因子分析法在黑龙江大兴安岭塔源地区地电提取测量中的应用

顾文博,罗先熔,丁继双,韦永先

(1.桂林理工大学 a.地球科学学院;b.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室；c.隐伏矿床预测研究所,广西 桂林 541006；2.广西壮族自治区地质调查院，南宁 530023；3.黑龙江省地质调查研究总院,哈尔滨 150036；4.广西壮族自治区区域地质调查研究院,广西 桂林 541003)

地球电化学勘查法(又称地电化学法)是以地下岩石中的离子动态平衡状态为基础的地球化学方法[1]。 地电化学成晕是由于组成矿体的各种矿物具有不同的电极电位,从而形成许多微观原电池,在地下水参与下,便会自然并持续地进行着矿体的电化学溶解作用,导致矿体周围形成与成矿有关元素的离子晕[2]。 罗先熔等利用地球电化学勘查法先后在黑龙江金厂金矿区[3]、金厂外围区[4]、黑龙江铜山铜矿区[1]等多个矿区进行找矿预测,找矿效果显著,上述矿区与塔源矿区存在类似地理景观。 塔源矿区属森林覆盖区,林木茂密,无天然基岩露头,部分地区2 m以下存在永冻层。此前已进行过多种常规物化探方法找矿,效果均不太好。此次在塔源矿区利用地球电化学勘查法找矿,并对地电提取的15种元素进行因子分析，划分出与成矿有关的元素组合进行找矿预测,以期有重大突破。

1 矿区地质

塔源矿区位于大兴安岭-内蒙地槽褶皱区额尔古纳地块南缘的塔河过渡带内、大兴安岭火山岩带北东段,处在古亚洲构造域和滨太平洋构造域的交接复合部位,属得尔布干成矿带东段的南东缘。 区内地质构造复杂,岩浆活动强烈,具有良好的成矿系统[5-6],基本位于塔源Cu-Pb-Zn-Au-Mo五级矿集区。

矿区内出露地层较少(图1),主要为古生界石炭系上统新伊根河组和中生界白垩系下统白音高老组， 这两套地层均与成矿关系密切。 下白垩统白音高老组为一套火山碎屑岩,岩性为杂色酸性火山碎屑岩、酸性熔岩夹中酸性火山碎屑岩与火山碎屑沉积岩， 在研究区出露面积较大,塔源金银铜矿床分布在该组地层。 石炭系上统新伊根河组地层的岩性也较为单一,主要为复成分砂砾岩-粉砂岩-细砂岩， 在研究区出露面积较少,目前发现的铅锌铜多金属矿体绝大部分赋存在新伊根河组地层[7]。

图1 塔源矿区地质图Fig.1 Geological map of the Tayuan mining areaC2x—上石炭统新伊根河组;K1by—下白垩统白音高老组;ηγC1—早石炭世二长花岗岩;q—石英脉;γπ—花岗斑岩脉;1—二长花岗岩;2—英安质凝灰岩;3—不整合地质界线;4—硅化;5—褐铁矿化;6—黄铁矿化;7—绿泥石化;8—勘探线及取样点;9—勘查区

得尔布干深大断裂横贯全区,是本区重要的构造带和成矿带,总体呈北东向展布。 次一级断裂构造为近南北向、北北西向、北西向、北北东向及北东向断裂[7]。北东向的塔哈河断裂为得尔布干深大断裂的北东段,为逆时针扭性断裂,是塔源矿区主要的容矿构造,多数矿体受其控制[8]。

矿区内岩石均有不同程度的蚀变,分布广泛而强烈,主要蚀变类型有硅化、云英岩化、绢云母化、黄铁矿化、绿帘石化等。 硅化主要发育在斜长花岗斑岩体内及其接触带附近; 绢云母化主要分布在斜长花岗斑岩体内,蚀变强烈地段可见到绢云母细脉; 绿泥石化、绿帘石化二者密切共生,主要分布在英安岩、安山岩及脉岩的外接触带上,多呈网脉状或粒状集合体交代斜长石等[8]; 黄铁矿化具多期性,呈浸染状、细网脉状、星点状分布， 与成矿有关的黄铁矿主要呈细网脉状，同石英、绿帘石相伴产出,为本区重要成矿期[7]。

