多元统计方法在地气异常推断解释中的应用*

2013-08-22刘国安周四春

金属矿山 2013年9期

刘国安周四春赵辉孙森刘俊

(成都理工大学核技术与自动化工程学院)

地气测量是一种通过分析地下气体上升时携带运移到近地表的多种痕量元素的微弱异常来寻找深部隐伏矿床的探测方法［1］。随着地气方法研究的不断深入，该法开始逐渐应用于探寻隐伏金属矿。实验表明，并非所有的地气异常都是隐伏矿体引起的，为此，要将地气方法有效应用于隐伏矿探测，就必须解决所捕获地气异常的性质判定问题，在理论与方法上完善对地气异常的解释。本研究以多元统计分析为手段，分析了湖南黄沙坪铅锌矿和云南施甸东山铅锌矿整装勘查区矿致地气异常的特征，探讨了利用多元统计方法相结合的方法，对未知异常性质进行了推断和解释。

1 地气测量基本原理

众所周知，地球内部存在着大量气体。这些气体在温度差、压力差的作用下，会形成以垂向上升为主的气流，也就是上升气流，当上升气流通过矿(化)体时，将会把矿(化)体所释放的元素纳米微粒吸附携带至地表，从而在垂直于矿(化)体上方的地表形成地气异常［2-3］。

2 整装勘查区工作概况

黄沙坪铅锌多金属矿是我国重要的有色金属矿集区。研究区位于千里山—骑田岭矿集区西部，末阳—临武南北向构造中段，郴州—蓝山北东向基底构造岩浆岩与郴州—邵阳北西向基底构造岩浆岩的交汇处。区内岩浆岩主要有石英斑岩、英安斑岩、花斑岩和花岗斑岩4种，属于浅成至超浅成中酸性岩体。

本次测线全长79.8 km，为白石渡—黄沙坪—飞仙镇一线。为了有效开展地气测量工作，测线是根据前人磁法测量结果拟定的。本次地气采样运用动态地气采样法，在磁法测量异常地段，地气测量点间距为20 m，在无异常地段间距则为80 m。使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP－MS)分析地气物质含量，每个样品共分析了38种元素。

施甸东山铅锌矿勘查区位于施甸县城东8 km，属施甸县木老元、仁和、甸阳3个乡镇所辖，处于保山南北向构造带中，属保山—镇康有色金属成矿带北段。矿区出露地层主要是泥盆系何元寨组(Dh)、下统向阳寺组(D1x)，二叠系沙子坡组(Ps)、下统丙麻组(P1bm)，三叠系南梳坝组(T3n)、河湾街组(Th)地层。本区的断层按走向可分为3组，分别为近南北向—北北东向组、北西向组、东西向组。后两组为晚期构造，一般规模均较小，常切穿前一组。近南北向或北东向组是本区的控岩、控矿构造，是本区的主要断层。区内铅锌成矿带主要受构造控制，铅锌含矿热液沿断层破碎带上移，沿断层破碎带及主断层附近的层间破碎带再分配，于构造有利部位沉淀富集，形成矿体，矿床成因初步认为属于与构造、层位相关的沉积改造－构造热液型矿床。

进行此次地气测量的目的是期望捕获一些矿体深部信息及新的指示隐伏矿体异常的信息，为勘查区进一步找矿突破提供新的找矿靶位。根据东山地区的地质情况，以控制区内重点部位的有利地层岩性及构造为目的，设定方位角为110°，沿勘查区56#、0#、39#勘探线布设了地气测量路线。按20 m点距布设地气测点，总计完成318个测点的地气测量。采样方法和分析方法和黄沙坪铅锌矿相同。变量统计分析方法［4］。

下面以黄沙坪矿集区矿上异常为例，其矿上异常R型因子分析载荷矩阵见表1。由表可见:矿上地气异常可由4个主成分因子表示，这4个主成分因子方差贡献率累计达97.10%，F1主成分因子贡献率已达55.07%，F1、F2两个主成分因子累计贡献率达 81.50%;Zn、Pb、Li、Mn、Ni、Rb、Y、Cd、Cs、Th、As、W、Bi在 F1主成分因子上载荷较大(＞0.75)，Cr、Co、Sr、Ag、Hg、Mo 在 F2 主成分因子上载荷较大(＞0.85)。

表1 R型因子载荷矩阵

3 成果分析

先期以主要寻找铅锌矿为目的，对黄沙坪矿集区和施甸东山整装勘查区的地气数据进行处理，以Pb、Zn累加值的平均值加3倍标准差为异常下限划分异常区。下面以黄沙坪矿上异常、非矿异常、非异常区(在地气测线上任意选取的非异常段)及地气上升所经矿体、岩浆岩作聚类分析对比，并作黄沙坪矿上异常因子分析。以东山勘查区39#线矿上异常、0#线非矿异常、非异常区(在地气测线上任意选取的非异常段)及地气上升所经矿体区作聚类分析对比，并作39#线矿上异常因子分析;以39#线矿上异常、0#线非矿异常、0#线未知异常1区(位置360～560 m)、56#线未知异常2区(位置380～540 m)作判别分析。

