因子分析在內(nèi)蒙東勝地區(qū)尋找隱伏鈾礦中的應(yīng)用

黃寧寧,羅先熔,易 超,韋選建

(1.桂林理工大學 a.廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室;b.隱伏礦床預測研究所,廣西 桂林 541006;2.廣西橫縣自然資源局，廣西 橫縣 530300；3.中核集團核工業(yè)北京地質(zhì)研究院,北京 100029)

0 引 言

近年來的實踐表明,在開展勘查地球化學工作和研究的過程中有必要對工作區(qū)大量的化探數(shù)據(jù)進行簡化處理[1-6]。從大量關(guān)系復雜的數(shù)據(jù)中,尋找影響它們的共同因素與特殊因子,通過其相關(guān)關(guān)系,往往能指示地質(zhì)上的某種共生組合和成因聯(lián)系,并以此研究其找礦意義。

鄂爾多斯盆地東勝地區(qū)是我國砂巖型鈾礦勘探的重要基地。近年來,隨著勘探工作的開展,地表、近地表的礦體多已被發(fā)現(xiàn)并進行開采,在盆地內(nèi)尋找隱伏礦體成為現(xiàn)階段勘探工作的重點內(nèi)容。本文以內(nèi)蒙東勝隱伏鈾礦區(qū)為例,在地電化學測量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上運用因子分析進行找礦研究[7-8]。筆者在分析礦區(qū)內(nèi)已知剖面基礎(chǔ)上,對礦區(qū)地電化學測量數(shù)據(jù)進行因子分析,闡述了元素的相關(guān)性以及元素組合類型,最終確定了與找礦預測相關(guān)的元素組合。根據(jù)因子得分異常劃分礦區(qū)指示元素異常分帶,圈出找礦的有利靶區(qū),并對下一步在該區(qū)尋找隱伏鈾礦提出了建議。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部,屬于華北地臺的一部分。該區(qū)覆蓋地層主要有下白堊統(tǒng)東勝組(K1dn)、 伊金霍洛組(K1e)和第四系(Q), 部分地區(qū)有小規(guī)模的新近系上新統(tǒng)(N2)出露, 其中東勝組和伊金霍洛組覆蓋下發(fā)育有侏羅系安定組(J2a)、 直羅組(J2z)和延安組(J2y)。 測區(qū)地層和構(gòu)造位置如圖1所示。

伊金霍洛組、東勝組分布于研究區(qū)西北部,巖性為灰白色與紫紅色相間的粉砂巖、泥巖、含礫砂巖、砂礫巖;新近系上新統(tǒng)分布于區(qū)內(nèi)平緩山頂及溝掌部位,巖性主要為土紅、黃色粉砂巖,淡黃色含礫砂巖、砂礫巖,局部含鈣質(zhì)結(jié)核;第四系分布于研究區(qū)西部及南部大部分地區(qū),主要為沖積黃土、風積砂土、風成砂[9]。

研究區(qū)構(gòu)造簡單, 僅中部有一條基底卷入的深大斷裂。 推測該斷裂可能為鈾礦的形成提供了運移通道和賦存空間,因斷裂附近存在較高的氧化還原地球化學障,導致礦體多位于斷裂發(fā)育處[10]。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖(據(jù)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院, 2006修改)Fig.1 Geological sketch map of study area Q—第四系; N2—新近系上新統(tǒng); K1dn2—下白堊統(tǒng)東勝組上段; K1dn1—下白堊統(tǒng)東勝組下段; K1e3—下白堊統(tǒng)伊金霍洛組上段;K1e1+2—下白堊統(tǒng)伊金霍洛組中下段;1—地層界線;2—斷層; 3—地電化學測量采樣線

根據(jù)研究區(qū)東部的皂火壕鈾礦床、北部的納嶺溝鈾礦床及西部的大營鈾礦床的已知礦體顯示,礦體主要賦存于中侏羅統(tǒng)直羅組(J2z)中,礦床類型為砂巖型鈾礦,具有多期次成礦特征。礦體以板狀為主,少量為卷狀。鈾礦物以鈾石為主,少量為瀝青鈾礦。鈾石主要呈膠狀、短柱狀、晶簇狀分布,與長石、粘土礦物、黃鐵礦、金紅石、鈦鐵礦伴生,偶見產(chǎn)于云母變形縫隙中或石英顆粒表面[11-13]。