2 采样及数据处理方法

2.1 采样技术方法

根据工作区地质情况适当调整网度,共布置3条测线,线距为300 m,测区面积约1.34 km2。 采集低电压偶极提取阴极、阳极样品各235个。 在桂林矿产地质测试中心采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)对样品的Mo、W、Bi、Pb、Zn、Cu、Ag、Au、Hg、Cr、Co、Sb、Li、Ni和As等15种元素进行分析测试。 地电提取野外工作方法规范: 本次采用低电压-小电流偶极地电化学提取装置,即利用一个阳离子接收器(由导电能力较强的碳棒、无杂质的泡塑以及滤纸组成)与一个阴离子接收器以平行1 m左右的距离放置， 并经浓度为15%硝酸提取液充分浸泡,外接9 V叠层电池持续48 h向下供电。 布设接收器(电极)时,在测点位置处挖2个垂直于勘探线深30 cm的土坑,将两电极平行放置于坑内,倒入提取液充分搅拌,并回填土壤。

2.2 因子分析

因子分析是一种降维的分析方法,能够在尽量少损失地质信息的前提下,利用个数更少且又相互独立的变量组合来代表原来的变量或样品组合,并通过归纳和提炼的元素组合特征推断、解释成矿过程和成矿元素的迁移、富集规律,确定成矿物质来源等。

2.2.1 因子分析的前提条件 运用SPSS软件对研究区235件样品数据进行因子分析,而Bartlett的球形度检验值及Kaiser-Meyer-Olkin度量是所选的样本数据是否适合进行因子分析的两个重要指标。 对工作区15种元素进行KMO和 Bartlett的检验,从表1看出：(1)KMO度量值为0.813,Kaiser给出的度量值标准为0.9非常适合， 0.8适合， 0.6不适合,所以处理后的数据适合进行因子分析。 (2)Bartlett的球形度检验统计值为1 646.419， 在自由度为105的条件下,0水平上达到显著,P值为0,小于显著性水平0.05,因此拒绝Bartlett的球形度检验的零假设,适合作因子分析。

表1 Bartlett和KMO检验Table 1 Test of Bartlett and KMO

2.2.2 元素类型分析 本文用于因子分析的原始数据为地电提取测量法所测的235件样品中的15种元素测量值。 在作因子分析之前,先将原始数据无量纲化,即转化为衬值,再运用SPSS软件进行因子分析处理。运用主成分分析法进行因子分析。 由于旋转因子矩阵比初始因子矩阵所划分的元素组合更具代表性及合理性,所以选用斜交旋转因子矩阵划分元素组合类型。 从表2的两类结构矩阵可以看出:斜交因子结构矩阵和未旋转因子结构矩阵中分别划出第一列的元素组合为:F1—Cr、Mo、Ag、Pb、Bi;F1(1)—Li、Cr、Co、As、Mo、Sb、Ag、Pb、Bi,未旋转的因子矩阵相较于斜交因子矩阵所划分出的元素组合代表性不强。所以本文用斜交因子矩阵划分出元素组合类型。

2.2.3 因子组合划分依据 元素组合是元素亲合性在地质体内的具体表现,而元素亲合性又与地质环境有关[9],因此,不同元素组合是不同地球化学信息的综合反映,与不同地质-成矿作用有关[10]。 本文依据相关系数矩阵的特征值大于1,累积方差贡献率大于60%为依据进行因子提取,如表3可提取4种因子,根据斜交因子矩阵得出F1因子元素组合为Cr、Mo、Ag、Pb、Bi;F2因子元素组合为W、Hg、Au;F3因子元素组合为Cu、Zn;F4因子元素组合为Li、Co、Ni、As、Sb。

表2 工作区R型因子分析斜交因子及未旋转因子矩阵Table 2 Oblique rotation and unrotated factors of R-factor analysis in study area

表3 工作区R型因子分析特征值和累计方差贡献率Table 3 Explained characteristic roots and total varianceof R-factor analysis in study area

