R型聚類分析在區(qū)域化探元素分組中的作用探討

于俊博 ， 宋云濤 ， 郭志娟 ， 徐仁廷 ， 王喬林 ， 韓 偉

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

0 引言

20世紀(jì)50年代，我國開始化探工作，1978年開始區(qū)域化探工作，隨著化探工作的深入，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的手段處理化探數(shù)據(jù)應(yīng)用的越來越廣泛。在研究元素間關(guān)系和劃分元素組合時(shí)，主要利用因子分析、Q型聚類分析和R型聚類分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法[1-8]。R型聚類分析在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中多用于區(qū)域地球化學(xué)數(shù)據(jù)的參數(shù)統(tǒng)計(jì)和多樣本的歸類與分組，通過多個(gè)變量之間的相關(guān)系數(shù)來定量研究元素之間聚集和分離。這種作法不但可以了解單變量的親疏關(guān)系程度，還可以了解單變量組合之間的親疏關(guān)系，進(jìn)而揭示巖體與巖體、期次與期次之間可能存在的內(nèi)在聯(lián)系[9-10]。有些學(xué)者[11-16]將這些數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用在判斷礦床的類型和成因，判斷成礦元素的遷移以及預(yù)測隱伏礦體等方面，并取得一定的效果。隨著工作的深入和應(yīng)用范圍擴(kuò)大，一些學(xué)者[17,18]發(fā)現(xiàn)這些傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法一般要求原始數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，而化探數(shù)據(jù)一般都較為復(fù)雜，很難滿足正態(tài)分布，所以往往這樣復(fù)雜的數(shù)據(jù)得出的結(jié)果令人很難解釋。本研究主要針對大石寨地區(qū)的地層、侵入巖體以及研究區(qū)全區(qū)的39種元素R型聚類分析結(jié)果進(jìn)行研究，通過所得到的元素組合情況來探討R型聚類分析是否與地質(zhì)背景的復(fù)雜程度有關(guān)以及R型聚類分析的適用性。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

2010年，由中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所承擔(dān)了地調(diào)項(xiàng)目《內(nèi)蒙古自治區(qū)1∶25萬索倫、烏蘭浩特市幅區(qū)域化探》工作，工作面積為17 322 km2，采樣介質(zhì)主要以水系沉積物為主，基本采樣密度為2個(gè)點(diǎn)/4 km2，測試元素39種。本文研究的大石寨地區(qū)為該項(xiàng)目工區(qū)內(nèi)的一部分，大石寨地區(qū)在行政區(qū)劃分屬于內(nèi)蒙古科爾沁右翼前旗大石寨鎮(zhèn)。研究區(qū)位于大興安嶺中段，大興安嶺成礦帶經(jīng)過長期的區(qū)域構(gòu)造演化，形成了十分復(fù)雜的構(gòu)造格局以及多種區(qū)域構(gòu)造交匯的復(fù)雜特點(diǎn)。該區(qū)主要出露的地質(zhì)體為二疊紀(jì)地層和白堊紀(jì)地層和三疊系的黑云母花崗巖體，此外零星分布極少量的侏羅紀(jì)地層(圖1)。

研究區(qū)內(nèi)二疊紀(jì)地層主要有壽山溝組和大石寨組，壽山溝組的巖石組合較復(fù)雜，下部為灰色變質(zhì)長石石英砂巖夾變質(zhì)英安巖及少量粉砂質(zhì)片巖，中部為灰黑色泥質(zhì)板巖，上部為變質(zhì)長石石英砂巖，局部夾變質(zhì)細(xì)礫巖。該組的巖石組合特征表明，壽山溝組為一套在活動背景下快速沉積的產(chǎn)物，其中夾有火山巖，可能為快速拉張構(gòu)造背景的產(chǎn)物，代表了弧后盆地沉積。大石寨組巖性為一套中性火山巖，可分為上下兩部分：①下部經(jīng)受區(qū)域變質(zhì)作用，片理、千枚理發(fā)育，巖性表現(xiàn)為一套變質(zhì)變形較發(fā)育的熔結(jié)凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r、黃綠色、黑色凝灰質(zhì)粉砂巖、砂板巖的巖石組合，厚度大于2 307 m。底部經(jīng)受區(qū)域變質(zhì)作用，片理、千枚理發(fā)育；②上部由蝕變安山巖、硅化安山巖和安山質(zhì)火山角礫巖組成。

