郭志娟，馬生明，席明杰，胡樹起

（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000）

0 前言

土壤熱磁組分測(cè)量作為隱伏礦勘查的一種新方法，能夠強(qiáng)化微弱的礦化信息，在運(yùn)積物覆蓋區(qū)地球化學(xué)勘查中顯現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景［1］，但是由于覆蓋區(qū)地球化學(xué)異常通常都是比較弱，如何依據(jù)土壤熱磁組分測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)來(lái)確定異常元素組合及其指示意義，是異常評(píng)價(jià)和解釋的關(guān)鍵。統(tǒng)計(jì)分析是地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理中常用的方法，但是否能應(yīng)用于土壤熱磁組分測(cè)量數(shù)據(jù)處理，有效提取和篩選出有用的地球化學(xué)信息和元素組合，尚需要探討。

作為處理數(shù)據(jù)中多變量關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析方法，因子分析和聚類分析運(yùn)用的較為廣泛［2］。有研究表明［3、4］，因子分析和聚類分析都能夠提取反映成礦特征的化學(xué)元素組合信息，進(jìn)而用于分析反映成礦特征元素間的共生組合關(guān)系，區(qū)分礦致異常與非礦致異常，推斷礦床成因類型［5］。

作者在本文利用因子分析和聚類分析方法，以準(zhǔn)蘇吉花試驗(yàn)區(qū)土壤熱磁組分測(cè)量元素的分析數(shù)據(jù)為對(duì)象，對(duì)統(tǒng)計(jì)分析在土壤熱磁組分測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。結(jié)果證實(shí)，根據(jù)成礦元素間的相關(guān)性劃分元素組合類型，利用各因子得分計(jì)量圖展現(xiàn)這種綜合指標(biāo)，圈定綜合異常是可行的，且每個(gè)組合變量具有各自不同的指示意義，與試驗(yàn)區(qū)控礦地質(zhì)條件相吻合。

1 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)概況

準(zhǔn)蘇吉花試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)蘇尼特左旗，地處西伯利亞板塊東南大陸邊緣晚古生代陸緣增生帶［6］。區(qū)內(nèi)出露的地層為石炭系～二疊系寶力高廟組變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖和粉砂質(zhì)板巖，寶力高廟組兩側(cè)為巖漿巖，南側(cè)為石炭紀(jì)黑云母二長(zhǎng)花崗巖，北側(cè)為二疊紀(jì)花崗閃長(zhǎng)巖（見(jiàn)下頁(yè)圖1）。

準(zhǔn)蘇吉花鉬礦床為中高溫巖漿熱液礦床。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，其中北東向斷裂為主要控巖控礦構(gòu)造，礦體主要賦存于北西向張性斷裂構(gòu)造中［7］。區(qū)內(nèi)呈北西向分布的硅質(zhì)脈及石英脈較為發(fā)育，多具有鉬礦化現(xiàn)象。礦床礦石礦物主要為輝鉬礦、黃銅礦等，礦化蝕變主要有褐鐵礦化、孔雀石化、高嶺土化及絹云母化等。

圖1 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological map on test area

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)多為厚度不等的風(fēng)成砂土覆蓋，且礦床屬于隱伏礦，大多數(shù)礦體埋藏深度大于50m。地表礦化非常弱，僅見(jiàn)兩條鉬礦化脈產(chǎn)出，常規(guī)土壤測(cè)量在該區(qū)找礦中的應(yīng)用受到限制。

2 試驗(yàn)研究方法

2.1 樣品采集與處理

在準(zhǔn)蘇吉花試驗(yàn)區(qū)2km2范圍內(nèi)，作者按100×40m網(wǎng)度采集土壤磁樣品560件，采樣深度20cm～40cm，參照土壤熱磁組分樣品處理方案，對(duì)所采集的土壤樣品置于馬弗爐中焙燒（焙燒溫度650℃，焙燒時(shí)間40min），待樣品冷卻后利用電磁分選分離出土壤中的熱磁組份，采用等離子體質(zhì)譜法（ICP－MS）對(duì)于土壤熱磁組分中 Ag、As、Bi、Cd、Cu、In、Mn、Mo、Pb、Sb、Te、W、Zn、Fe共十四種元素進(jìn)行分析測(cè)定。

