水系沉積物化探元素組合的空間分布及其控制因素分析
——k- means 聚類分析法的應(yīng)用

熊前進(jìn) 柴小婷 萬 翔 陳 曦

（1、湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢430000 2、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)調(diào)查研究院，湖北 武漢430000 3、武漢輕工大學(xué)，湖北 武漢430000）

水系沉積物地球化學(xué)勘查數(shù)據(jù)不僅在地質(zhì)背景分析、找礦勘探研究中起著非常重要的作用，而且也能夠用于揭示特定地質(zhì)-地理環(huán)境下地表物質(zhì)演化的過程和機(jī)制，因此對(duì)地球化學(xué)勘查數(shù)據(jù)處理方法的研究也是勘查地球化學(xué)界的研究重點(diǎn)。傳統(tǒng)的化探數(shù)據(jù)處理方法常基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理，不利于反映多元素之間的組合規(guī)律以及多元素的空間分布規(guī)律。[1-2]

k-means 聚類分析是一種“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”對(duì)樣品進(jìn)行分類的方法，是將數(shù)據(jù)集按照數(shù)據(jù)的相似性進(jìn)行重新組合而成為多個(gè)類的過程，屬于非監(jiān)督分類方法。[3]通過對(duì)一批研究對(duì)象，在其分類情況未知的情況下，按照某種相似性指標(biāo)或分類準(zhǔn)則，自動(dòng)進(jìn)行類別的劃分，分類結(jié)果要求分類綜合優(yōu)化指標(biāo)達(dá)到最大，即類間差異較大而類內(nèi)離差較小。k-means 聚類分析當(dāng)類內(nèi)密集而類間差別大時(shí)，分類效果好且分類速度快，[4-6]所劃分出的不同類別各有不同的元素組合特征，這些組合特征及其空間分布特征能夠反映其成因信息。

傳統(tǒng)化探數(shù)據(jù)處理主要基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理研究單個(gè)元素的特征分布，圈定出單元素異常，進(jìn)而根據(jù)元素異常的疊加圈定出組合異常，不利于分析元素的共生組合規(guī)律。本文嘗試?yán)肒-means 聚類方法對(duì)研究區(qū)內(nèi)3620 個(gè)水系沉積物化探數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，通過研究所劃分出的不同類別元素組合特征及空間分布特征，旨在反映其成因信息。

1 地質(zhì)背景

東天山康古爾塔格——阿其克庫都克一帶位于塔里木板塊與準(zhǔn)格爾板塊碰撞對(duì)接縫合帶處，出露的地層有第三、四系，干墩組，白山包組，梧桐窩子組，石炭系企鵝山群、大南湖組等?？倒艩査裆畲髷嗔选⑵鋷炜硕伎蓴嗔褭M跨期間。康古爾塔格斷裂北側(cè)出露的地層以石炭系企鵝山群、泥盆系大南湖組為主，南側(cè)出露地層則以石炭系梧桐窩子組及干墩組為主。沿康古爾塔格兩側(cè)，次級(jí)構(gòu)造非常發(fā)育，主要為走向北東東、傾向北北西的壓扭性斷裂，是該區(qū)主要的控巖及控礦構(gòu)造。[7]

該區(qū)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，巖石類型齊全，從正常系列的基性到酸性巖均有出露，以華力西期的斜長花崗巖-花崗閃長巖-二長花崗巖系列以及閃長玢巖、斜長花崗巖為主，多以巖株、巖枝或者巖脈狀產(chǎn)出，而閃長玢巖及斜長花崗巖尾區(qū)內(nèi)主要容礦巖石[8]。區(qū)內(nèi)各類礦產(chǎn)豐富，礦床成因類型復(fù)雜，迄今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的礦種有銅、銅鎳、銅銀、金、銅金、鐵和錳等，如延?xùn)|-土屋斑巖型銅礦床、元寶山金銅礦床、馬頭灘金礦床、紅嶺銅鎳礦床、百靈山鐵礦床、西鳳山金礦床等（圖1）。

