甲基卡稀有金属矿区北方雪层杜鹃植物地球化学特征及对隐伏锂矿的指示

刘 婷，梁 斌，段嘉欣，徐志强，蒋 卉，王秋波

西南科技大学 环境与资源学院，绵阳 621010

植物一般具有发达的根系，在覆盖层较浅的地区，其主根或侧根常能穿透覆盖层，接触到风化的基岩及与基岩有关的地下水，从而吸收矿物表面或地下水中的多种元素，并储存于其根、茎、叶以及果实之中，化学成分能反映地下一定深度的矿化物质特征，因而是重要的地球化学采样介质（Anand et al., 2007; Kовалевский, 1987; 孔令韶 , 1988; 任天祥等, 1993; Brooks et al., 1995; 伍静, 2003; Reid et al., 2009）。对于被风化物或运积物覆盖的隐伏矿（化）体，常规地球化学勘探方法常常受到限制，需要运用一些具备穿透性的地球化学勘查方法（王学求等, 2012, 2016；谢学锦和王学求, 2003; 张必敏等, 2018），而植物地球化学方法是已经被实践证明了的具有一定穿透性的找矿方法（Anand et al.,2007; Dunn and Angelica, 2000; Parduhn et al., 1991;Brooks et al., 1995），并应用于不同地球化学景观区来寻找隐伏矿床（胡西顺等, 1992; 北良行和李适龄, 1992; 权恒等, 1998; Anand and Paine, 2002;Anand et al., 2007; 宋慈安等, 2012, 2016; 贾大成等，2013）。

位于青藏高原东部的四川省甘孜州甲基卡花岗伟晶岩型稀有金属矿区，是我国规模最大的以锂为主的稀有金属矿床富集区，形成了完整的Li-Be-Nb-Ta成矿系列（付小方等，2015; 2017）。矿区平均海拔在4500 m左右，属高寒丘状高原地球化学景观区。由于矿区地表不同成因的第四系覆盖严重，以往地质找矿工作主要局限在基岩出露区，对于极具找矿潜力的第四系覆盖区的隐伏矿体的找矿工作进展缓慢。虽然常规的水系沉积物、土壤化探等勘查地球化学方法对出露区找矿靶区的圈定效果很好，但难以较准确地指示第四系覆盖物之下的矿体（付小方等，2017）。因此，要在第四系覆盖区取得新的找矿突破，必须探索新的找矿技术方法，植物地球化学找矿方法是值得尝试的方法之一，而前人在该区尚未进行此种方法的研究。另外，该区是少数民族聚居地，土壤化探采样常常受到阻扰，而植物地球化学测量以植物作为采样介质，绿色环保易采取，也符合当今绿色勘探的找矿理念。

本文以甲基卡稀有金属矿区的优势灌丛植物——北方雪层杜鹃（Rhododendron nivaleHook. f.subsp. boreale Philipson et M. N. Philipson）为采样介质，对矿区内804号、烧炭沟（ST）等代表性隐伏锂矿体上方杜鹃的植物地球化学异常特征，以及对隐伏矿体的指示进行了研究，以期为甲基卡稀有金属矿区覆盖区的找矿突破提供新的技术方法。

1 自然景观及地质概况

甲基卡稀有金属矿区位于青藏高原东缘四川甘孜州康定市境内，海拔4200～4500 m，地形起伏较小，为高寒丘状自然景观，属大陆高原山地气候。该区土壤以山地草甸土和山地中性棕壤为主，植被为高山草甸植被类型，以草甸、灌丛和垫状植被为主。常见的草甸植物以禾本科为主，其次为菊科、毛莨科、玄参科和豆科等。灌丛主要为北方雪层杜鹃（Rhododendron nivaleHook. f. subsp. boreale Philipson et M. N. Philipson），是矿区内分布最为广泛的灌木植物群落；垫状植被限于山脊或有裸岩地段。

矿区大地构造位置位于青藏高原东缘松潘—甘孜造山带的雅江被动陆缘残余海盆褶皱—推覆带中段，为花岗岩穹隆控制的稀有金属矿区（付小方等，2015，2017）。穹隆中心为二长花岗岩侵入体，侵入体周围为上三叠统西康群砂板岩经动热变质形成的云母片岩，围绕花岗岩侵入体分布有千余条花岗伟晶岩脉，规模较大的有509条，其中工业矿体和矿化伟晶岩114条（付小方等，2017）。以花岗岩侵入体为中心，微斜长石型、微斜长石—钠长石型、钠长石型、钠长石—锂辉石型和钠长石—锂（白）云母型伟晶岩脉呈环带分布（图1）。矿区内地表主要被残坡积物、沼泽堆积物等不同成因的第四系广泛覆盖，覆盖面积达80%以上，一般厚度在2～10 m左右，最厚可达20 m。