2 數(shù)據(jù)的處理

因子分析是一種根據(jù)相關(guān)性大小將變量系統(tǒng)分組的分析方法[14-15]。在系統(tǒng)分組中,同組內(nèi)的變量相關(guān)性較大,不同組的變量相關(guān)性較小。每組變量代表一個基本結(jié)構(gòu),用一個可觀測的綜合變量表示,這個基本結(jié)構(gòu)稱為公共因子，其作用主要為:將大量相關(guān)、重疊的信息數(shù)據(jù)進行綜合,將原始的多個變量綜合成較少的幾個變量和指標,以利于分析判定。

在化探數(shù)據(jù)處理過程中,為了確定對成礦作用具有指示意義的元素組合,準確篩選公共因子,首先對元素間的相關(guān)性進行分析。

2.1 元素相關(guān)性分析

相關(guān)分析是一種處理變量間相互關(guān)系的統(tǒng)計方法, 通過相關(guān)分析, 可以得到所測元素之間的相關(guān)系數(shù), 也就是元素之間相關(guān)性的大小[14]。 將研究區(qū)內(nèi)的樣品數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析， 結(jié)果見表1。

結(jié)果顯示: U和Th的相關(guān)性最好,相關(guān)系數(shù)達到了0.764, U、 Ti、 Mo的相關(guān)性也非常好, 相關(guān)系數(shù)均達到了0.5以上, 這些元素地球化學行為較為一致, 與鈾礦主成礦元素密切相關(guān)。 此外, 在相關(guān)系數(shù)矩陣中可以清晰地看到, Pb、 Cu、 Ag與其他各元素的相關(guān)系數(shù)不大, 相關(guān)性不明顯, 由此可知，這些元素的地球化學行為不一致。分析認為:在評價研究區(qū)找礦前景時,以單個元素異常為評價依據(jù)不能滿足靶區(qū)劃分要求。因此,本文在元素數(shù)據(jù)處理上進行元素的組合類型分析。

表1 地電提取各元素間相關(guān)系數(shù)矩陣Table 1 Elements of the correlation coefficient matrix of geo-electrical extraction

注: 在0.5水平上顯著相關(guān)。

2.2 元素組合類型分析

為定性地說明問題,對所測8個地電化學測量元素原始數(shù)據(jù)進行對數(shù)處理后,再應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計軟件SPSS對其結(jié)果進行R型聚類分析[14]。從分析結(jié)果(圖2)看,當類間距離為15時,8個元素聚成3類:第一類，U、Th、Ti、Mo;第二類，Cu、Zn;第三類，Pb、Ag?？梢?第一類元素與主要的成礦元素相關(guān)性較為密切,其地球化學習性較相近。

2.3 確定元素組合

在上述基礎(chǔ)上采用R型因子分析方法, 將關(guān)系錯綜復雜的成礦元素歸結(jié)為數(shù)量較少的幾個主因子來研究該區(qū)的成礦特點, 即利用因子分析確定元素組合。 在因子分析前首先進行KMO和Bartllet檢查, 得出相關(guān)結(jié)果。

圖2 研究區(qū)元素聚類分析譜系圖Fig.2 Cluster analysis of elements in study area

從表2中可以看出,Bartlett的球形度檢驗所得的Sig.為0.000,小于顯著性水平0.05,因此拒絕Bartlett的球形度檢驗的零假設(shè),適合作因子分析。KMO度量值為0.688,大于Kaiser給出的0.6的標準,所以處理后的地電提取數(shù)據(jù)適合進行因子分析。

以初始因子載荷矩陣特征值λ>1為選取標準,選取了前3個因子,計算其方差貢獻和積累方差貢獻,從主成分分析表(表3)可知,F1、F2、F3三個主因子的累積方差貢獻率已達70.202%,基本可以反映出絕大部分地電化學測量元素的特征。