2.3 数据分析方法

为了能更清晰直观地反映4组元素组合及主成矿元素Cu、Zn在工作区中的分布特点(图2),采用异常衬度法(因其具有强化弱异常、突出多元素套合异常的特征[11])对地电提取的所有元素的原始数据进行处理,Cu、Zn元素所生成的新数据集为单点衬值(K)即指每个采样点的某一元素原始值与该元素的背景值之比。 当K>1时为相对富集; 当K<1时,为相对贫化,因此,该值可以用来指示元素的相对富集和贫化的程度。 因子组合所生成的新数据集为单点衬度累加值(∑K),即指同一研究区不同测试元素的单点衬度值(K)之和∑K=K1+K2+…+Kn(K为不同元素的单点衬度值,n为自然数)[12]。将新的Cu、Zn元素及多元素衬值数据集由高至低排序生成频率直方图。 根据频率直方图反映的总体情况,结合箱线图进行异常值(异常高值或低值)剔除[13]。通过剔除后所形成的新数据集计算出Cu、Zn元素及因子组合的背景值、标准差,利用公式α+nβ(α为背景值,n为倍数,β为标准差)进行计算,确定Cu、Zn元素及因子组合的异常下限。

3 方法可行性试验

为验证地电化学在研究区的应用效果,选取塔源铜多金属矿35号线作为地球电化学勘查方法的可行性试验剖面,在矿体上方按点距20 m共布设18个地电化学点位。从图2可以看出，在7—13号点有一条较长的坑道,而地电化学勘查法是以离子动态平衡状态为基础的地球化学方法,反映的异常是由离子晕造成的,由于坑道的阻隔,离子晕所形成的异常不明显,而13—17号点在没有坑道阻隔的情况下,异常显著,且主成矿元素与其伴生元素异常重合性好,说明没有坑道的阻隔,矿体有向深部隐伏的趋势。

从已知矿体上方试验剖面的结果看出,地电化学勘查法各元素异常套合情况较好,因此地电化学方法在塔源矿区寻找隐伏矿、深部矿是可行的。

4 数据处理结果

4.1 元素的富集与离散特征

从元素分布的机理上看,正常的新生代沉积物的分布应该是相对均匀的,如果分布极不均匀,则可能是某种地质作用(成矿作用)使其在局部地段发生了富集。变异系数Cv(%)是各元素离散程度的一种体现,由各元素测试数据的标准差和算术平均值共同确定,参加统计的数据未经高值剔除求得,反映了元素在成岩、成矿及其他内外生作用中多因素引起含量区域变异性的总和[14],元素在地质-地球化学作用过程中的分异迁移程度为:Cv≤0.5为均匀,元素活动性弱,分异程度低; 0.51为极不均匀,元素活动性极强,迁移分异程度很高[15]。

图2 大兴安岭塔源地区35号线地球电化学异常剖面图Fig.2 Geoelectrochemical anomaly profile of Line 35 in Tayuan area of Da Hinggan

地球电化学测量中的原始数据变异系数(Cv1)和背景数据的变异系数(Cv2)可反映两组数据集的离散程度,而Cv1/Cv2值则反映了背景拟合处理时对特高值、特低值的削平程度[16]。 其中Cv2为剔除后数据(为直方图解法、箱图法相结合剔除所得)所得的变异系数。 运用235个原始数据制作出Cv1-Cv1/Cv2变异系数解释图图3对元素的成矿性进行评价。

变异系数分析结果表4表明,As、Au、Cr、Co等元素的变异系数小于0.5,元素活动性弱,分异程度低,不利于富集成矿; Li、Ni、Sb、Hg等元素的变异系数介于0.5～1,元素活动性较强,分异程度较高,富集成矿的可能性较高;Cu、Pb、Zn、Ag、W、Mo、Bi元素的变异系数大于1,这些元素在本区的分布、分配极不均衡,离散程度较大,分异性极强,易于迁移富集成矿,多出现强异常,另

图3 Cv1-Cv1/Cv2变异系数解释图Fig.3 Cv1 and Cv1/Cv2 variation coefficients

表4 地电化学提取地球化学参数统计Table 4 Statistics of geochemical parameters extracted by geoelectrochemistry