图1 甲基卡稀有金属矿区地质简图及研究矿体位置图Fig. 1 Simplified geological map showing the Jiajika rare metal deposits and the location of studied ore bodies

2 试验方法

2.1 采样介质的选取

甲基卡稀有金属矿区内草本植物分布虽然十分广泛，但种类复杂，且多为根系深度很浅的一年生植物，不适合作为植物地球化学找矿的采样介质。北方雪层杜鹃几乎不同密度地分布于全矿区，为多年生常绿灌丛，根系发育相对较深，一般在50～100 cm左右，部分根系可达2 m以上，且易于识别，生物量大，便于样品采集。北方雪层杜鹃属杜鹃花科杜鹃属的多年生常绿小灌木（图2），分枝多而稠密，常平卧成垫状，高60～ 90 cm。幼枝褐色，密被黑锈色鳞片，叶簇生与小枝顶端或散生，长3.5～9 mm，宽2～5 mm。花序顶生，有1～3朵，果呈圆形至卵圆形，花期5～8月，果期8～9月。

图2 矿区中的北方雪层杜鹃Fig. 2 Rhododendron nivale Hook. f. in the mining area

因此，本次植物地球化学找矿试验选取北方雪层杜鹃作为采样对象，在对杜鹃根、茎、叶不同器官成矿元素富集特征研究的基础上（刘婷，2020），确定采集其上部的细枝条和叶。

2.2 试验隐伏矿体的选择及样品的采集

本次试验是首次在甲基卡稀有金属矿区选用北方雪层杜鹃作为采样介质，研究其植物地球化学特征对隐伏锂矿体的指示。因此，试验选取已做了地质勘探、矿床地质资料较详细的代表性804、烧炭沟（ST）等隐伏锂矿体为试验对象。

804号锂矿体位于矿区东北部（图1），是一条被第四系覆盖、通过地球物理手段发现，并经过钻探验证的隐伏矿脉。该矿脉长470 m，厚度约5～16 m，Li2O平均品位1.2%，脉体西倾，约60°左右，矿体顶部埋深约3～8 m，沿倾向方向埋深大于100 m。在804号矿体中部布置了一条东西走向的采样剖面，全长204 m，在矿体顶部及倾向方向采样间距为5～10 m，矿外为20～50 m，由东向西共采集15件植物样品（图3）。

烧炭沟锂矿体（ST）位于矿区东南部（图1），是最近发现的位于地表以下50～100 m的一条隐伏矿体，矿体倾向65°左右，大致呈南北走向，控制长度约300 m，平均厚度约5 m左右，倾角20°～30°，Li2O 平均品位 1.15%。沿 131号勘探线（长340 m，勘探线方向65°），在矿体上方按10 m间距、矿外20～40 m间距，采集植物样品22件（图5）。

植物样品的采集方式为：在采样点周围5～10 m2范围内取2～3株生长状况较一致的植株，采集上部茎、叶组合为一个样，湿重约500 g。

2.3 样品的处理及测试

所有植物样品采集后在当地用自来水洗净残留的土壤颗粒和灰尘，自然晾干后带回实验室做进一步处理。在室内依次用自来水和去离子水反复冲洗，洗净后将样品置于60℃的烘箱内干燥至衡重，再分别将烘干的植物样品粉碎至20目以下。取粉碎后的样品粉末0.25 g置于聚四氟乙烯坩埚中，加入适量浓度为68%的硝酸、30%的过氧化氢和高浓度氢氟酸，于电热板上150℃高温消解，蒸至近干透明小液滴状态后，用2%稀硝酸定容至10 mL。

将处理好的植物样品送四川地矿局成都综合岩矿测试中心分析测试，采用ICP-MS测试Li、Be、Rb、Cs、Nb、Ta、W、Sn、Sr等元素。

3 矿体上方植物地球化学异常特征

3.1 804号矿体

由植物地球化学异常参数表（表1）和异常剖面图（图3）可见，在804号锂矿体上方Li、Be、Rb、Cs、Ta、W、Sn、Sr等元素出现了较为明显的植物地球化学综合异常，异常宽度约为50 m。成矿元素Li、Be、Cs等异常衬度均在2和5之间，异常峰值分别达到了 0.33×10-6、9.8×10-9、4.285×10-6，Ta的异常衬度达到7.9，异常峰值为72×10-9。上述成矿元素及伴生元素的异常均出现在隐伏矿体上方，能够较好地指示804号锂矿体的存在。

图3 804号锂矿体上方植物地球化学剖面图Fig. 3 The cross-section of the botano-geochemical anomaly of the 804 ore body

表1 不同矿床植物地球化学异常参数Table 1 Botano-geochemical anomaly parameters of different deposits