從因子矩陣表(表4)中可以得到因子數(shù)為3個:F1代表U-Th-Ti-Mo元素組合;F2代表Cu-Zn組合;F3代表Pb-Ag元素組合。

2.4 元素組合的解釋與評價

在得到的3組因子中, 每一組因子分別代表了不同的地質(zhì)意義。 從因子矩陣表(表4)中也能清晰地看出, U、 Th、 Ti、 Mo對F1的貢獻更大。 根據(jù)該區(qū)的地質(zhì)情況分析, 研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造并不發(fā)育, 結(jié)合含礦地層對鈾礦分布有著直接的影響,認為F1因子是該區(qū)的主成礦元素及伴生元素組合,其與盆地砂巖型成礦作用有密切關(guān)系。從因子旋轉(zhuǎn)后的結(jié)果看出,Cu和Zn對F2因子的貢獻值更大,Pb和Ag對F3因子的貢獻更明顯。從已知剖面(圖3)看,在礦體上方U、Th、Ti、Mo表現(xiàn)出高異常,F2因子與F3因子亦有高異常的反映。因此，認為F2、F3因子可作為研究區(qū)的示礦元素組合。

表2 KMO和Bartlett檢驗表Table 2 KMO and Bartletts test

表3 主成分分析結(jié)果Table 3 Results of principal component analysis

表4 因子矩陣Table 4 Initial factor matrix

圖3 內(nèi)蒙東勝鈾礦區(qū)某勘探線地質(zhì)剖面圖(a)、地電提取單元素及因子得分異常曲線(b)Fig.3 Geological profile(a), abnormal curves of single element and factor score of geoelectricity extraction (b) for an exploration line in Dongsheng uranium mine,Inner Mongolia

統(tǒng)觀元素相關(guān)性分析、R型聚類分析和R型因子分析結(jié)果,表明該區(qū)成礦物質(zhì)來源具同一性。從F1(U-Th-Ti-Mo)、F2(Cu-Zn)、F3(Pb-Ag)幾組元素組合反映了該區(qū)可能存在多期成礦作用的特點，Th、Ti、Mo、U元素與成礦較為密切，Cu、Zn、Pb、Ag對成礦有一定的指示意義,為示礦元素。

3 因子分析在東勝地區(qū)的應(yīng)用

本次工作在研究區(qū)北部的納嶺溝礦床某勘探線進行了試驗,該勘探線經(jīng)工程揭露,發(fā)現(xiàn)工業(yè)礦體和礦化體,礦體及礦化體標高均在1 080 m左右,埋深400 m左右,礦體形態(tài)主要為板狀和卷狀,礦體主要賦存于直羅組中灰色與灰綠色砂巖過渡位置,符合研究區(qū)鈾礦成礦特征。在該剖面試驗結(jié)果中,對所得結(jié)果進行因子分析,并通過各因子得分繪圖,得到清晰的因子得分異常剖面圖(圖3)。與原始數(shù)據(jù)所作的異常剖面對比,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的剖面特點主要表現(xiàn)為:

(1)在發(fā)現(xiàn)工業(yè)鈾礦體的鉆孔(ZKN24-24、ZKN16-8、ZKN12-3、ZKN12-7-1、ZKN8-11、ZKN6-15、ZKN4-19、ZKN0-25)上方布置的11～20號測點所得結(jié)果F1(U-Th-Ti-Mo)、F2(Cu-Zn)、F3(Pb-Ag)三組因子都套合得很好,且各組因子均呈現(xiàn)出雙峰異常的特征。

(2)位于已知礦體上方的11～20號測點因子的分值明顯比其他點高,且表現(xiàn)出因子得分套合性好,而在無礦區(qū)段上方并無異常。由此,原始數(shù)據(jù)經(jīng)過因子分析,并通過因子得分繪圖,減弱了單一元素單峰異常,增強了元素綜合異常。其表現(xiàn)為放大了套合元素異常峰值,使得單個元素單峰異常對整套元素異常的影響更小,有利于對異常的評價。