注:w(Au)/10-9,其余元素为10-6; 变异系数为统计元素的标准差与算术平均值之比。

据Cv1-Cv1/Cv2的变异系数解释图3可看出,Cu、W变异系数远大于1,且高强数据多,变化幅度大,具有一定的富集趋势,成矿潜力最大。

4.2 各因子地质信息解释及评价

F1因子方差贡献率为22.30%,是区内与成矿有关的主要因子,元素组合为Cr、Mo、Ag、Pb、Bi。其中Mo-Bi反映了高温成矿信息,易在酸性岩体中富集,Mo元素往往与酸性岩浆活动有关;Ag反映低温成矿信息,一般作为成矿前缘晕信息;Pb反映中温成矿信息,其本身又是亲酸性元素,不易迁移;Cr为过渡金属元素,在热液矿床中可与Fe形成铬铁矿,所以Cr既能造岩又能成矿。综合来看,F1因子组合中既有低温元素又有中、高温元素,这一特征充分反映了该组合元素与区内出露的燕山期、华力西期等多期次侵入岩体相吻合,同时又表明该区地质背景极其复杂。

F2因子方差贡献率为20.27%,是区内与成矿有关的次要因子,元素组合为W、Hg、Au。W为高温元素,是高温热液矿床主要的成矿元素及伴生元素;Hg元素迁移能力很大,对构造断裂起指示作用,往往与构造活动有关;从单元素Au的子区来看,Au异常分布杂乱无章,异常效果不好,可不作为主要成矿元素。

F3因子方差贡献率为11.28%,是区内成矿因子,元素组合为Cu、Zn。从单元素Cu和Zn的子区来看,Cu、Zn及F3因子异常带基本完全套合,Cu、Zn元素一般反映了中温、中高温成矿信息,与中温、中高温热液硫化物矿化作用有关,均表现亲硫性,是寻找热液金属矿化的重要标志。而F3因子作为主因子,代表了该区的主要成矿元素组合,是该区的主要找矿元素组合。

F4因子方差贡献率为11.11%,是区内与成矿有关的指示因子,元素组合为Li、Co、Ni、As、Sb。F4因子组合中As、Sb元素地球化学行为相近,同为低温元素,地表迁移能力强,可作为成矿前缘晕信息组合；Co、Ni与F1因子中Cr元素性质相近；Li元素子区在勘查区效果不好,不予考虑。综合来看,F4因子组合反映出勘查区地质背景较为复杂。

4.3 主成矿因子的确定

对研究区内具有一定成矿潜力、单元素异常效果好的Cu、Zn元素在四类元素组合异常区的地电提取测量数据分别进行地球化学特征分析(表5),并与全区进行对比,结果表明: (1)Cu、Zn元素在四类元素组合异常区及全区中的一些统计量(平均值、最大值、中位数、变异系数)具有一定的差异性,四类元素组合异常区对比分析表明,Cu、Zn元素在F3因子异常区中平均值、最大值、中位数、变异系数均是最大的,说明F3分区是工作区内成矿潜力最大的区域,且F3因子主要异常区与白垩系下统白音高老组和上石炭统新伊根河组两套地层的不整合界面完全吻合;(2)Cu元素在各分区及全区中比Zn元素的离散度大,说明Cu更易于成矿,更有利地说明Cu可作为主要矿种,Zn为次要矿种进行勘查;(3)从全区和各因子异常区对比来看,Cu元素在全区的最大值并没有出现在各分区内,说明利用各分区进行划分靶区,可弱化单点异常,突出区域异常,缩小靶区,提供更准确的找矿方向。

表5 研究区及各分区中Cu、Zn元素的特征参数Table 5 Characteristic parameters of Cu in exploration area and other areas