2 K-means 聚類

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

研究區(qū)地球化學(xué)資料來源是新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局提供的1：20 萬地球化學(xué)水系沉積物測(cè)量數(shù)據(jù)，包括Ag、As、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Mo、Ni、P、Pb、Sb、Sn、U、V、W、Zn、Fe2O3等20 種元素，共3620 個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為網(wǎng)格化原始數(shù)據(jù)（由于研究區(qū)水系不發(fā)達(dá)，采樣點(diǎn)間距基本是2km×2km），儲(chǔ)存方式為Access格式。

為了保證研究區(qū)所有樣品信息的完整性，本文選用異值點(diǎn)替換方法處理特異值。具體操作為：低于檢出限的數(shù)據(jù)取檢出限的1/2；高于檢出最高極限的數(shù)據(jù)取檢出限的125%。為消除各個(gè)變量的單位（量綱）互不相同，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格化，規(guī)格化的計(jì)算公式為：

其中Xij為第j 個(gè)樣品第i 個(gè)變量的觀測(cè)值，X*ij為規(guī)格化后的值。

2.2 K-means 聚類分析

研究區(qū)（地理坐標(biāo)為東經(jīng)90°30′-93°00′，北緯41°40′-42°20′）屬于干旱荒漠區(qū)，區(qū)內(nèi)共有網(wǎng)格狀分布的3620 個(gè)化探樣品。分析過程為：（1）采用不同的k 值（即預(yù)設(shè)類別數(shù)），用kmeans 方法對(duì)樣品進(jìn)行分類；（2）對(duì)每種方案，考查分類結(jié)果（各類樣品的空間分布）并與區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)圖進(jìn)行對(duì)比。如果所得各類別樣品點(diǎn)分別相對(duì)集中，并與區(qū)域地質(zhì)特征（地層巖石建造和區(qū)域構(gòu)造）較明顯表現(xiàn)出分布的一致性，就認(rèn)為該分類方案是比較優(yōu)化的方案，能夠提供地球化學(xué)演化的信息。經(jīng)多方案試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)k=4（所有樣品分為4 類）是較優(yōu)方案，記下各樣品點(diǎn)的類編號(hào)，利用MAPGIS 中的投影變換，以經(jīng)度為x 軸，緯度為y軸，類編號(hào)為屬性，進(jìn)行投影變換，生成點(diǎn)文件。再利用MAPGIS中的圖形處理的輸入編輯，插入投影變換后生成的點(diǎn)文件，得到如下分類結(jié)果圖。（圖2）

圖1 東天山康古爾塔格——阿其克庫都克一帶地質(zhì)圖

圖2 東天山（康古爾塔格- 阿其克庫都克一帶）1:20 萬水系沉積物分類圖

結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地層、礦（床）點(diǎn)等信息，從圖2 可以看出，在所分出的4 個(gè)類別中，第1 類樣品數(shù)較多（占37.3%），元素組合較為復(fù)雜，以Cu、Ni、Co、Mn、V、Cr、Fe、Zn 為主，空間分布于康哥爾塔格斷裂帶的南、北部，而中部分布較少，主要覆蓋研究內(nèi)主要銅礦床（點(diǎn)）、鐵礦床（點(diǎn)）等，認(rèn)為該類可能主要反映研究區(qū)銅-鐵礦化信息，或者是包含背景和噪聲在內(nèi)的一個(gè)綜合類別。

第2 類樣品點(diǎn)數(shù)量少，元素組合特征以Au、Ag 為主，空間分布主要集中在研究區(qū)中部和西北部，范圍覆蓋了馬頭灘、孔雀山、元寶山南、馬頭山北、大東溝、咸水灘等大部分金礦床（點(diǎn)），說明該類樣品的分布可代表金礦化異常區(qū)，該類元素組合可能為金礦化探找礦的指示元素組合。

第3 類樣品點(diǎn)數(shù)量較多，主要元素組合為Pb、Mo、W、Bi，空間分布于研究區(qū)的東、西部，而中間分布少，本類樣品在西部的分布范圍與二疊紀(jì)地層建造以及石炭紀(jì)-二疊紀(jì)花崗巖類侵入體比較一致，指示了這些地質(zhì)建造對(duì)該類元素組合的控制作用，并指示這些元素在表生變化中可能遷移距離很小；在東部主要分布于第三紀(jì)和第四紀(jì)沉積盆地中，說明在研究區(qū)東部可能因地形不同，這些元素表生遷移較遠(yuǎn)。