研究區(qū)內(nèi)白堊紀(jì)地層主要為白高音老組，巖性主要為凝灰?guī)r、流紋巖、礫巖和中粗粒砂巖。

位于研究區(qū)中部的侵入巖為三疊系產(chǎn)出的黑云母花崗巖，以富含黑云母為主要特點(diǎn)，分布面積較大，具偏高含量的K2O和Si2O，為偏堿性侵入巖。

2 R型聚類分析

R型聚類分析的主要目的是將研究區(qū)內(nèi)的元素劃分成元素組合，并找出能夠代表該地區(qū)地質(zhì)體的地質(zhì)地球化學(xué)性質(zhì)的特征元素組合。作者利用Mapgis軟件將研究區(qū)內(nèi)的水系沉積物樣品數(shù)據(jù)投點(diǎn)到地質(zhì)圖中，選出二疊系的樣品數(shù)據(jù)、白堊系的樣品數(shù)據(jù)和黑云母花崗巖的樣品數(shù)據(jù)，再通過GeoIPAS軟件分別做出全區(qū)、地層以及巖體的R型聚類分析譜系圖。將研究區(qū)全區(qū)的R型聚類分析結(jié)果與各個(gè)單一地質(zhì)體的R型聚類分析結(jié)果進(jìn)行對比，研究R型聚類分析結(jié)果是否與地質(zhì)背景的復(fù)雜程度有關(guān)以及R型聚類分析的適用性。

2.1 全區(qū)R型聚類分析結(jié)果

對研究區(qū)內(nèi)所有樣品的39種元素進(jìn)行R型聚類分析，通過所得到的譜系圖(圖2)，以0.48相關(guān)系數(shù)為界，可以將39種元素劃分為四組。第一組為Ti、TFe2O3、V、P、MgO、Cr、Ni、Cu、Zn、Li、La、Al2O3、F、As、B、Cd、Co、Mn、Mo、Sb、Au、Hg元素組合，其中依據(jù)更大的相關(guān)系數(shù)可以將Ti、TFe2O3、V、P、MgO、Cr、Ni、Cu分為第一小組，Zn、Li、La、Al2O3、F、As、B、Cd為第二小組，Co、Mn、Mo、Sb、Au、Hg為第三小組；第二組為Ag、Pb、Bi、W元素組合；第三組為Be、Nb、U、SiO2、K2O、Y、Sn、Th元素組合；第四組為Ba、Zr、Sr、CaO、Na2O元素組合。從全區(qū)的元素分組來看，第一組中包含鐵族元素和許多礦化劑元素，元素?cái)?shù)量過多，表明該區(qū)的地質(zhì)情況復(fù)雜，多種地質(zhì)體的地球化學(xué)信息交織在一起，區(qū)內(nèi)與主要地質(zhì)體相關(guān)的地球化學(xué)信息分割困難；第二組和第三組中都含有一些與中酸性巖有關(guān)的元素，可以隱約的反映出一些研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)體信息；第四組元素組合以稀有元素為主。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig．1 Simplified geological map of the study area

圖2 全區(qū)39種元素R型聚類分析譜系圖Fig．2 R-type cluster analysis pedigree chart of 39 elements in the region

2.2 二疊系R型聚類分析結(jié)果

對研究區(qū)內(nèi)二疊系樣品的39種元素進(jìn)行R型聚類分析，通過所得譜系圖(圖3)，以0.653為相關(guān)系數(shù)，可以將39種元素劃分為三組。第一組為V、TFe2O3、Ti、P、MgO、Cr、Ni、Co、B、Mo、Cu、Zn、La、Al2O3、Zr、Sb、Li、Ba、Mn、Cd、As元素組合，根據(jù)更大的相關(guān)系數(shù)可以將第一組元素組合分為兩個(gè)小組，第一小組為V、TFe2O3、Ti、P、MgO、Cr、Ni、Co元素組合，第二小組為B、Mo、Cu、Zn、La、Al2O3、Zr、Sb、Li、Ba、Mn、Cd、As元素組合；第二組為Be、Sn、SiO2、K2O元素組合；第三組為Nb、U、Th、Y元素組合。二疊系的元素分組中，第一組中主要為鐵族元素和多金屬礦化元素，而二疊系是以安山巖為主，鐵族元素并不能反映中性巖的特征。第二組和第三組中的部分元素能夠反映出中性火山巖的性質(zhì)，與二疊系大石寨組上部的巖性特征較吻合。