3.1 因子分析

因子分析是主成分分析的推广，它的基本思想是在保证数据信息丢失最少的原则下，利用降维的思想，从原始众多变量的相关矩阵出发，把具有错综复杂关系的变量归结为少数几个综合因子的一种多

根据相关资料，可以推断F1主成分因子代表了矿石的信息，并且大于地气所反映信息的50%。F2主成分因子代表了与岩浆岩有关的信息，并且大于地气所反映信息的25%。F3、F4则反映其他信息。这说明了矿上异常主要反映矿石的信息，与岩浆岩有关的信息次之。由此可知，主成分因子能够反映矿上(致)异常地气组分来源，矿上(致)异常能够最大程度反映矿石的信息。因此，可以利用因子分析获知未知地气异常的组分来源，还可以侧面反映未知地气异常是否为矿致异常。

3.2 聚类分析

系统聚类法是目前国内外使用最多的一种聚类法，属于聚合法。其基本步骤为:先把每个样品各看作为一类，计算各类之间的距离;然后把距离最小的两类合并为一类;再计算新的类间距离;如此重复，一直到合并为一类为止［5］。黄沙坪矿上异常、非矿异常、非异常区及地气上升所经岩石、岩浆岩聚类分析结果见图1～图5。

图1 矿上异常聚类结果

图2 矿石聚类结果

图3 岩浆岩聚类结果

图4 非异常区聚类结果

图5 非矿异常聚类结果

黄沙坪矿集区聚类结果表明，在阈值为5以内，矿上异常中 Pb、Zn、Cu、As、Bi、Cd、Ni聚成一类;矿石中 Pb、Zn、Cu、Bi、Cd、Ag 聚成一类;岩浆岩的 Pb、Zn、Cu、Sn聚成一类。可以看出，矿上异常与矿石聚类结果相同程度很大，与岩浆岩聚类结果相对接近;矿石和岩浆岩聚类结果也有很大程度的相同;而非矿异常和非异常区的聚类结果与矿上异常、矿石、岩浆岩的相似度或相同度相去甚远。东山整装勘查区聚类结果表明，在阈值为15以内，矿上异常、矿石、非矿异常、非异常区也有以上特点。这说明了矿上异常可以反映矿石和岩浆岩的信息，矿上异常主要是矿石所致，矿石的形成与岩浆活动有关，而非矿异常和非异常则不具备以上特点。由于非矿异常、非异常区与矿上异常(也就是矿致异常)、矿石、岩浆岩的聚类结果不同，所以，这可应用在未知地气异常的推断解释中。

3.3 判别分析

判别分析是一种用于分析组间差异的多元统计方法，用判别分析可以研究针对多个变量的两组或多组间的差异［6］。它是在已知观察对象的分类结果和若干表明观测对象特征变量值的情况下，建立一定的判别准则，使得利用判别准则对新的观测对象的类别进行判别时，出错的概率很小［7］。由于相同或相似的地质特征应有相应的地质产出，可以根据已知的矿致异常和非矿异常的样本信息，总结出异常分类的规律性，建立判别公式和判别准则。根据总结出来的判别公式和判别准则，就可以对未知异常进行判别。

本次判别分析选取东山整装勘查区39#测线上的矿上异常(10个矿上异常点，距离为580～800 m)作为已知的矿致异常的样本，为1组;选取0#线上的非矿异常(7个非矿异常点，距离为0～120 m)为已知的非矿异常样本，为2组;选取0#线上未知异常1区共11个未知异常点和56#线上未知异常2区共8个未知异常点进行判别。

判别函数的显著性的检验结果显示，卡方统计量值为12.176，自由度为1，显著性效率为0.000，从而认为判别函数有效，可以对未知异常进行判别。

逐步判别交叉验证结果中，第1组中10个点，判对9个，判错1个，正确分类率为90%;第2组中7个点，7个点全部判对，正确分类率为100%。总的正确分类率为94.1%。说明判别的正确概率非常大。

未知地气异常判别结果表明，未知异常1区中11个点，其中2个点判为第1组，9个点判为第2组，判为第2组的比率为82%。未知异常2区中有8个点，其中6个点判为第1组，2个点判为第2组，判为第1组的比率为75%。

综合未知异常判别结果和相关地质因素及相关资料分析，判定未知地气异常1区为非矿异常可能性较大，判定未知地气异常2区为矿致异常的可能性较大。所以，在已知矿致异常和非矿异常的情况下，判别分析是对未知异常进行定性判断的一个有效手段。