08%和0.131%,礦床上部分別為0.79%、1.34%、1.05%、1.20%和0.120%。相對于世界植物元素的平均濃度值[28-29],Na、Ca、Mg尤其是Na明顯偏高,而K、P偏低。2)同種的植物大多數(shù)無論是在區(qū)域、礦區(qū)背景，還是在礦床上部K、Na、Ca和Mg的量差別并不大;但不同種的植物其含量差別很大,如區(qū)域背景的鹽爪爪K、Na含量分別是白莖絹蒿的21倍和31倍;礦區(qū)背景的梭梭K、Na含量分別是白莖絹蒿的8倍和19倍;礦床上部的梭梭K、Na含量分別是白莖絹蒿的7.9倍和19倍。3)根據(jù)植物的K+Na、Ca+Mg的含量及(K+Na)/(Ca+Mg)值, 可以將植物劃分為富K、Na貧Ca、Mg和富Ca、Mg貧K、Na兩種地球化學類型。在研究區(qū)特別是在礦床上部和礦區(qū)背景的范圍內(nèi),富Ca、Mg貧K、Na型的植物種類占大多數(shù)。建群植物白莖絹蒿屬于富Ca、Mg貧K、Na型,其K、Na含量低, K+Na含量也低于Ca+Mg含量,其在區(qū)域、礦區(qū)背景和礦床上部的(K+Na)/(Ca+Mg)值均小于1,僅為0.28、0.22和0.27。其他一些伴生植物如小蓬、冷蒿、駝絨藜、角果藜、三界羊茅、苔草、兔兒條、芨芨草也都屬于富Ca、Mg貧K、Na型。富K、Na貧Ca、Mg型的植物主要產(chǎn)于區(qū)域背景一些局部較低洼的鹽堿化地帶或小綠洲的邊緣,主要是鹽爪爪、鹽生假木賊、梭梭、紅砂、駱駝蓬、木地膚等。它們不僅具有較高的K+Na含量,而且(K+Na)/(Ca+Mg)值遠遠大于1,如梭梭在區(qū)域、礦區(qū)背景和礦床上部(K+Na)/(Ca+Mg)值分別是2.99、 3.35和2.23; 駱駝蓬在區(qū)域、 礦區(qū)背景和礦床上部(K+Na)/(Ca+Mg)值分別是2.39、2.33和2.93。生于低洼鹽堿地的鹽爪爪和鹽生假木賊(K+Na)/(Ca+Mg)值高達5.03和4.57。植物的不同地球化學類型是由它們生長的環(huán)境條件和本身的生理生態(tài)學特性所決定的。由于研究區(qū)主要屬于山前平原土礫質(zhì)荒漠,僅局部低洼地段出現(xiàn)鹽堿化沙地,所以植物的地球化學類型主要是富Ca、Mg貧K、Na型。

