因子分析在土壤地球化學(xué)測量中的應(yīng)用：以大興安嶺北段呼中地區(qū)為例

史冬巖，張坤，張玉鵬，高勇，唐偉，呂明奇，石金國

1.黑龍江省自然資源調(diào)查院，哈爾濱 150036；2.黑龍江省地礦投資集團有限公司，哈爾濱 150036；3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；4.黑龍江省第五地質(zhì)勘查院，哈爾濱 150036

0 引言

研究區(qū)位于大興安嶺地區(qū)北段東麓，行政區(qū)劃屬黑龍江省大興安嶺地區(qū)呼中區(qū)管轄，地處大興安嶺北段的森林植被淺覆蓋區(qū)域，前人對東北森林沼澤區(qū)化探異常查證方法進行了廣泛的技術(shù)研究[1--4]。化探手段在森林沼澤地區(qū)的礦產(chǎn)勘查中發(fā)揮著重要作用，近年來區(qū)域上新發(fā)現(xiàn)礦床，如塔源二支線鉛鋅礦床、碧水鉛鋅礦床、下嘎來奧伊河鉛鋅礦床[5]、岔路口鉬礦床、小柯勒河銅鉬礦床等，都是在以化探信息為線索的基礎(chǔ)上查證并發(fā)現(xiàn)的。但前人對化探信息的應(yīng)用多側(cè)重于在元素濃集中心尋找相應(yīng)礦床，而對元素組合差異所反映的不同找礦線索尚未引起足夠重視，以致在勘查工作的早期不能對礦區(qū)進行預(yù)判和較綜合的認識。

大比例尺土壤測量作為化探的重要手段，其對分析數(shù)據(jù)的正確處理與合理解釋在找礦工作中具有重要意義。因子分析是地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域中傳播最快、使用最廣的多元統(tǒng)計方法之一，在地球化學(xué)分區(qū)與礦床成礦預(yù)測中具有廣泛應(yīng)用[6--8]，其為一種降維的方法，利用新變量來替換原始變量，并通過對新變量的分析達到合理解釋的目的，從而有效指導(dǎo)找礦工作。筆者通過對1∶20 000土壤地球化學(xué)測量成果進行因子分析，得到3個新變量，探討了各因子組合與成礦元素的關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)，對成礦過程進行推斷預(yù)測。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于大興安嶺北段額爾古納地塊內(nèi)(圖1a)。早古生界主要為島弧或弧火山沉積建造；中生代以來，在歐亞板塊與太平洋板塊相互作用的影響下形成濱太平洋陸緣巖漿弧疊加在天山—興蒙造山系之上。區(qū)域內(nèi)先后經(jīng)歷了古亞洲洋陸緣增生--濱太平洋大陸邊緣活動等構(gòu)造演化。有學(xué)者認為，大興安嶺中生代的大面積火山巖帶與古太平洋的俯沖密切相關(guān)[9--13]。

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，大興安嶺在中生代早期—中期的巖漿活動與蒙古—鄂霍茨克洋南向的俯沖有關(guān)[14--28]，而古太平洋板塊對該地區(qū)的俯沖及巖漿活動則發(fā)生于中生代晚期。所以，大興安嶺北段在早中生代就已具備形成斑巖型、接觸交代型等礦床的有利條件。

1.1 地層

區(qū)域內(nèi)有古生界(下石炭統(tǒng)紅水泉組)、中生界(上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組和瑪尼吐組、下白堊統(tǒng)白音高老組和甘河組)和新生界(第四系)等地層出露(圖1b)。