綜上所述,原始數(shù)據(jù)通過因子分析處理后,強化了隱伏鈾礦體上方的地電化學異常,對異常靶區(qū)的圈定提供了更為可靠的依據(jù)。從已知剖面亦可得出,當F1、F2、F3三個因子都表現(xiàn)為高異常,且異常重合性很好時,能夠比較明確地顯示隱伏鈾礦體的存在。

4 成礦預測

依據(jù)東勝鈾礦區(qū)地質(zhì)分布特征,沿測區(qū)自西向東不等距布置了6條南北向測線,線號分別為L4、L5、L6、L7、L8、L9,點距為200 m(圖1)。

4.1 因子得分異常平面特征及評價

將工作區(qū)地電提取元素測試數(shù)據(jù)進行因子分析,得到因子得分等值線圖,圈出的異常為:F1(U-Th-Ti-Mo)異常3個(圖4a),F2(Cu-Zn)異常4個(圖4b),F3(Pb-Ag)異常3個(圖4c)，圖4d為異常靶區(qū)。

綜合各因子得分異常特征來看,異常多呈單點狀或片狀分布于測區(qū)東北部、中部、西北部、西南部,異常規(guī)模不大,但有一定的規(guī)律性。F1(U-Th-Ti-Mo)因子得分異常分布在測區(qū)中部和北東部,異常強度由北東向中部逐漸減小;F2(Cu-Zn)、F3(Pb-Ag)因子得分異常主要分布在測區(qū)的中部、 西北和西南部位, 異常強度由中部向西南、 西北部逐漸減小。 從主成礦因子F1(U-Th-Ti-Mo)到示礦因子F2(Cu-Zn)、F3(Pb-Ag)的分布情況可看出，因子得分異常在空間上具有一定的分帶性,即從北東到西南由主成礦元素組合到示礦元素組合逐漸過渡,暗示著成礦的主要方位位于測區(qū)的中部以及北東部。

綜合研究區(qū)地質(zhì)特征來看,各因子得分異常均發(fā)育在下伏有侏羅系直羅組的第四系、白堊系中,且中部異?？傮w分布在北東向深大斷裂附近,根據(jù)研究區(qū)鈾礦成礦模式的特點,因子得分異常部位符合研究區(qū)鈾礦賦礦位置特征,為尋找隱伏鈾礦之重點。

4.2 綜合找礦靶區(qū)劃分及評價

找礦靶區(qū)圈定是成礦預測的重要內(nèi)容,根據(jù)測區(qū)地質(zhì)特征及成礦模式,結(jié)合因子分析結(jié)果的綜合分析,本次研究確定的綜合找礦靶區(qū)的圈定標準如下:

Ⅰ類找礦靶區(qū)劃分依據(jù)： ①F1因子異常強度大, 具有三級濃度分帶, 異常形態(tài)及走向與區(qū)內(nèi)中部斷裂方向基本一致,異常規(guī)模相對較大; ②F1、F2、F3三個因子異常重合性較好;③在異常帶附近存在斷裂構(gòu)造、含礦地層及接觸帶等對成礦具有一定控制或影響的地質(zhì)因素。

Ⅱ類找礦靶區(qū)劃分依據(jù):①F1因子異常至少含中-外帶異常,具有一定異常規(guī)模;②F1、F2、F3三個因子異常套合性較好;③ 具有一定的成礦條件,地質(zhì)情況還需進一步了解。

Ⅲ類找礦靶區(qū)劃分依據(jù):①F1因子異常規(guī)模和強度較小,異常分帶性弱,多為單點異常,分布趨勢不明確;② 因子異常僅有部分重合或套合。

圖4 東勝測區(qū)因子得分異常與靶區(qū)劃分圖Fig.4 Anomaly of factor score and target area partition in Dongsheng area a—F1因子得分異常；b—F2因子得分異常；c—F3因子得分異常；d—綜合異常靶區(qū);1—地層界線; 2—斷層; 3—地電化學測量采樣線; 4—異常內(nèi)帶; 5—異常中帶; 6—異常外帶; 7—Ⅰ類靶區(qū); 8—Ⅱ類靶區(qū); 9—Ⅲ類靶區(qū)