3.2植物中微量元素的含量

由表2可見:1)植物群落總體微量元素的平均含量(wB/10-6),無論是區(qū)域背景、礦區(qū)背景還是礦床上部大多數(shù)都超過了世界植物平均濃度值[28-29]。低于世界植物平均值的區(qū)域背景僅有Ni、Zn、Mn、W、B,礦區(qū)背景僅有Zn、Mn、W、B,礦床上部僅有W、B。特別是從區(qū)域背景→礦區(qū)背景→礦床上部,植物群落總體成礦及主要伴生元素含量高于世界植物均值幅度逐漸增高。如Cu的含量從區(qū)域背景→礦區(qū)背景→礦床上部高于世界植物平均值的倍數(shù)是1.2→3.5→16.8;Ni是0.5→1.3→8.5;Au是19.5→22.0→70.0;Ag是13.5→24.5→139.5。Co、Pb、As、Bi、Hg等元素也具有類似的規(guī)律。因此,從大區(qū)域來說,研究區(qū)域是一個以喀拉通克礦床為中心的Cu、Ni、Au、Ag等元素的植物地球化學高背景區(qū)。2)從相同植物種屬來看,大多數(shù)植物中成礦及主要伴生元素的含量,明顯地表現(xiàn)出從區(qū)域背景→礦區(qū)背景→礦床上部逐漸增高的趨勢,這說明植物體內(nèi)元素含量的增高和礦化作用有著密切的關系。如從區(qū)域背景→礦區(qū)背景→礦床上部,建群植物白莖絹蒿中元素的含量(wB/10-6,下同):Cu為18、 57和247, Ni為32、 23和141, Au為0.003 3、0.004 7和0.014 7,Ag為0.030、0.065和0.304;伴生植物小蓬中元素的含量:Cu為19、43和252,Ni為16、20和181,Au為0.006 1、0.006 0和0.013 8,Ag為0.020、0.037和0.212;冷蒿中元素的含量:Cu為17、47和147;Ni為11、18和115;Au為0.004 3、0.006 1和0.017 1;Ag為0.056、0.071和0.261。3)從不同植物種屬來看,無論是在區(qū)域背景、礦區(qū)背景還是在礦床上部,元素在不同植物種屬中的分配是不均勻的。主要表現(xiàn)在不同種屬中高含量元素(高于植物群落總體平均值50%左右的元素)的種數(shù)有較大差別。如區(qū)域背景中, 高含量元素種類較多的種屬有小蓬(高含量元素種類14種， 下同)、白莖絹蒿(11)、 木地膚(7)、 駱駝蓬(6)、 冷蒿(5)、 三界羊茅(4)等; 礦區(qū)背景中, 只有白莖絹蒿(8)、 三界羊茅(8)、 小蓬(4)等; 在礦床的上部, 只有三界羊茅(8)、 白莖絹蒿(4)、 木地膚(4)等。從區(qū)域背景→礦區(qū)背景→礦床上部,不僅含高含量元素的植物種屬減少,而且這些植物中高含量元素的種數(shù)也明顯減少。有些植物種屬無論是在區(qū)域或礦區(qū)背景還是在礦床上部,其體內(nèi)高含量元素的種類都很少(如駝絨藜、果角藜),甚至沒有一種元素的含量高(如苔草、芨芨草)。

表2　礦床上部、礦區(qū)及區(qū)域背景植物中元素的平均含量Table 2　Element mean contents in plants in the upper part of the deposit and the mining and regional background area

續(xù)表2

單位:w(K,Na,Ca,Mg,P)/10-2; 其余wB/10-6。括號內(nèi)數(shù)字為樣品數(shù)。

3.3植物中微量元素含量的概率分布

從植物群落總體中成礦及主要伴生元素含量的統(tǒng)計概率分布(圖2)可以看出: 1)區(qū)域背景植物群落總體微量元素的含量較低,變化范圍較小,概率分布基本呈單峰的正態(tài)分布,說明在區(qū)域背景區(qū)植物所吸收的各元素的含量應屬于巖石土壤背景的含量, 反映的是植物中元素的初始本底含量, 這種含量是在巖石土壤的正常背景區(qū)植物的種屬含量。2)礦區(qū)背景植物微量元素的含量及變化范圍略有增加,概率分布呈單峰的正態(tài)分布略向右(含量高的方向)傾斜,有的元素在右側出現(xiàn)一個小“峰”, 說明在礦區(qū)背景區(qū)植物所吸收的各元素的含量也基本屬于巖石土壤中背景的含量,僅有極少量后期蝕變或成礦作用的疊加, 這種含量基本上還是在巖石土壤的正常背景區(qū)植物的種屬含量。3)礦床上部植物微量元素的含量與區(qū)域及礦區(qū)背景明顯不同,元素的平均含量明顯增高,變化范圍也增大, 且呈現(xiàn)多峰分布,說明礦區(qū)植物除吸收它本身的種屬含量外, 還被脅迫較多地吸收了因后期蝕變或成礦作用巖石土壤中元素含量增大的那一部分含量。因此植物作為一種微量元素的自然賦存介質(zhì),同巖石土壤一樣也遵從元素的概率分布一般性規(guī)律[30]。

圖2　植物中微量元素含量的概率分布Fig.2　Probability distribution of microelement content in plants