以Li、Be、Rb、Cs、Ta等成矿元素的背景值作为标准，除相应元素的含量，并对结果进行取整，求得各个元素的响应率（Response Ratios）。从上述元素的累积响应率（图4）可以看出，这些成矿及伴生元素的累积响应率与隐伏矿体也具有良好的对应关系，同样也指示了隐伏矿体的存在。

图4 804号矿体上方植物地球化学元素累积响应率图Fig. 4 The multi-element cumulative response ratios of the 804 ore body

3.2 烧炭沟锂矿床（ST）

由表1和图5可见，在烧炭沟锂矿床上方Li、Be、Rb、Cs、Nb、Ta、W、Sn等成矿及伴生元素发育了明显的植物地球化学综合异常，综合异常宽度约150 m，与下伏隐伏矿体相对应。Li、Be、Rb、Cs等成矿元素组成连续的多峰异常，异常衬度在1.5～3.7之间，其中Li和Be的异常衬度分别为2.3、3.7，异常峰值达到了5.250×10-6、13.615×10-6。W、Sn、Ta等元素在勘探线上均只形成一个明显的异常峰值。Nb元素在矿体上方的异常相较于其余集中异常元素比较弱，且沿勘探线往北东方向该元素的含量呈上升趋势，可能受北东方向湖边沼泽影响。上述Li、Be、Rb、Cs等成矿及伴生元素的异常均出现在隐伏矿体上方，能够较好地指示地下100 m左右的隐伏锂矿体的存在。

图5 烧炭沟矿体上方植物地球化学剖面图Fig. 5 The cross-section of botano-geochemical anomaly of the ST ore body

烧炭沟锂矿体Li、Be、Rb、Cs、Ta等成矿及伴生元素的累积响应率图（图6），上述元素的累积响应率与隐伏矿体也具有良好的对应关系，元素组合异常更加明显，同样也指示了隐伏矿体的存在。

图6 烧炭沟矿体上方植物地球化学异常元素累积响应率图Fig. 6 The multi-element cumulative response ratios of the ST ore body

4 植物地球化学异常成因探讨

植物地球化学测量法之所以能用来寻找隐伏矿体，主要有两方面的原因，一是植物根系具有较大的穿透力，在极浅覆盖区，可以深入到覆盖层之下；二是隐伏矿体周围，与矿化有关的元素形成高浓度的离子晕，在多种营力的作用下经过漫长时间，被迁移到地表附近，形成盐类扩散晕或水化学晕，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（胡西顺等，1993；Dunn and Angelica, 2000；Dunn et al., 1996; Kovalevsky and Kovalevskaya, 1989）。对于隐伏矿体来说，在大多数情况下植物根系并未与矿体直接接触，而是与矿体上方或矿体附近形成的高浓度离子晕或水文地球化学晕接触（谭秋明，1999 ；Kовалевский，1987；胡西顺，1993）。

甲基卡矿区能够指示隐伏矿体的北方雪层杜鹃的根系深度并不足以穿透覆盖层，无法直接从深部捕获矿化信息，其植物地球化学异常应是植物根系吸收地表附近盐类扩散晕或水文地球化学晕形成的。耿艳（2019a，b）在研究甲基卡稀有金属矿区土壤金属活动态异常对隐伏矿体指示性时，通过采用0.2 mol/L硫酸钾提取了804号矿体上方土壤中Li、Be、Cs等元素的金属活动态，包括水溶态和吸附态等以离子形式存在元素，很好地指示了隐伏矿体的存在，而这部分元素正是从深部迁移至地表被土壤捕获的。将同采样点位的植物中Li、Be、Cs等元素的异常与土壤中Li、Be、Cs等元素的金属活动态相对比（图7），两者之间具有很好的一致性。因此可以推测，北方雪层杜鹃植物地球化学异常是植物吸收了土壤溶液中来源于从深部矿体迁移至地表附近的呈水溶态和吸附态等离子形式存在的元素所形成的。

图7 804号矿体脉植物地球化学异常与元素活动态对比（土壤元素活动态结果引自耿艳，2019b）Fig. 7 Elements in mobile forms of the 804 vein contrasting with the botano-geochemical anomaly

5 结论

通过以甲基卡稀有金属矿区优势植物种属—北方雪层杜鹃为采样介质，开展了植物地球化学异常寻找隐伏锂矿的试验工作，得到以下认识：

（1）北方雪层杜鹃是甲基卡稀有金属矿区中的优势植物种属，在隐伏锂矿体的上方形成了明显的Li、Be、Rb、Cs等成矿元素植物地球化学异常，能够指示地表以下100 m左右的隐伏矿体，是该矿区以及川西高原类似地区寻找隐伏锂矿值得进一步探索的方法之一。

（2）引起隐伏锂矿体上方植物地球化学异常，可能是植物吸收了土壤溶液中来源于从深部矿体迁移至地表附近的呈水溶态和吸附态等离子形式存在的元素所形成的。