2.2 統(tǒng)計(jì)分析方法

作者采用統(tǒng)計(jì)分析方法包括因子分析和聚類分析兩種。

（1）因子分析是用少數(shù)幾個(gè)因子來(lái)描述眾多變量之間的聯(lián)系［8］，即將相互之間關(guān)系比較密切的幾個(gè)變量歸在同一個(gè)因子中，以較少的因子來(lái)反映原變量的大部份信息。

（2）聚類分析是根據(jù)變量間存在著程度不同的相似性，找出能夠度量變量之間相似程度的統(tǒng)計(jì)量，將所有變量分別聚合到不同的類之中，使得具有共同特征的變量聚集在一起［9］。它與因子分析的區(qū)別在于：聚類分析從定性的角度依據(jù)變量間的相關(guān)程度進(jìn)行類別的劃分，而因子分析注重研究變量間的共生組合關(guān)系［10］，更能從元素地球化學(xué)的角度反映不同元素組合間的相關(guān)關(guān)系和成因聯(lián)系。利用因子分析和聚類分析兩種方法進(jìn)行相互印證，能增加試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

從地球化學(xué)角度來(lái)講，合理的元素組合能夠反映特定的礦化信息，因?yàn)樵氐姆植肌?、帶出是某些因素共同在起控制作用的?1］。地球化學(xué)異常元素組合的確定在地球化學(xué)勘查中至關(guān)重要，利用統(tǒng)計(jì)分析方法，可以把大量數(shù)據(jù)中具有內(nèi)在成因聯(lián)系的元素歸結(jié)為幾個(gè)因子或幾類，從而提取礦化指示元素組合信息，以推斷地球化學(xué)作用過(guò)程，實(shí)現(xiàn)地球化學(xué)場(chǎng)的分解，研究元素在不同地質(zhì)過(guò)程中的地球化學(xué)行為，圈定地球化學(xué)異常，進(jìn)行成礦過(guò)程和成礦元素遷移、富集變化的解釋分析［12］。

3 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

3.1 因子分析結(jié)果

因子分析的前提是原有變量間要有較強(qiáng)的相關(guān)性，因此作者首先利用巴特利特球度檢驗(yàn)（Bartlett）和KMO檢驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)關(guān)系檢驗(yàn)。Bartlett球度檢驗(yàn)是檢驗(yàn)相關(guān)矩陣是否為單位矩陣，若對(duì)應(yīng)的概率P值小于給定的顯著水平α，則表明原始數(shù)據(jù)適宜作因子分析。KMO度量標(biāo)準(zhǔn)為：KMO＞0.9，非常適合；0.8＜KMO＜0.9，適合；0.7＜KMO＜0.8，一般；0.6＜KMO＜0.7，不太適合；KMO＜0.5，不適合。即KMO值越接近于“1”，表明變量間共同因子越多，研究數(shù)據(jù)越適合因子分析［13］。

對(duì)準(zhǔn)蘇吉花試驗(yàn)區(qū)十四個(gè)元素，560件土壤熱磁樣組分品進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。由表1可知，概率P 值為“0”，KMO值為“0.734”，表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)適合作因子分析。

試驗(yàn)中采用基于主成份模型的因子分析方法，根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣的特征根和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率（見(jiàn)表2），確定合適的因子數(shù)，采用正交旋轉(zhuǎn)因子負(fù)載矩陣（見(jiàn)下頁(yè)表4）來(lái)劃分元素組合。

從表2中可以看出，選取累計(jì)方差貢獻(xiàn)率＞80%提取到三個(gè)因子，除Cd元素提取后共同度為64%外，其它變量共同度都在70%以上（見(jiàn)表3），表明提取后信息損失較少，因子分析效果較好。