3.4植物中Cu、Ni含量與其他元素含量之間的相關關系

研究區(qū)為銅鎳礦區(qū),是一個Cu、Ni的植物地球化學高背景區(qū),因此Cu、Ni對其他元素的植物地球化學的賦存狀態(tài)也有著重要影響。由圖3可見:1)在區(qū)域背景,絕大多數(shù)元素同Cu、Ni呈曲線正相關關系(R>0.25), 其中As、 Co、 Au、 Pb、 Zn、 Sb、 Bi、 Cr、 V、 Ti、 Mn呈近線性的曲線正相關關系(R>0.50), 只有少數(shù)元素同Cu、 Ni呈近零相關(R<0.25)或曲線負相關(R<0),這些元素都是植物的主要元素K、Na、Ca、Mg、P以及Mo、W、B等。2)那些在區(qū)域背景同Cu、Ni呈曲線正相關特別是呈近線性的曲線正相關的元素,在礦區(qū)背景尤其是在礦床上部,其正相關關系的程度都有所降低,相關系數(shù)R>0.50的元素,從區(qū)域背景的10～11個,減少到礦區(qū)背景的5～6個,到礦床上部僅有2～3個。其中許多元素的R都降到0.50～0.25甚至到小于0，呈負相關。如Pb、Zn、Sb、Bi、Cr、V、Ti、Mn。3)那些在區(qū)域背景同Cu、 Ni呈近零相關或曲線負相關的元素, 在礦區(qū)背景尤其是在礦床上部, 其負相關關系的程度更為明顯, 其中許多元素的R都降到0～-0.50甚至到小于-0.50。以上現(xiàn)象可能說明了植物吸收的元素之間存在著一定的互促互斥關系。在較正常的元素含量背景條件下, 植物對各種微量元素的吸收可能比較均衡, 因此Cu、 Ni同大多數(shù)元素呈曲線正相關的關系, 但到了礦區(qū)背景特別是礦床上部, 巖石和土壤中的Cu、 Ni成礦元素及各種伴生元素含量增多, 植物同時大量吸收這些元素將會影響其正常生長, 其中某些元素將會被拒絕過多吸收。這可能是礦床上部Cu、 Ni同其他元素正相關關系程度降低甚至出現(xiàn)負相關關系的原因。

4植物中元素積聚性能及有效指示植物和元素的選擇

植物吸收積聚某元素的含量與其生長地巖石或土壤中該元素含量之比稱為元素的生物積聚系數(shù)[30-32],積聚系數(shù)反映了植物對元素的積聚能力的大小,也反映了植物對元素吸收的選擇性。研究植物對元素的積聚性能對于選擇開展植物地球化學勘查的有效植物及元素,正確評價植物地球化學異常都有著重要的意義。由表1和表2計算出的礦床上部、礦區(qū)背景及區(qū)域背景植物中元素的生物積聚系數(shù)(KJJ)可以看出(表3): 1)在區(qū)域背景和礦區(qū)背景中,某種植物的不同元素的積聚系數(shù),或者某種元素的不同植物的積聚系數(shù)差別都非常之大。如白莖絹蒿、小蓬、冷蒿等的大多數(shù)元素的積聚系數(shù)都較大,而駝絨藜、果角藜等的大多數(shù)元素的積聚系數(shù)都相對較小;Cu、Ni、Ag、Zn的大多數(shù)植物的積聚系數(shù)都較大,Co、Pb、As、Mn的大多數(shù)植物的積聚系數(shù)都相對較小。這說明在沒有礦化影響的背景條件下, 植物對元素的吸收是有選擇性的。2)植物群落總體及大多數(shù)植物種屬中成礦及主要伴生元素除As外的積聚系數(shù)從區(qū)域背景→礦區(qū)背景→礦床上部,基本上都呈降低的趨勢。這說明生長于巖石土壤成礦區(qū)及伴生元素較高的礦床上部的植物,具有一定的自我保護的機能, 即盡可能拒絕過多地吸收這些元素, 使其體內(nèi)這類元素的濃度保持在一定的極限之下,其表現(xiàn)形式體現(xiàn)在降低其積聚系數(shù)。這種機能稱為植物的地球化學屏障效應[30-34]。3)進一步考查礦床相對于礦區(qū)及區(qū)域背景巖石及植物中各元素含量之比(襯度)后(表 4),還發(fā)現(xiàn)植物中積聚系數(shù)大的元素其襯度反而有所降低,積聚系數(shù)小的其襯度反而有所增高。最典型的是白莖絹蒿和駝絨藜。白莖絹蒿的Cu在礦區(qū)及區(qū)域背景的積聚系數(shù)分別為1.500和1.200, 駝絨藜的Cu分別為0.789和0.533; 但前者礦床相對于礦區(qū)及區(qū)域背景Cu的襯度分別為4.33和13.72, 后者Cu的襯度分別為5.10和19.43。 白莖絹蒿的Ni在礦區(qū)及區(qū)域背景的積聚系數(shù)分別為1.438和2.909， 駝絨藜的Ni分別為0.625和0.273； 但前者礦床相對于礦區(qū)及區(qū)域背景Ni的襯度分別為6.13和4.40,后者Ni的襯度分別為12.70和42.33。4)有效指示植物的選擇。 本區(qū)白莖絹蒿、 小蓬、 冷蒿等幾種積聚性較強的植物, 它們又是優(yōu)勢植物或主要的伴生植物,易于采樣。它們在礦床上部會吸收較多的元素而產(chǎn)生高積聚量,雖襯度略顯降低,但仍可清晰辨認,可作為植物地球化學找礦的重要采樣介質(zhì)。對于積聚性較弱的一般性伴生植物如駝絨藜、角果藜等, 雖然在礦床上部它們產(chǎn)生的元素積聚量不及積聚性較強的植物,但襯度較高,異常良好,可用它們作為輔助采樣對象。5)植物介質(zhì)中指示元素的選擇。在考查元素的積聚系數(shù)的同時,要重點考查它們的襯度。本區(qū)Cu、Ni、Ag在大多數(shù)植物中積聚系數(shù)都較大,而且在巖石和大多數(shù)植物的襯度也較高,是可優(yōu)先選擇的指示元素。另外Pb、As、Bi及Co、Au在背景中的積聚系數(shù)一般,但其襯度特別是相對于區(qū)域背景的襯度較高或一般,也是可供選擇的指示元素。Zn、Cr、Mn、Mo雖然積聚系數(shù)較高或一般,但它們在巖石和大多數(shù)植物中的襯度普遍較低,在本區(qū)不適宜作為指示元素。