紅水泉組：在區(qū)域北部，發(fā)育早石炭世海相正常碎屑巖、灰?guī)r，局部夾凝灰?guī)r的地層序列，并遭受淺變質(zhì)作用；滿克頭鄂博組：在區(qū)域的西部與北部，以酸性火山熔巖和火山碎屑巖為主，為陸相火山強烈爆發(fā)形成，火山噴發(fā)韻律發(fā)育，經(jīng)LA--ICP--MS鋯石U--Pb同位素分析，年齡為(164.2±1.8)Ma；瑪尼吐組：在區(qū)域的東北角與南側(cè)，覆蓋于滿克頭鄂博組火山巖之上的中性火山熔巖以及火山碎屑沉積巖；白音高老組：在區(qū)域的東南側(cè)，為一套以流紋質(zhì)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)集塊巖為主的酸性火山巖建造；甘河組：在區(qū)域的東南角，為一套以溢流相為主的基性熔巖組合；第四系：呈北東、北西向展布，分布在現(xiàn)代河流附近，由洪泛及河流側(cè)向遷移所形成的地貌單元組成，呈長條形、枝杈狀，與河谷形態(tài)相似。

1.2 侵入巖

研究區(qū)內(nèi)侵入巖主要見二長花崗巖、正長花崗巖等出露于中部，北東向展布。侵入巖區(qū)大部分為二長花崗巖，南西側(cè)為中粗粒正長花崗巖，呈巖株狀侵入紅水泉組地層，被滿克頭鄂博組地層覆蓋。經(jīng)LA--ICP--MS鋯石U--Pb同位素分析，花崗巖年齡為(179.3±1.6)Ma，歸屬早侏羅世。

區(qū)域內(nèi)脈巖出露較多，主要有正長斑巖、花崗斑巖、閃長巖、閃長玢巖和流紋斑巖等。其中花崗斑巖多呈脈狀、巖瘤狀出露，與銀、鉬礦化關(guān)系密切；正長斑巖主要出露于侵入巖體邊部，與花崗斑巖、閃長玢巖相伴生，走向北東，與銀、鉬礦化關(guān)系密切。

①喜桂圖—塔源斷裂；②賀根山—黑河斷裂；③索倫—西拉木倫—長春縫合帶；④嘉蔭—牡丹江斷裂；⑤伊通—依蘭斷裂；⑥敦化—密山斷裂。

1.3 構(gòu)造

區(qū)域上的北東向深大斷裂形成于蒙古—鄂霍茨克洋板塊俯沖時期，并誘導(dǎo)出一系列北西向及北北西向次級斷裂，具重要的控巖控礦作用。巖石普遍具碎裂結(jié)構(gòu)，孔隙度較高，為成礦物質(zhì)的運移、交代、沉淀提供了有利的空間[29]。東北部的下石炭統(tǒng)紅水泉組淺變質(zhì)陸源碎屑巖中見向斜產(chǎn)出，軸線呈北東20°～45°方向展布，西翼產(chǎn)狀110°∠45°，東翼產(chǎn)狀315°∠30°。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 樣品采集與分析

在研究區(qū)內(nèi)進行了1∶20 000土壤地球化學(xué)測量工作。研究區(qū)內(nèi)采樣部位為坡積層下部(第四系河谷內(nèi)不采樣)，采樣深度在40～60 cm之間。采集的土壤樣品呈褐色、黃褐色，成分以亞砂土、砂土等為主[30]。樣品過篩為-10～+60目，干燥樣品質(zhì)量>150 g，送化驗室制備、分析。

土壤樣分析項目為Au、Ag、Cu、Pb、Zn、Mo、As、Bi等8種元素。使用QM--3SP2型行星式瑪瑙無污染球磨機制備成200目，按照切喬特公式Q=0.8d2縮分送檢測。結(jié)合地球化學(xué)調(diào)查樣品的性質(zhì)及各元素含量的實際情況，采用了以石墨爐原子吸收法、火焰原子吸收法、原子熒光法、發(fā)射光譜法、示波極譜法為主體的分析方案。樣品分析由黑龍江省第五地質(zhì)勘查院實驗室于2017年10月完成。