2.3 白堊系R型聚類分析結(jié)果

對研究區(qū)內(nèi)白堊系樣品的39種元素進(jìn)行R型聚類分析，通過所得的譜系圖(圖4)，以0.60相關(guān)系數(shù)為界，可以將39種元素劃分為四組。第一組為Co、Mn、Pb、Mo、(Ag)，第二組為As、Cr、Cu、V、Ni，第三組為Ba、Zr、Cd、F、MgO、Ti、Zn、Tfe2O3、P、Li、Al2O3，第四組為Nb、U、W、Y。白堊系的元素分組與全區(qū)的元素分組情況有很大的不同，第一組元素組合主要為多金屬礦化元素，第二組則以鐵族元素為主，而第三組元素組合則是鐵族元素與多數(shù)親石元素混雜在一起，第四組主要以放射性元素和稀土元素為主。白堊紀(jì)地層中主要為流紋巖、凝灰?guī)r等，但是元素組合中并沒有一個(gè)可以代表酸性巖的元素組合。

2.4 黑云母花崗巖R型聚類分析結(jié)果

對研究區(qū)內(nèi)黑云母花崗巖體樣品的39種元素進(jìn)行R型聚類分析，通過所得的譜系圖(圖5)，以0.7相關(guān)系數(shù)為界，可以將39種元素劃分為三組。第一組為V、TFe2O3、Ti、MgO、Ni、P、Cr、Sr、CaO、Co、Mn，這一組主要為鐵族元素，含有少量的多金屬礦化元素；第二組為Ag、Mo、Cd、Zn、As、Pb、Cu、Sb、W、F，這一組元素組合中主要為多金屬礦化元素；第三組為B、Ba、La、Zr。黑云母花崗巖體的分組情況與全區(qū)、二疊系和白堊系分組情況均有一定差異，其中第二組元素組合的部分元素可以代表黑云母花崗巖體的性質(zhì)。

圖3 二疊系39種元素R型聚類分析譜系圖Fig．3 R-type cluster analysis pedigree chart of 39 elements in Permian sratum

圖4 白堊系39種元素R型聚類分析譜系圖Fig．4 R-type cluster analysis pedigree chart of 39 elements in Cretaceous sratum

圖5 黑云母花崗巖39種元素R型聚類分析譜系圖Fig．5 R-type cluster analysis pedigree chart of 39 elements in biotite granite

3 討論與結(jié)論

將全區(qū)的R型聚類分析結(jié)果與各地質(zhì)體的R型聚類分析結(jié)果進(jìn)行對比可以看出，由于全區(qū)地質(zhì)背景復(fù)雜，元素組合中元素種類過多，分組不協(xié)調(diào)，較難判斷元素組與測區(qū)地質(zhì)單元間存在的關(guān)系，很難找出能夠代表全區(qū)地質(zhì)特征的元素組合。在二疊系的第一組元素組合中元素個(gè)數(shù)過多，很難對其進(jìn)行解釋，而將其分成兩個(gè)小組之后，鐵族元素獨(dú)立成為一小組，剩余元素成為另一小組，分組相對清晰一些，但是所分出的元素組合依然不能夠代表二疊系的地質(zhì)地球化學(xué)特征，第二組和第三組中的Sn、SiO2、K2O和Th、Y等元素可以代表中性火山巖的性質(zhì)，這與二疊系的大石寨組上部的巖性特征相呼應(yīng)。白堊系的分組情況較為混亂，與全區(qū)及其他地層和巖體均有較大差別，四組元素組合均不能夠完全代表白堊系的地質(zhì)地球化學(xué)特征。黑云母花崗巖體的元素被分為三組，第一組主要以鐵族元素為主，這完全與偏堿性的黑云母花崗巖體的地球化學(xué)性質(zhì)不符，同時(shí)另外的兩組元素組合中，只有第二組中的個(gè)別元素能夠代表黑云母花崗巖體的地質(zhì)地球化學(xué)特征。