圖3　植物中Cu(a)、Ni(b)含量與其他元素含量之間的相關關系Fig.3　Relationship between the contents of Cu(a) and Ni(b) in plants and other elements

表3　礦床上部、礦區(qū)及區(qū)域背景植物中微量元素的生物積聚系數(shù)(KJJ)Table 3　Biological accumulation coefficient (KJJ) of microelements in plants in the upper part of the deposit and the mining and regional background area

表4　礦床相對于礦區(qū)及區(qū)域背景巖石及植物中微量元素含量的襯度(KCD)Table 4　Microelement contents contrast(KCD)in plants in the upper part of the deposit relative to the mining and regional background area

5結論

(1)喀拉通克巖漿熔離型銅鎳礦區(qū)地處準噶爾盆地東北緣,屬典型大陸性氣候;地貌為山前平原戈壁荒漠;植被屬土礫質(zhì)荒漠植被類型,具有植物群落種屬組成少、覆蓋度低及旱生的特征。占優(yōu)勢的植物群落為白莖絹蒿(Seriphidiumterrae-albae(Krasch.) Poljak.), 覆蓋度為20%～25%。主要伴生植物有小蓬(Nanophytonerinaceum(Pall.) Bunge)、 冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld.)等。

(2)根據(jù)植物的主要元素K+Na、 Ca+Mg的含量及(K+Na)/(Ca+Mg)值, 可以將植物劃分為富K、Na貧Ca、Mg和富Ca、Mg貧K、Na兩種地球化學類型。礦區(qū)內(nèi)富Ca、Mg貧K、Na型的植物種類占大多數(shù)。建群植物白莖絹蒿屬于富Ca、Mg貧K、Na型。

(3)從區(qū)域背景→礦區(qū)背景→礦床上部,植物群落總體的成礦及伴生元素含量高于世界植物平均值幅度逐漸增高;多數(shù)植物種屬成礦及伴生元素的含量逐漸增高;元素含量的概率分布表現(xiàn)出含量變化范圍增大,概率分布曲線從單峰正態(tài)分布到多峰分布的特征。無論是在區(qū)域背景、礦區(qū)背景還是在礦床上部,元素在不同植物種屬中的分配是不均勻的。

(4)在元素含量較正常的區(qū)域背景下,植物對各種微量元素的吸收較為均衡,植物中Cu、Ni含量與大多數(shù)元素含量之間呈曲線正相關的關系;在礦區(qū)背景特別是礦床上部Cu、Ni及伴生元素含量增多時,某些元素將會被過多的拒絕吸收,造成Cu、Ni同其他元素正相關關系程度降低甚至出現(xiàn)負相關的關系。