隨機按5%抽取重復(fù)性檢驗樣品，進行密碼編號，在分析基本樣品前進行密碼檢查分析，計算基本分析與檢查分析的相對雙差RD，供質(zhì)量檢查及質(zhì)量參數(shù)的統(tǒng)計計算，判斷分析數(shù)據(jù)的重復(fù)性。本次分析的報出率、重復(fù)性檢驗合格率等均滿足規(guī)范要求。

2.2 研究方法

因子分析一般通過以下步驟解決[31]：

(1)對原始的N個數(shù)據(jù)進行標準化處理，消除變量在數(shù)量級和量綱上的變化。

(2)求解變量之間的相關(guān)系數(shù)，形成相關(guān)系數(shù)矩陣R，或相似系數(shù)矩陣Q。

(3)確定公因子數(shù)目m及特征值總和百分比。

(4)求出因子載荷矩陣A。

(5)計算公因子共同度是否接近1，判斷公因子是否已取得了變量Xij的絕大部分信息。

(6)必要時，對載荷矩陣A進行旋轉(zhuǎn)，以更好地解釋公共因子。

(7)計算因子得分及合理解釋[32]。

3 數(shù)據(jù)分析

本文使用IBM SPSS Statistics 25軟件，對研究區(qū)土壤地球化學(xué)測量的Au、Ag、Cu、Pb、Zn、As、Mo、Bi等8種元素含量進行了因子分析的相關(guān)性計算。經(jīng)KMO檢驗，值為0.703；巴特利特球形度檢驗通過了χ2，均較適合做因子分析(表1)。

表1 KMO和巴特利特檢驗

由變量的相關(guān)系數(shù)矩陣(表2)可知，Pb與Zn顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.635；其次是Ag與Pb、Zn低度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.378、0.346；Cu與Pb、Zn、Mo、As、Bi等元素皆低度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)>0.3。

本次研究采用主成分法進行因子提取，提取特征值>1的因子。從表3可知，共有3個因子的特征值>1。在經(jīng)過旋轉(zhuǎn)平方和載入后，其因子累計方差比與旋轉(zhuǎn)前均為63.590%，對不同因子解釋原有變量的方差情況進行了重新分配，各個因子的方差貢獻率也有變化，這使得變換后的因子更容易解釋。

從因子載荷矩陣(表4)可知，第一主因子為Cu--Pb--Zn--Ag組合，第二主因子為Au--Mo組合，第三主因子為Bi--As的組合。該矩陣除第一主因子較合理地反映了研究區(qū)內(nèi)中溫元素的富集以外，第二主因子、第三主因子顯示其主因子的“典型變量”并不突出，不能合理地進行地質(zhì)解譯。

本次采用最大方差法，對因子載荷矩陣進行因子旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)在因子載荷值的方差點達到最大，并在保持原公因子的正交性和變量共同度不變的情況下，使公因子方差貢獻發(fā)生變化，每個變量僅在一個公因子上具有較大的載荷，而在其他公因子上的載荷變小。

表2 變量相關(guān)系數(shù)矩陣

表3 總方差解釋

表4 因子載荷矩陣

從旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣(表5)可知，第一主因子為Ag--Pb--Zn組合，第二主因子為Cu--Mo--Bi組合，第三主因子為Au--As組合，這與成礦熱液的高溫元素(Cu--Mo--Bi)、中溫元素(Ag--Pb--Zn)、低溫元素(Au--As)組合特征相吻合。因此，旋轉(zhuǎn)后的因子載荷與旋轉(zhuǎn)前的因子載荷相比，在地質(zhì)解譯方面更具有優(yōu)勢。

表5 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣

在因子分析模型X=AF+ε中，不考慮特殊因子的影響，則有F=A-1X，即樣品在因子F上的得分情況。根據(jù)因子得分系數(shù)矩陣(表6)，可以得到因子得分函數(shù)為：