根據(jù)因子分析的基本原理，采用正交旋轉(zhuǎn)因子負(fù)載矩陣反映的元素組合，更具合理性和可解釋性。從表2中可知，F(xiàn)1、F2、F3三個(gè)因子的方差貢獻(xiàn)率分別為39.05%、25.27%和18.57%。這三個(gè)因子分別代表了研究區(qū)內(nèi)特定的元素組合：①F1因子代表的元素組合為 Mo、Cu、Ag、Bi、W、Te和Fe；②F2因子代表的元素組合為Pb、Sb、As、Mn和Fe；③F3因子代表的元素組合為Zn、In、Cd。通過(guò)對(duì)各因子中共生或伴生元素組合類型分析，可以揭示各元素相互間的成因聯(lián)系，為異常的評(píng)價(jià)解釋提供依據(jù)。

表1 KMO和Bartlett檢驗(yàn)表Tab.1 KMO and Bartlett′s verifying table

表2 因子解釋原有變量總方差情況Tab.2 List showing the primary variables′total variance of factors solution

表3 因子分析初始解Tab.3 Initial solution of factor analysis

表4 正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Tab.4 Orthometric rotating factor loading matrix

3.2 聚類分析結(jié)果

聚類分析是先將最相似的的兩個(gè)變量聚為一小類，再去與最相似的變量或小類合并，進(jìn)而反映個(gè)別變量之間及變量組合之間的親疏程度。元素組合反映出不同種類礦化指示元素因本身地球化學(xué)性質(zhì)的差異而表現(xiàn)出在共生組合上的“物以類聚”的特性，聚類譜系圖能夠清楚地表現(xiàn)分類結(jié)果［14］。

對(duì)試驗(yàn)區(qū)的十四個(gè)元素進(jìn)行聚類分析（見(jiàn)下頁(yè)圖2），采用“組間聯(lián)接”聚類法生成樹狀聚類，將十四個(gè)元素分為三類：①第一類Cu、Mo、Ag、W、Bi和Te，代表與成礦作用有關(guān)的Mo－Cu元素組合；②第二類：As、Pb、Sb、Fe和 Mn；③第三類：In、Zn和Cd。

根據(jù)元素的相關(guān)系數(shù)可知（見(jiàn)后面的表5），Mo與Cu、Ag、Bi、W的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到“0.80”以上，表明它們之間的關(guān)系最為密切，其次是Pb、Sb、Mn，相關(guān)系數(shù)在“0.7”以上，Zn與In呈明顯的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為“0.89”，而與其它元素的相關(guān)性則較差，除As、Ag、Zn之外，F(xiàn)e與其它元素都表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)都達(dá)到“0.60”以上，對(duì)于不同的組合之間，Pb與Mo、Zn呈明顯的負(fù)相關(guān)。

由圖2、圖3（見(jiàn)下頁(yè)）可以看出，聚類分析和因子分析結(jié)果是比較吻合的，總體上將試驗(yàn)區(qū)十四種元素劃分為三類，將三類組合分別用F1、F2、F3來(lái)表示，每類組合中各元素間表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性（如后面的表5所示），不同類之間則表現(xiàn)出各自的差異性。

4 元素組合類型劃分

通過(guò)因子分析和聚類分析，將準(zhǔn)蘇吉花試驗(yàn)區(qū)種十四個(gè)元素變量歸納為三個(gè)因子，每個(gè)因子代表一種元素組合，每個(gè)元素組合代表了不同的礦化指示意義。