第4 類樣品點(diǎn)沿近東西向康古爾塔格斷裂帶分布，并限于該斷裂以南, 主要元素組合為Hg、Sb、Sn、U，指示該斷裂構(gòu)造對(duì)這些元素分布的控制，同時(shí)指示康古爾塔格斷裂兩側(cè)地質(zhì)情況的顯著差異,與前人關(guān)于該斷裂帶為古生代碰撞帶的認(rèn)識(shí)一致[9-11]。

3 因子分析

為進(jìn)一步挖掘樣品分類所反映的信息，以3620 個(gè)1：20 萬地球化學(xué)水系沉積物測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)20 種元素做正交旋轉(zhuǎn)因子分析。適用性檢驗(yàn)結(jié)果KMO 檢測(cè)值為0.726（大于0.7），Bartlett 的球形度檢驗(yàn)sig 值為0（小于0.05），說明因子分析可以應(yīng)用于本樣品數(shù)據(jù)。采用最大方差正交旋轉(zhuǎn)法進(jìn)行因子旋轉(zhuǎn)，分成5 類時(shí)的旋轉(zhuǎn)平方和的累計(jì)方差與初始特征值的累計(jì)方差相等，累計(jì)方差達(dá)67.675%。因此，本文按特征值＞1 的標(biāo)準(zhǔn)，選取5 個(gè)主因子，結(jié)果如表1（因子旋轉(zhuǎn)次數(shù)為10 次），如圖1。

圖3 第一主因子（F1）得分估值圖

表1 正交旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

第一主因子（F1）代表Cu、Ni、Co、Mn、V、Cr、Fe、Zn、P 組合，該因子方差貢獻(xiàn)率占31.283%，為主要成礦因子。其中，Cu、Cr、Co、Ni 元素組合主要反映了該區(qū)與侵入巖有關(guān)的銅、鎳礦產(chǎn)，代表性礦床有黃山、黃山東銅鎳礦。Cu、Ni、Co、V、Fe 特征元素組合，主要反映了與中基性火山巖有關(guān)的鐵礦、鐵銅礦，代表性礦床有雅滿蘇鐵礦和黑尖山銅鐵礦。第二主因子代表（F2）代表Ag、As 組合，主要反映了與該地區(qū)金、銀礦化有關(guān)的元素組合。第三主因子代表（F3）代表Bi、Mo、Pb、W 組合，主要反映該地區(qū)與熱液活動(dòng)有關(guān)的鉛鋅多金屬礦產(chǎn)元素組合。第四主因子（F4）和第五主因子（F5）的Sn、Hg、Sb、Au、U 組合，主要反映該區(qū)域構(gòu)造斷裂帶（韌性剪切帶）、中酸性火山巖等地質(zhì)背景特征有關(guān)的各類蝕變巖型或熱液型金礦。利用最小二乘法意義下的回歸分析法，得到主因子得分估值圖，可以看出，第一主因子的因子得分高值分布區(qū)域（見圖3），與第一類樣品點(diǎn)的分布區(qū)域高度吻合，可以推斷第一類的元素組合特征基本與第一主因子相同。其它主因子估值得分圖也與對(duì)應(yīng)的元素分類結(jié)果圖分布特征基本吻合。

4 結(jié)論

本文利用k-means 法對(duì)東天山地區(qū)1：20 萬地球化學(xué)水系沉積物測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，當(dāng)分類數(shù)k=4 時(shí)，與已發(fā)現(xiàn)的礦床分布和因子分析結(jié)果的一致性較高。以上初步分析表明，結(jié)合地質(zhì)背景和地理因素，k-means 可用于水系沉積物地球化學(xué)元素組合的空間分布規(guī)律研究。下一步工作擬在更詳細(xì)考慮該區(qū)地質(zhì)、礦化和地形因素的基礎(chǔ)上，研究荒漠化地區(qū)不同元素表生變化的規(guī)律性及其控制因素，為研究區(qū)域地球化學(xué)演化規(guī)律提供有用信息，同時(shí)也為改進(jìn)化探找礦效果提供幫助。