F1=-0.158Z(Au)+0.193Z(Ag)+0.122Z(Cu)+0.417Z(Pb)+0.462Z(Zn)-0.249Z(Mo)+0.053Z(As)+0.080Z(Bi)；

F2=-0.069Z(Au)-0.009Z(Ag)+0.301Z(Cu)-0.103Z(Pb)-0.102Z(Zn)+0.656Z(Mo)-0.079Z(As)+0.460Z(Bi)；

F3=0.661Z(Au)+0.206Z(Ag)+0.071Z(Cu)-0.035Z(Pb)-0.129Z(Zn)+0.028Z(Mo)+0.470Z(As)-0.212Z(Bi)。

表6 因子得分系數(shù)矩陣

4 討論與查證

根據(jù)上述因子得分函數(shù),對研究區(qū)內(nèi)的土壤樣品計算得到每個樣品的主因子得分值，對不同主因子的數(shù)值按照元素累計頻率進行七色區(qū)劃分，得到其在平面空間的強度分布圖(圖2)，并對研究區(qū)地質(zhì)與化探特征進行分析討論。

第一主因子(Ag--Pb--Zn)為中溫元素組合，方差貢獻率為27.018%。高值區(qū)位于研究區(qū)中部，對應(yīng)地質(zhì)體為下石炭統(tǒng)淺變質(zhì)沉積巖及其與早侏羅世侵入巖的接觸帶。其中Zn與Pb套合最好，旋轉(zhuǎn)后的因子載荷值為0.882與0.827，為各元素最高；與之組合的Ag元素對應(yīng)因子載荷為0.506，略低于Pb、Zn，但顯著高于其他元素。銀除了以獨立礦物出現(xiàn)以外，還常賦存于方鉛礦、閃鋅礦等礦物中，如額仁陶勒蓋銀多金屬礦床[33]、昌圖錫力錳銀鉛鋅礦床[34]、二道坎銀鉛鋅礦床[35]等。該類礦床在地表同時還常見Mn礦化存在，為與巖漿熱液型有關(guān)的錳銀鉛鋅礦床,常見于侏羅紀火山巖體中[36]。

經(jīng)槽探工程查證，在研究區(qū)中部發(fā)現(xiàn)Ag--Zn礦化蝕變帶。礦化體賦存于下石炭統(tǒng)紅水泉組沉積巖中，呈脈狀、似平行產(chǎn)出，走向延長200 m，水平厚度0.32～2.84 m，傾向北西，傾角20°～30°。蝕變礦化見黑色鐵錳膜于巖石裂隙面，偶見星點狀閃鋅礦發(fā)育，并見綠泥石微細脈狀穿插，偶見脈狀碳酸鹽發(fā)育。

第二主因子(Cu--Mo--Bi)為高溫元素組合，方差貢獻率為18.677%。高值區(qū)位于研究區(qū)南部，對應(yīng)地質(zhì)體為早侏羅世侵入巖。Mo因子載荷值為0.848，作為高溫元素，往往接近含礦熱液的中心位置。Bi作為鎢鉬組元素其因子載荷值為0.661，略低于Mo；Cu的因子載荷值為0.543，略低于Mo、Bi，但顯著高于其他元素。研究區(qū)內(nèi)所見侵入巖為早侏羅世二長花崗巖，系演化程度較高巖體，易有Cu--Mo礦體或Mo礦體賦存。

經(jīng)槽探工程查證，在研究區(qū)南部發(fā)現(xiàn)Mo礦化蝕變帶一處。礦化體圍巖主要為中粗粒二長花崗巖、花崗斑巖，具碎裂巖化，破碎帶發(fā)育。礦化體呈脈狀發(fā)育、斜列式平行排列，與破碎帶同產(chǎn)狀，走向延長650 m，水平厚度0.25～1.91 m，傾向北西，傾角45°～59°。硅化、絹云母化呈細脈狀發(fā)育在礦化體兩側(cè)5～150 m范圍內(nèi)，綠泥石化、高嶺土化在外圍呈面狀分布。金屬礦物見黃鐵礦、輝鉬礦，呈浸染狀賦存于破碎蝕變帶及硅化脈中。