（1）F1為試驗(yàn)區(qū)占主要地位的因子，元素組合為 Mo、Cu、Ag、Bi、W、Te和Fe，從試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)特征分析，這是一組與中溫?zé)嵋旱V床成礦作用密切相關(guān)的元素組合類型，主要分布于試驗(yàn)區(qū)中部二疊紀(jì)花崗閃長(zhǎng)巖與石炭系～二疊系地層接觸帶附近，與已知礦體分布范圍相對(duì)應(yīng)。從元素的地球化學(xué)親和性來(lái)看，Cu、Ag、Te為親硫性元素，W、Mo、Bi同屬偏高溫元素，地球化學(xué)性質(zhì)相近，W在火成巖中是典型的親石元素，在火成巖分異產(chǎn)物中 W、Mo共生［15］，Mo、W、Bi在酸性花崗巖中富集，可以代表與巖漿熱液有關(guān)的元素組合類型，主要對(duì)應(yīng)區(qū)內(nèi)中酸性侵入體和巖脈。結(jié)合試驗(yàn)區(qū)實(shí)際礦化特征，Mo、Cu兩個(gè)元素的相關(guān)性非常好，為該區(qū)的主成礦元素，Ag、Bi、W、Te、Fe為相關(guān)伴生元素組合。在土壤熱磁組分測(cè)量中，土壤熱磁組分的主要成份為鐵的氧化物，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，將鐵歸結(jié)到與成礦元素組合這一因子之中，也從統(tǒng)計(jì)分析的角度證實(shí)了土壤熱磁組分對(duì)礦化指示元素的富集作用，主要來(lái)自土壤中鐵的氧化物對(duì)這些元素的富集作用。

這一因子具有兩方面的指示意義，一是指示了燕山早期花崗巖的侵入，二是指示了鉬礦體與華力西期的花崗閃長(zhǎng)巖具有專屬關(guān)系。由于受北北西向控制的華力西期花崗閃長(zhǎng)巖與石炭系～二疊系寶力高廟組碎屑巖內(nèi)接觸帶，為該區(qū)域的主要成礦部位。Mo、W、Bi作為高溫元素，代表了巖漿熱源或巖體位置，Mo一般富集在熱液中，或分散在巖漿巖的造巖礦物中，為該礦床為巖漿熱液型中溫?zé)嵋旱V床提供依據(jù)。

（2）F2因子為試驗(yàn)區(qū)占次要地位的因子，元素組合為Pb、Sb、As、Mn、Fe，主要分布在試驗(yàn)區(qū)東南部石炭系～二疊系地層中。Pb是親硫元素，表生條件下不易遷移，Sb、As屬低溫半金屬兩性元素，地球化學(xué)行為相近，遷移能力較強(qiáng)［15］，Mn、Fe為土壤熱磁組分的主要組成元素。Fe同時(shí)在F1和F2因子中出現(xiàn)，相比較而言，F(xiàn)e與F1因子的相關(guān)性較大，進(jìn)一步佐證了作為土壤熱磁組分的主要元素組成，F(xiàn)e對(duì)礦化指示元素較強(qiáng)的富集作用。

（3）F3代表的元素組合為Zn、In、Cd，主要分布于試驗(yàn)區(qū)北部花崗閃長(zhǎng)巖與石炭系～二疊系地層中。Zn、Cd都是親硫元素，又具有相當(dāng)?shù)挠H石性，Zn元素活動(dòng)性相當(dāng)高，遷移能力強(qiáng)，二者的地球化學(xué)性質(zhì)在很多方面都相似［16］，In與Cd的性質(zhì)最相近，其次是Zn，在熱液成礦作用過(guò)程中，In與Zn一起發(fā)生強(qiáng)烈的活化、遷移，Zn與In、Cd在成礦過(guò)程中具密切的組合關(guān)系。

5 綜合異常特征

根據(jù)F1、F2、F3綜合變量得分值繪制相應(yīng)的因子得分計(jì)量圖，F(xiàn)1、F2、F3綜合變量的異常下限分別確定為1.04、1.17和1.18，根據(jù)相應(yīng)的異常下限圈定各組合變量的綜合異常（見(jiàn)圖4）。

表5 礦化指示元素的相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.5 Correlation coefficient matrix of mineralization elements