(5)在區(qū)域背景和礦區(qū)背景中,白莖絹蒿、小蓬、冷蒿的大多數(shù)元素的積聚系數(shù)都較大,而駝絨藜、果角藜的大多數(shù)元素的積聚系數(shù)相對較小;Cu、Ni、Ag、Zn的大多數(shù)植物的積聚系數(shù)都較大,而Co、Pb、As、Mn的大多數(shù)植物的積聚系數(shù)相對較小,反映出植物對元素的吸收具有選擇性;植物群落總體及多數(shù)植物種屬中成礦及伴生元素的積聚系數(shù)從區(qū)域背景→礦區(qū)背景→礦床上部基本上呈降低的趨勢,反映出植物對元素的吸收存在著地球化學屏障效應。植物中積聚系數(shù)大的元素其襯度反而降低(如白莖絹蒿),積聚系數(shù)小的其襯度反而增高(如駝絨藜)。

(6)本區(qū)白莖絹蒿、小蓬、冷蒿等植物對多數(shù)元素積聚性較強,在礦床上部具有元素高含量的積聚量,是優(yōu)勢植物或主要的伴生植物,雖襯度略顯降低,但仍清晰可辨,可作為植物地球化學找礦的重要采樣介質(zhì);一般性伴生植物駝絨藜、角果藜等雖積聚性較弱,產(chǎn)生的元素積聚量稍低,但可形成襯度較高的異常,可作為輔助采樣介質(zhì)。本區(qū)Cu、Ni、Ag在多數(shù)植物中積聚系數(shù)較大,且襯度較高,可作為優(yōu)先選擇的指示元素。Pb、As、Bi及Co、Au積聚系數(shù)一般,但其襯度較高或一般,也可作為指示元素。Zn、Cr、Mn、Mo在多數(shù)植物中襯度較低,不宜作為指示元素。

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文章編號:1674-9057(2016)02-0195-12

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.001

收稿日期：2015-09-15

基金項目：國家自然科學基金項目(41363003; 40972220)

作者簡介：宋瑋(1978—), 女, 博士, 講師, 研究方向: 分布式數(shù)據(jù)存儲、 地球化學數(shù)據(jù)算法設計, color_unsw@126.com。

中圖分類號：P632.4；P618.41

文獻標志碼：A

Characteristics of phytogeochemistry and prospecting choices of effective plants and elements in Kalatongke Cu-Ni ore field,Xinjiang

SONG Wei1, LEI Liang-qi2, SONG Ci-an2, DING Ru-fu3

(1.School of Computers, Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China;2.a.Guaugxi Scientific Experiment Center of Mining, Metallurgy and Environment;b.College of Earth Sciences, Guilin University of Technology,Guilin 541004,China;3.Beijing Research Institute of Geology for Mineral Resources, Beijing 100145,China)

Abstract:The vegetation in Kalatongke Cu-Ni ore field belongs to a type of soil gravel hungriness one. Seriphidium terrae-albae(Krasch.) Poljak. is a dominant floral community and Nanophyton erinaceum(Pall.) Bunge and Artemisia frigida Willd.,etc.major associated plants in the ore field.The main geochemical type of plants in this region are rich in Ca and Mg,but poor in K and Na. From the region background area, the mining area to the upper part of the deposit, contents of ore-forming elements and associated elements increase gradually and probability distribution curve changes from single peak normal distribution to multi peak distribution in plant community and most plant species. Distribution of elements in different plant species is uneven. Contents of Cu and Ni in plants have positive correlation relationships with most elements in the background area, but their positive correlation degree with other elements decreases and even appears negative correlation in the upper part of the deposit. Plant absorption of elements has selective and shielding effects. When the accumulation coefficient of elements is large, their contrast decreases, but the accumulation coefficient of elements is relatively small, their contrast increases in plants. In this ore field,Seriphidium terrae-albae(Krasch.) Poljak.,Nanophyton erinaceum(Pall.) Bunge and Artemisia frigida Willd.,etc.can be used as important sampling media and Ceratoides latens (J.F.Gmel.) Reveal & N.H.Holmgren and Ceratocarpus arenarius L.,etc.can be used as auxiliary sampling medium in phytogeochemistry prospecting. Cu,Ni and Ag can be used as preferred indicator elements, Pb,As,Bi,Co and Au can be used as general indicator elements and Zn,Cr,Mn and Mo should not be used as indicator elements.

Key words:characteristics of phytogeochemistry;effective prospecting indicator plant and element;desert area;Cu-Ni ore field;Kalatongke;Xinjiang

引文格式：宋瑋,雷良奇,宋慈安,等.新疆喀拉通克銅鎳礦區(qū)植物地球化學特征及找礦有效植物和元素的選擇[J].桂林理工大學學報，2016,36(2):195-206.