多元統(tǒng)計方法在地氣異常推斷解釋中的應(yīng)用*

劉國安 周四春 趙 輝 孫 森 劉 俊

(成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院)

地氣測量是一種通過分析地下氣體上升時攜帶運移到近地表的多種痕量元素的微弱異常來尋找深部隱伏礦床的探測方法［1］。隨著地氣方法研究的不斷深入，該法開始逐漸應(yīng)用于探尋隱伏金屬礦。實驗表明，并非所有的地氣異常都是隱伏礦體引起的，為此，要將地氣方法有效應(yīng)用于隱伏礦探測，就必須解決所捕獲地氣異常的性質(zhì)判定問題，在理論與方法上完善對地氣異常的解釋。本研究以多元統(tǒng)計分析為手段，分析了湖南黃沙坪鉛鋅礦和云南施甸東山鉛鋅礦整裝勘查區(qū)礦致地氣異常的特征，探討了利用多元統(tǒng)計方法相結(jié)合的方法，對未知異常性質(zhì)進(jìn)行了推斷和解釋。

1 地氣測量基本原理

眾所周知，地球內(nèi)部存在著大量氣體。這些氣體在溫度差、壓力差的作用下，會形成以垂向上升為主的氣流，也就是上升氣流，當(dāng)上升氣流通過礦(化)體時，將會把礦(化)體所釋放的元素納米微粒吸附攜帶至地表，從而在垂直于礦(化)體上方的地表形成地氣異常［2-3］。

2 整裝勘查區(qū)工作概況

黃沙坪鉛鋅多金屬礦是我國重要的有色金屬礦集區(qū)。研究區(qū)位于千里山—騎田嶺礦集區(qū)西部，末陽—臨武南北向構(gòu)造中段，郴州—藍(lán)山北東向基底構(gòu)造巖漿巖與郴州—邵陽北西向基底構(gòu)造巖漿巖的交匯處。區(qū)內(nèi)巖漿巖主要有石英斑巖、英安斑巖、花斑巖和花崗斑巖4種，屬于淺成至超淺成中酸性巖體。

本次測線全長79.8 km，為白石渡—黃沙坪—飛仙鎮(zhèn)一線。為了有效開展地氣測量工作，測線是根據(jù)前人磁法測量結(jié)果擬定的。本次地氣采樣運用動態(tài)地氣采樣法，在磁法測量異常地段，地氣測量點間距為20 m，在無異常地段間距則為80 m。使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP－MS)分析地氣物質(zhì)含量，每個樣品共分析了38種元素。

施甸東山鉛鋅礦勘查區(qū)位于施甸縣城東8 km，屬施甸縣木老元、仁和、甸陽3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)所轄，處于保山南北向構(gòu)造帶中，屬保山—鎮(zhèn)康有色金屬成礦帶北段。礦區(qū)出露地層主要是泥盆系何元寨組(Dh)、下統(tǒng)向陽寺組(D1x)，二疊系沙子坡組(Ps)、下統(tǒng)丙麻組(P1bm)，三疊系南梳壩組(T3n)、河灣街組(Th)地層。本區(qū)的斷層按走向可分為3組，分別為近南北向—北北東向組、北西向組、東西向組。后兩組為晚期構(gòu)造，一般規(guī)模均較小，常切穿前一組。近南北向或北東向組是本區(qū)的控巖、控礦構(gòu)造，是本區(qū)的主要斷層。區(qū)內(nèi)鉛鋅成礦帶主要受構(gòu)造控制，鉛鋅含礦熱液沿斷層破碎帶上移，沿斷層破碎帶及主斷層附近的層間破碎帶再分配，于構(gòu)造有利部位沉淀富集，形成礦體，礦床成因初步認(rèn)為屬于與構(gòu)造、層位相關(guān)的沉積改造－構(gòu)造熱液型礦床。

進(jìn)行此次地氣測量的目的是期望捕獲一些礦體深部信息及新的指示隱伏礦體異常的信息，為勘查區(qū)進(jìn)一步找礦突破提供新的找礦靶位。根據(jù)東山地區(qū)的地質(zhì)情況，以控制區(qū)內(nèi)重點部位的有利地層巖性及構(gòu)造為目的，設(shè)定方位角為110°，沿勘查區(qū)56#、0#、39#勘探線布設(shè)了地氣測量路線。按20 m點距布設(shè)地氣測點，總計完成318個測點的地氣測量。采樣方法和分析方法和黃沙坪鉛鋅礦相同。變量統(tǒng)計分析方法［4］。