綜上所述，在研究區(qū)內(nèi)單一地質(zhì)體的元素分組情況比全區(qū)的元素分組情況較清晰一些，有個(gè)別元素組合中的一些元素可以展現(xiàn)出地質(zhì)體的特征。但是，全區(qū)及單一地質(zhì)體的39種元素通過R型聚類分析得到的元素組合，均不能明確反映出地質(zhì)體的地質(zhì)地球化學(xué)性質(zhì)，缺少單一性的特征元素組合。出現(xiàn)這種情況的原因在于，研究區(qū)的數(shù)據(jù)并不完全滿足正態(tài)分布，不滿足線性或經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)的數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布的假設(shè)要求[17-19]，所以得到的分組結(jié)果多數(shù)情況下很難對其進(jìn)行解釋。因此在應(yīng)用R型聚類分析討論元素組合時(shí)需要謹(jǐn)慎，統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以提供參考信息，但是不能完全依據(jù)R型聚類分析的結(jié)果進(jìn)行元素分組，需要結(jié)合地質(zhì)背景、地球化學(xué)性質(zhì)和元素空間分布規(guī)律等信息綜合考慮。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉如英.區(qū)域化探中應(yīng)用因子分析方法的探討[J].物探與化探,1988,12(3):182-192.

[2] 吳錫生.化探數(shù)據(jù)處理的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].物探化探計(jì)算技術(shù),1994,16(1):84-92.

[3] 趙元藝.勘查地球化學(xué)方法和數(shù)據(jù)處理綜述及發(fā)展方向[J].世界地質(zhì),1995,14(1):76-81.

[4] 陳明.化探背景與異常識別的問題與對策[J].地質(zhì)與勘探,1999,35(2):25-29.

[5] 王瑞廷.區(qū)域地球化學(xué)異常評價(jià)的現(xiàn)狀及其存在的問題[J].中國地質(zhì),2005,32(1):168-175.

[6] 李文昌.西南三江南段地球化學(xué)數(shù)據(jù)不同方法處理及應(yīng)用效果[J].礦床地質(zhì),2006,25(4):501-510.

[7] 陳志軍.利用樣本排序方法比較化探異常識別模型的效果[J].地球科學(xué)——中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,34(2):353-364.

[8] 王小敏.小波勒山地區(qū)1∶5萬地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理與異常評價(jià)[J].地質(zhì)與勘探,2010,46(4):681-686.

[9] 鄭濟(jì)林.應(yīng)用R型聚類分析探討兩巖體之間的成因關(guān)系[J].中國地質(zhì)科學(xué)院南京地質(zhì)礦產(chǎn)研究所所刊,1987,8(4):75-81.

[10] 張?jiān)偬?江西玉華山地區(qū)水系沉積物化探數(shù)據(jù)處理及找礦靶區(qū)劃分[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2013,35(1):86-92.

[11] 張科.粵西北龐西垌銀礦床化探元素多元統(tǒng)計(jì)分析[J].黃金地質(zhì),2004,25(6):16-19.

[12] 魏浩.內(nèi)蒙古涼城縣草幾壩一帶土壤化探的數(shù)學(xué)地質(zhì)分析[J].地質(zhì)與勘探,2011,47(3):473-482.

[13] 孔繁華.應(yīng)用聚類和因子分析討論貓嶺金礦元素組合特征[J].遼寧地質(zhì),1989(2):134-142.

[14] 辛洪波.山東焦家金礦新、老Ⅲ號脈數(shù)學(xué)地質(zhì)分析[J].黃金科學(xué)技術(shù),2005,13(3):1-6.

[15] 樸壽成.內(nèi)蒙金廠溝梁金礦床39號脈含礦性地球化學(xué)預(yù)測[J].黃金地質(zhì),2005,26(12):11-15.

[16] 孫華山.因子分析在成礦多樣性定量化研究中的應(yīng)用——以滇西北富堿斑巖礦產(chǎn)類型成礦多樣性分析為例[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,32(1):82-86.

[17] 史長義.子區(qū)中位數(shù)襯值濾波法及弱小異常識別[J].物探與化探,1999,23(4):250-257.

[18] 吳錫生.穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在化探數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].物探化探計(jì)算技術(shù),1992,14(3):189-193.

[19] 史長義.異常下限與異常識別之現(xiàn)狀[J].國外地質(zhì)勘探技術(shù)，1995(3):19-25.