第三主因子(Au--As)為低溫元素組合，方差貢獻率為17.895%。高值區(qū)位于研究區(qū)北部，對應(yīng)地質(zhì)體為下石炭統(tǒng)沉積巖，其因子載荷為0.851、0.670。Au與As常見于熱液系統(tǒng)的遠端，這與Mo反映的研究區(qū)南部為熱液中心的信息相對應(yīng)。Au作為熱液系統(tǒng)運移的遠端元素，淺部的礦(化)體多已被風(fēng)化剝蝕搬運。

研究區(qū)內(nèi)的成礦作用與早侏羅世侵入巖體關(guān)系密切，推測與巖基后成礦[37--38]模式相關(guān)。在研究區(qū)北西側(cè)的蒙古—鄂霍茨克洋俯沖時形成了加厚地殼，此時與地幔楔發(fā)生過反應(yīng)的幔源巖漿底侵產(chǎn)生廣泛的殼幔相互作用，形成花崗巖巖基[39]。而加厚下地殼的拆沉將會導(dǎo)致花崗巖巖基快速隆升，在地殼淺部，巖漿快速冷凝形成花崗斑巖，并侵入到原花崗巖巖基中，所攜帶的含礦揮發(fā)分在附近圍巖的裂隙內(nèi)運移、沉淀，形成高溫元素礦體。在異常查證中，鉬礦化體及其附近多見花崗斑巖脈狀產(chǎn)出，與礦化蝕變帶吻合度較高。伴隨含礦揮發(fā)分的運移愈遠，其溫度愈低，巖漿水為主的揮發(fā)相轉(zhuǎn)變?yōu)樘焖疄橹鞯臒崴?，在不同的距離及溫度下，與圍巖發(fā)生交代、沉淀形成鉛鋅、銀礦體。

1.第四系；2.上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組；3.下石炭統(tǒng)紅水泉組；4.早侏羅世正長花崗巖；5.早侏羅世二長花崗巖；6.閃長玢巖；7.礦化體及礦種；8.研究區(qū)范圍。

綜上所述，研究區(qū)內(nèi)存在一完整的巖漿--熱液系統(tǒng)，含礦熱液中心在南側(cè)的早侏羅世侵入巖內(nèi)，并向北側(cè)熱運移到早石炭世沉積巖中，依次有中溫元素、低溫元素沉淀。研究區(qū)內(nèi)晚侏羅世火山巖地層內(nèi)多顯示為主因子的低值及背景場，說明含礦熱液并未運移至火山巖內(nèi)；而其巖性多為火山碎屑巖,具有較多孔隙，可以排除火山熔巖致密隔絕熱液運移的可能，故推測該火山地層應(yīng)形成于含礦熱液期后的火山噴發(fā)覆蓋。由此，可以基本界定研究區(qū)內(nèi)該期次熱液成礦發(fā)生在早侏羅世至晚侏羅世之間。

5 結(jié)論

(1)呼中地區(qū)1∶20 000土壤地球化學(xué)測量的8種熱液元素數(shù)據(jù)因子分析結(jié)果顯示，主因子組合為Cu--Mo--Bi、Ag--Pb--Zn、Au--As，與區(qū)域內(nèi)高溫、中溫、低溫元素組合特征相匹配。其空間分布特征顯示出熱液元素的運移、沉淀路徑。

(2)根據(jù)南部的早侏羅世侵入巖體具有高的高溫元素(Cu--Mo--Bi)因子得分，而研究區(qū)東部的晚侏羅世火山巖位于主因子的低值及背景場，可以限定該期熱液發(fā)生時間在早侏羅世—晚侏羅世之間。