下面以黃沙坪礦集區(qū)礦上異常為例，其礦上異常R型因子分析載荷矩陣見表1。由表可見:礦上地氣異常可由4個主成分因子表示，這4個主成分因子方差貢獻(xiàn)率累計達(dá)97.10%，F(xiàn)1主成分因子貢獻(xiàn)率已達(dá)55.07%，F(xiàn)1、F2兩個主成分因子累計貢獻(xiàn)率達(dá) 81.50%;Zn、Pb、Li、Mn、Ni、Rb、Y、Cd、Cs、Th、As、W、Bi在 F1主成分因子上載荷較大(＞0.75)，Cr、Co、Sr、Ag、Hg、Mo 在 F2 主成分因子上載荷較大(＞0.85)。

表1 R型因子載荷矩陣

3 成果分析

先期以主要尋找鉛鋅礦為目的，對黃沙坪礦集區(qū)和施甸東山整裝勘查區(qū)的地氣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以Pb、Zn累加值的平均值加3倍標(biāo)準(zhǔn)差為異常下限劃分異常區(qū)。下面以黃沙坪礦上異常、非礦異常、非異常區(qū)(在地氣測線上任意選取的非異常段)及地氣上升所經(jīng)礦體、巖漿巖作聚類分析對比，并作黃沙坪礦上異常因子分析。以東山勘查區(qū)39#線礦上異常、0#線非礦異常、非異常區(qū)(在地氣測線上任意選取的非異常段)及地氣上升所經(jīng)礦體區(qū)作聚類分析對比，并作39#線礦上異常因子分析;以39#線礦上異常、0#線非礦異常、0#線未知異常1區(qū)(位置360～560 m)、56#線未知異常2區(qū)(位置380～540 m)作判別分析。

3.1 因子分析

因子分析是主成分分析的推廣，它的基本思想是在保證數(shù)據(jù)信息丟失最少的原則下，利用降維的思想，從原始眾多變量的相關(guān)矩陣出發(fā)，把具有錯綜復(fù)雜關(guān)系的變量歸結(jié)為少數(shù)幾個綜合因子的一種多

根據(jù)相關(guān)資料，可以推斷F1主成分因子代表了礦石的信息，并且大于地氣所反映信息的50%。F2主成分因子代表了與巖漿巖有關(guān)的信息，并且大于地氣所反映信息的25%。F3、F4則反映其他信息。這說明了礦上異常主要反映礦石的信息，與巖漿巖有關(guān)的信息次之。由此可知，主成分因子能夠反映礦上(致)異常地氣組分來源，礦上(致)異常能夠最大程度反映礦石的信息。因此，可以利用因子分析獲知未知地氣異常的組分來源，還可以側(cè)面反映未知地氣異常是否為礦致異常。

3.2 聚類分析

系統(tǒng)聚類法是目前國內(nèi)外使用最多的一種聚類法，屬于聚合法。其基本步驟為:先把每個樣品各看作為一類，計算各類之間的距離;然后把距離最小的兩類合并為一類;再計算新的類間距離;如此重復(fù)，一直到合并為一類為止［5］。黃沙坪礦上異常、非礦異常、非異常區(qū)及地氣上升所經(jīng)巖石、巖漿巖聚類分析結(jié)果見圖1～圖5。

圖1 礦上異常聚類結(jié)果

圖2 礦石聚類結(jié)果

圖3 巖漿巖聚類結(jié)果

圖4 非異常區(qū)聚類結(jié)果

圖5 非礦異常聚類結(jié)果

黃沙坪礦集區(qū)聚類結(jié)果表明，在閾值為5以內(nèi)，礦上異常中 Pb、Zn、Cu、As、Bi、Cd、Ni聚成一類;礦石中 Pb、Zn、Cu、Bi、Cd、Ag 聚成一類;巖漿巖的 Pb、Zn、Cu、Sn聚成一類?？梢钥闯?，礦上異常與礦石聚類結(jié)果相同程度很大，與巖漿巖聚類結(jié)果相對接近;礦石和巖漿巖聚類結(jié)果也有很大程度的相同;而非礦異常和非異常區(qū)的聚類結(jié)果與礦上異常、礦石、巖漿巖的相似度或相同度相去甚遠(yuǎn)。東山整裝勘查區(qū)聚類結(jié)果表明，在閾值為15以內(nèi)，礦上異常、礦石、非礦異常、非異常區(qū)也有以上特點。這說明了礦上異?？梢苑从车V石和巖漿巖的信息，礦上異常主要是礦石所致，礦石的形成與巖漿活動有關(guān)，而非礦異常和非異常則不具備以上特點。由于非礦異常、非異常區(qū)與礦上異常(也就是礦致異常)、礦石、巖漿巖的聚類結(jié)果不同，所以，這可應(yīng)用在未知地氣異常的推斷解釋中。