5 找矿预测及评价

根据因子组合衬值(衬值为无量纲数据)异常及主成矿元素Cu、Zn衬值异常特征,分别以异常衬值:KCu>1.36、KZn>1.64、F1>8.33、F2>5.79、F3>1.92、F4>7.01划分异常区(图4),并统计出主成矿元素在3个异常靶区中的平均强度及面金属量作为有利靶区评价指标(统计平均强度及面金属量所用数据为未进行衬度转化的原始数据)。 共划分出两类靶区:Ⅰ类靶区2个,Ⅱ类靶区1个(图5),其中Ⅰ-1靶区由F1-1、F1-2、F2-1、F3-1、F4-1、Zn-1、Cu-1异常叠加组成;Ⅰ-2靶区由F3-3、F3-4、Zn-3、Zn-4、Cu-3异常叠加组成;Ⅱ-1靶区由F1-1、F3-2、F4-1、Cu-2、Zn-2异常叠加组成。3个靶区衬值组合异常及主成矿元素Cu、Zn的效果较好,大致呈近东西向展布在白垩系下统白音高老组和上石炭统新伊根河组两套地层中。

Ⅰ-1靶区:分布在测区东北部,跨越2、3号测线,面积约为0.17 km2,且Cu、Zn的平均强度分别为25.62×10-6、27.53×10-6,Cu、Zn的面金属量分别为4.07、3.26。Cu、Zn及F1、F3、F4因子异常重合性好,规模和强度都很大,Zn、Cu元素在Ⅰ-1靶区均有大面积分布,规模都很大。该区位于下伏有成矿地层的下白垩统白音高老组、中石炭统新伊根河组两套地层上,穿过两套地层的不整合接触界面。从异常覆盖区与成矿条件的吻合程度以及类比已知矿体上方异常特征来看，该靶区具较大找矿潜力,可作为首要考虑的找矿重点区,所以划为Ⅰ类靶区,可供进一步勘查验证。

Ⅰ-2靶区: 分布在测区西北部,横跨3号测线,且靠近2号测线,面积约为0.12 km2,且Cu、Zn的平均强度分别为31.733×10-6、19.613×10-6,Cu、Zn的面金属量分别为3.68、1.39。Cu、Zn及F3因子异常重合性好,且主成矿元素Zn、Cu在该区均有大面积分布,规模和强度都很大。该区位于下伏有成矿地层的下白垩统白音高老组。综合分析,认为该靶区有一定的找矿潜力,可进一步验证。

图4 各因子组合(a—d)及Cu、Zn元素衬值异常(e—f)图Fig.4 Each factor combination(a-d) and contrast value anomaly of Cu,Zn(e-f)

图5 塔源地区地电化学综合靶区预测图Fig.5 Prediction map of geoelectrochemical and comprehensive target zone in Tayuan area

Ⅱ-1靶区:分布在测区东北部,跨越3号测线,面积约为0.03 km2,且Cu、Zn的平均强度分别为12.783×10-6、13.123×10-6,Cu、Zn的面金属量分别为0.29、0.13。Cu及F1、F3、F4因子异常重合性好,但是规模和强度都很小。该区位于下伏有成矿地层的下白垩统白音高老组。从异常覆盖区与成矿条件的吻合程度来看,该靶区较Ⅰ-1和Ⅰ-2靶区找矿潜力小,可以作为次一级找矿部位来考虑。

根据勘查区地质背景、异常套和关系,确定Ⅰ-1靶区成矿潜力最大,Ⅰ-2靶区次之,Ⅱ-1靶区成矿潜力较小。

6 结 论

(1)对塔源矿区已开采矿床进行可行性试验,选择的已知剖面虽已经开采,有坑道阻隔离子晕形成异常,但对矿体向深部延伸有很好的异常指示,表明地电化学勘查法在该区寻找隐伏矿、深部矿是有效的。

(2)对地电提取所有元素进行因子分析得出4组元素组合,即F1因子元素组合为Cr、Mo、Ag、Pb、Bi;F2因子元素组合为W、Hg、Au;F3因子元素组合为Cu、Zn;F4因子元素组合为Li、Co、Ni、As、Sb。根据主成矿元素在四类元素组合异常区的地化指标特征,确定F3因子为主成矿因子,为勘查区有利成矿地段。

(3)根据主成矿元素衬度异常及元素组合累加衬度异常,在勘查区共圈定3个靶区,并确定Ⅰ-1靶区成矿潜力最大。