根據(jù)測區(qū)地質(zhì)特征及成礦模式, 對因子分析結(jié)果進行綜合分析, 按照找礦潛力由大到小的順序依次劃分Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ類靶區(qū), 共圈定Ⅰ類異常靶區(qū)2個、 Ⅱ類靶區(qū)1個、 Ⅲ類靶區(qū)1個(圖4d)。

(1)Ⅰ類找礦靶區(qū)圈定與評價。Ⅰ-1號靶區(qū)位于測區(qū)北東部,雖然與示礦因子F2(Cu-Zn)、F3(Pb-Ag)套合性不是很好, 但主成礦因子F1(U-Th-Ti-Mo)得分異常強度和規(guī)模都很大;Ⅰ-2號靶區(qū)位于測區(qū)中部,各因子異常套合性好,異常強度和規(guī)模都很大。這兩個靶區(qū)都位于下伏有成礦地層侏羅系之上,靶區(qū)都位于中部深大斷裂的兩側(cè),且主成礦因子F1(U-Th-Ti-Mo)得分異常規(guī)模大,各因子套合性很好。綜合來看,這兩個區(qū)域地質(zhì)條件優(yōu)越,含礦地層較為完整,異?？傮w走向與測區(qū)中部斷裂基本一致,該斷裂可為含鈾物質(zhì)提供很好的運移通道和儲存空間。從異常覆蓋區(qū)與已知礦體成礦條件的吻合程度來看,這兩個靶區(qū)具有較大找礦潛力,為重點找礦區(qū),可供進一步工程驗證。

(2)Ⅱ類靶區(qū)圈定與評價。 Ⅱ類靶區(qū)位于測區(qū)東南部, 靶區(qū)分布在白堊系(K1e3)和第四系中,F1(U-Th-Ti-Mo)因子得分異常規(guī)模和強度大, 與F3(Pb-Ag)因子得分異常有一定的疊加, 但此靶區(qū)構(gòu)造不發(fā)育, 并遠離中部大斷裂。 結(jié)合異常覆蓋區(qū)地質(zhì)特征綜合分析, 認為這里有一定的找礦潛力, 可以作為次一等找礦部位來考慮。

(3)Ⅲ類靶區(qū)圈定與評價。Ⅲ類靶區(qū)位于測區(qū)西部,靶區(qū)主要分布在第四系中, 位于中部大斷裂的一側(cè), 其示礦因子F2(Cu-Zn)、F3(Pb-Ag)異常套合性很好, 但主成礦因子F1(U-Th-Ti-Mo)無異常。通過因子得分異常評價和地質(zhì)條件綜合分析,認為該類靶區(qū)找礦潛力尚不明確,可開展進一步的勘查工作。

5 結(jié) 論

(1)利用因子分析對地電化學數(shù)據(jù)進行處理,在已知礦體上方得到了清晰的異常,表明利用因子分析可以強化隱伏鈾礦體上方的地電化學異常,比較明確的指出隱伏鈾礦體的存在。

(2)因子分析處理后與原始數(shù)據(jù)對比,可以簡化繁雜的地化數(shù)據(jù),得到相對集中有用的地化信息。通過因子分析得到東勝地區(qū)與鈾成礦較為密切的元素為U、Th、Ti、Mo。

(3)通過因子得分異常可看出,研究區(qū)由東北往西南主成礦因子異常逐漸減弱,暗示測區(qū)東北部為尋找隱伏鈾礦的重點部位。

(4)根據(jù)因子分析結(jié)果,圈出三類4個找礦靶區(qū)。建議優(yōu)先在Ⅰ類靶區(qū)進行異常查證工作,待進一步地質(zhì)調(diào)查后,可以考慮工程驗證;Ⅱ、Ⅲ類靶區(qū)有待弄清引起異常的原因,可作進一步勘查研究,現(xiàn)階段不建議工程驗證。