3.3 判別分析

判別分析是一種用于分析組間差異的多元統(tǒng)計方法，用判別分析可以研究針對多個變量的兩組或多組間的差異［6］。它是在已知觀察對象的分類結(jié)果和若干表明觀測對象特征變量值的情況下，建立一定的判別準(zhǔn)則，使得利用判別準(zhǔn)則對新的觀測對象的類別進(jìn)行判別時，出錯的概率很小［7］。由于相同或相似的地質(zhì)特征應(yīng)有相應(yīng)的地質(zhì)產(chǎn)出，可以根據(jù)已知的礦致異常和非礦異常的樣本信息，總結(jié)出異常分類的規(guī)律性，建立判別公式和判別準(zhǔn)則。根據(jù)總結(jié)出來的判別公式和判別準(zhǔn)則，就可以對未知異常進(jìn)行判別。

本次判別分析選取東山整裝勘查區(qū)39#測線上的礦上異常(10個礦上異常點，距離為580～800 m)作為已知的礦致異常的樣本，為1組;選取0#線上的非礦異常(7個非礦異常點，距離為0～120 m)為已知的非礦異常樣本，為2組;選取0#線上未知異常1區(qū)共11個未知異常點和56#線上未知異常2區(qū)共8個未知異常點進(jìn)行判別。

判別函數(shù)的顯著性的檢驗結(jié)果顯示，卡方統(tǒng)計量值為12.176，自由度為1，顯著性效率為0.000，從而認(rèn)為判別函數(shù)有效，可以對未知異常進(jìn)行判別。

逐步判別交叉驗證結(jié)果中，第1組中10個點，判對9個，判錯1個，正確分類率為90%;第2組中7個點，7個點全部判對，正確分類率為100%?？偟恼_分類率為94.1%。說明判別的正確概率非常大。

未知地氣異常判別結(jié)果表明，未知異常1區(qū)中11個點，其中2個點判為第1組，9個點判為第2組，判為第2組的比率為82%。未知異常2區(qū)中有8個點，其中6個點判為第1組，2個點判為第2組，判為第1組的比率為75%。

綜合未知異常判別結(jié)果和相關(guān)地質(zhì)因素及相關(guān)資料分析，判定未知地氣異常1區(qū)為非礦異?？赡苄暂^大，判定未知地氣異常2區(qū)為礦致異常的可能性較大。所以，在已知礦致異常和非礦異常的情況下，判別分析是對未知異常進(jìn)行定性判斷的一個有效手段。

4 結(jié)論

(1)從因子分析和聚類分析可知，礦上地氣異常主要是礦石所致。礦(上)致地氣異常能夠綜合反映礦體及其下伏巖漿巖等成礦信息;能夠反映地氣元素組合來源。而非礦致地氣異常及非異常則不能反映以上特點。

(2)因子分析也可以反映未知地氣異常的性質(zhì)。

(3)非礦異常與礦致異常、礦石、巖漿巖的聚類分析有明顯差別，這為判定未知地氣異常是否為礦致異常提供支撐。

(4)在已知礦致異常和非礦異常的情況下，判別分析可為地氣異常的解釋推斷提供依據(jù)。

綜合運用多元統(tǒng)計方法多角度分析地氣異常，可以更加準(zhǔn)確地判定未知地氣異常為何種異常。

［1］ 唐 楨，周四春，劉曉輝，等.地氣測量在尋找深部隱伏礦中的應(yīng)用［J］.金屬礦山，2011(7):120-123.

［2］ 周四春，劉曉輝，胡 波.地氣場信息的地質(zhì)學(xué)意義［J］.物探與化探，2012，36(6):1044-1049.

［3］ 童純菡，李巨初，葛良全，等．地殼內(nèi)上升氣流對物質(zhì)的遷移及地氣測量原理［J］. 礦物巖石，1997，17(3):83-88.

［4］ 汪東華.多元統(tǒng)計分析與SPSS應(yīng)用［M］.上海:東華理工大學(xué)出版社，2010:206-207.

［5］ 郭 科，龔 灝.多元統(tǒng)計方法及其應(yīng)用［M］.成都:電子科技大學(xué)出版社，2003.

［6］ 克勞斯.巴克豪斯，本德.埃里克森，伍爾夫.普林克，等.多元統(tǒng)計分析方法［M］.上海:上海人民出版社，2008:131.

［7］ 李靜萍，謝邦昌.多元統(tǒng)計分析方法與應(yīng)用［M］.北京:中國人民大學(xué)出版社，2008.