圖4 因子得分計(jì)量圖（元素綜合異常）Fig.4 Maps showing factor score（Integrated anomalies of elements）

（1）F1變量中異常區(qū)的元素組合為 Mo、Cu、Ag、Bi、W、Te、Fe，異常以 Mo、Cu為主，呈啞鈴狀，近東西向展布，規(guī)模較大，襯度值較高，中高溫成礦元素Mo、Cu與Ag有著明顯的正相關(guān)性特征，且異常強(qiáng)度高，具明顯的濃集中心，重疊性好，伴以Ag、Bi、W、Te、Fe，規(guī)模較小，分布在 Mo異常范圍內(nèi)。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)礦化特征分析，F(xiàn)1變量中組合異常為礦致異常，空間上處于二疊紀(jì)閃長(zhǎng)花崗巖與石炭系～二疊系變質(zhì)粉砂巖的接觸帶上，異常位置與已知礦體賦存位置及傾向延深十分吻合，尤其在富礦部位，異常濃集中心清晰，顯示出對(duì)礦體良好的指示作用。異常區(qū)石英細(xì)脈發(fā)育，出現(xiàn)強(qiáng)烈的褐鐵礦化、孔雀石化等圍巖蝕變現(xiàn)象，熱液礦化蝕變與成礦作用有著密切的關(guān)系。

（2）F2變量中元素組合為Pb、Sb、As、Mn，以Pb為主異常，其它元素呈單點(diǎn)小異常零星分布在主異常的邊部，異常規(guī)模較小，但異常強(qiáng)度高，濃集中心明顯。F2變量中組合異常遠(yuǎn)離礦體位置，主要分布在主成礦元素異常的外圍，在礦體產(chǎn)出位置形成明顯的負(fù)異常。區(qū)內(nèi)出露寶力高廟組碎屑巖，該異常區(qū)礦化活動(dòng)較弱，是否反映了礦床的成礦環(huán)境信息還有待深入探討。

（3）F3變量中元素組合為Zn、In、Cd，異常規(guī)模較小，位于試驗(yàn)區(qū)東北方向，呈啞鈴狀，異常元素圈閉良好，長(zhǎng)軸近東西向展布，短軸呈北東向展布，與試驗(yàn)區(qū)內(nèi)北東向排列的石英細(xì)脈相吻合。

6 結(jié)論

作者在本文中，利用統(tǒng)計(jì)分析對(duì)土壤熱磁組分測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)十四種元素進(jìn)行組合劃分，根據(jù)因子得分計(jì)量圈定綜合異常圖。結(jié)果表明，主成礦元素及相關(guān)伴生元素相關(guān)性較好，綜合異常圖充分展現(xiàn)出元素含量在空間上的變化趨勢(shì)，并準(zhǔn)確指示出元素疊加富集地段和成礦元素異常分布特征。

聚類分析和因子分析劃分出的元素組合基本上是一致的，將十四種元素劃分為三類，每類中各元素間都表現(xiàn)出相互密切的相關(guān)性，各個(gè)組合所蘊(yùn)含的地球化學(xué)信息與研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)特征都有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Mo、Cu、Ag、W、Bi組合分布在試驗(yàn)區(qū)二疊紀(jì)花崗閃長(zhǎng)巖與石炭系～二疊系地層接觸帶附近，很好地指示了礦體產(chǎn)出位置，從元素共生組合關(guān)系上很好地揭示了礦床的地質(zhì)成因背景和演化特征。

將統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用到土壤熱磁組分測(cè)量地球化學(xué)異常解釋和評(píng)價(jià)中，使得異常的圈定更為簡(jiǎn)便和有效，可以更好的從整體上認(rèn)識(shí)區(qū)內(nèi)地球化學(xué)元素異常特征，以及土壤熱磁組分中各元素間所蘊(yùn)含的地球化學(xué)信息的關(guān)聯(lián)性，為深層次強(qiáng)化異常信息提供了更為可靠的理論依據(jù)。

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