因子分析在內蒙東勝地區尋找隱伏鈾礦中的應用

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.中核集團核工業北京地質研究院,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大量的化探數據進行簡化處理[1-6]。從大量關系復雜的數據中,尋找影響它們的共同因素與特殊因子,通過其相關關系,往往能指示地質上的某種共生組合和成因聯系,并以此研究其找礦意義。

鄂爾多斯盆地東勝地區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現并進行開采,在盆地內尋找隱伏礦體成為現階段勘探工作的重點內容。本文以內蒙東勝隱伏鈾礦區為例,在地電化學測量數據基礎上運用因子分析進行找礦研究[7-8]。筆者在分析礦區內已知剖面基礎上,對礦區地電化學測量數據進行因子分析,闡述了元素的相關性以及元素組合類型,最終確定了與找礦預測相關的元素組合。根據因子得分異常劃分礦區指示元素異常分帶,圈出找礦的有利靶區,并對下一步在該區尋找隱伏鈾礦提出了建議。

1 研究區地質概況

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

伊金霍洛組、東勝組分布于研究區西北部,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;新近系上新統分布于區內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,局部含鈣質結核;第四系分布于研究區西部及南部大部分地區,主要為沖積黃土、風積砂土、風成砂[9]。

研究區構造簡單, 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育處[10]。

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

根據研究區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,偶見產于云母變形縫隙中或石英顆粒表面[11-13]。

2 數據的處理

因子分析是一種根據相關性大小將變量系統分組的分析方法[14-15]。在系統分組中,同組內的變量相關性較大,不同組的變量相關性較小。每組變量代表一個基本結構,用一個可觀測的綜合變量表示,這個基本結構稱為公共因子，其作用主要為:將大量相關、重疊的信息數據進行綜合,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。

在化探數據處理過程中,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性進行分析。

2.1 元素相關性分析

相關分析是一種處理變量間相互關系的統計方法, 通過相關分析, 可以得到所測元素之間的相關系數, 也就是元素之間相關性的大小[14]。 將研究區內的樣品數據進行相關分析， 結果見表1。

結果顯示: U和Th的相關性最好,相關系數達到了0.764, U、 Ti、 Mo的相關性也非常好, 相關系數均達到了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。 此外, 在相關系數矩陣中可以清晰地看到, Pb、 Cu、 Ag與其他各元素的相關系數不大, 相關性不明顯, 由此可知，這些元素的地球化學行為不一致。分析認為:在評價研究區找礦前景時,以單個元素異常為評價依據不能滿足靶區劃分要求。因此,本文在元素數據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系數矩陣Table 1 Elements of the correlation coefficient matrix of geo-electrical extraction

注: 在0.5水平上顯著相關。

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據進行對數處理后,再應用數理統計軟件SPSS對其結果進行R型聚類分析[14]。從分析結果(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。可見,第一類元素與主要的成礦元素相關性較為密切,其地球化學習性較相近。

2.3 確定元素組合

在上述基礎上采用R型因子分析方法, 將關系錯綜復雜的成礦元素歸結為數量較少的幾個主因子來研究該區的成礦特點, 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, 得出相關結果。

圖2 研究區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,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據適合進行因子分析。

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。 根據該區的地質情況分析, 研究區內構造并不發育, 結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系。從因子旋轉后的結果看出,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 主成分分析結果Table 3 Results of principal component analysis

表4 因子矩陣Table 4 Initial factor matrix

圖3 內蒙東勝鈾礦區某勘探線地質剖面圖(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

統觀元素相關性分析、R型聚類分析和R型因子分析結果,表明該區成礦物質來源具同一性。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的應用

本次工作在研究區北部的納嶺溝礦床某勘探線進行了試驗,該勘探線經工程揭露,發現工業礦體和礦化體,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,符合研究區鈾礦成礦特征。在該剖面試驗結果中,對所得結果進行因子分析,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)。與原始數據所作的異常剖面對比,經過數據處理后的剖面特點主要表現為:

(1)在發現工業鈾礦體的鉆孔(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,且表現出因子得分套合性好,而在無礦區段上方并無異常。由此,原始數據經過因子分析,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,原始數據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,對異常靶區的圈定提供了更為可靠的依據。從已知剖面亦可得出,當F1、F2、F3三個因子都表現為高異常,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

依據東勝鈾礦區地質分布特征,沿測區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

將工作區地電提取元素測試數據進行因子分析,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。

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東北部、中部、西北部、西南部,異常規模不大,但有一定的規律性。F1(U-Th-Ti-Mo)因子得分異常分布在測區中部和北東部,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的中部以及北東部。

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

4.2 綜合找礦靶區劃分及評價

找礦靶區圈定是成礦預測的重要內容,根據測區地質特征及成礦模式,結合因子分析結果的綜合分析,本次研究確定的綜合找礦靶區的圈定標準如下:

Ⅰ類找礦靶區劃分依據： ①F1因子異常強度大, 具有三級濃度分帶, 異常形態及走向與區內中部斷裂方向基本一致,異常規模相對較大; 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因素。

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

Ⅲ類找礦靶區劃分依據:①F1因子異常規模和強度較小,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 東勝測區因子得分異常與靶區劃分圖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;1—地層界線; 2—斷層; 3—地電化學測量采樣線; 4—異常內帶; 5—異常中帶; 6—異常外帶; 7—Ⅰ類靶區; 8—Ⅱ類靶區; 9—Ⅲ類靶區

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

(1)Ⅰ類找礦靶區圈定與評價。Ⅰ-1號靶區位于測區北東部,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)得分異常強度和規模都很大;Ⅰ-2號靶區位于測區中部,各因子異常套合性好,異常強度和規模都很大。這兩個靶區都位于下伏有成礦地層侏羅系之上,靶區都位于中部深大斷裂的兩側,且主成礦因子F1(U-Th-Ti-Mo)得分異常規模大,各因子套合性很好。綜合來看,這兩個區域地質條件優越,含礦地層較為完整,異常總體走向與測區中部斷裂基本一致,該斷裂可為含鈾物質提供很好的運移通道和儲存空間。從異常覆蓋區與已知礦體成礦條件的吻合程度來看,這兩個靶區具有較大找礦潛力,為重點找礦區,可供進一步工程驗證。

(2)Ⅱ類靶區圈定與評價。 Ⅱ類靶區位于測區東南部, 靶區分布在白堊系(K1e3)和第四系中,F1(U-Th-Ti-Mo)因子得分異常規模和強度大, 與F3(Pb-Ag)因子得分異常有一定的疊加, 但此靶區構造不發育, 并遠離中部大斷裂。 結合異常覆蓋區地質特征綜合分析, 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類靶區圈定與評價。Ⅲ類靶區位于測區西部,靶區主要分布在第四系中, 位于中部大斷裂的一側, 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條件綜合分析,認為該類靶區找礦潛力尚不明確,可開展進一步的勘查工作。

5 結 論

(1)利用因子分析對地電化學數據進行處理,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據對比,可以簡化繁雜的地化數據,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,研究區由東北往西南主成礦因子異常逐漸減弱,暗示測區東北部為尋找隱伏鈾礦的重點部位。

(4)根據因子分析結果,圈出三類4個找礦靶區。建議優先在Ⅰ類靶區進行異常查證工作,待進一步地質調查后,可以考慮工程驗證;Ⅱ、Ⅲ類靶區有待弄清引起異常的原因,可作進一步勘查研究,現階段不建議工程驗證。