对应分析在冀北蔡家营地区土壤形成过程研究中的应用

申伍军，曾道明，杨济远，曹永阳，朱本鸿

(1.河北省地矿局,河北 石家庄 050081;2.河北省区域地质矿产调查研究所,河北 廊坊 065000 3.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000)

对应分析在冀北蔡家营地区土壤形成过程研究中的应用

申伍军1，2，曾道明3，杨济远2，曹永阳2，朱本鸿2

(1.河北省地矿局,河北 石家庄 050081;2.河北省区域地质矿产调查研究所,河北 廊坊 065000 3.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000)

目的 研究表生风化作用过程对土壤不同粒级的影响。方法 运用多元统计中的对应分析对采自蔡家营地区不同粒级土壤样品的主量元素及稀土元素进行分析，结合显微镜观察及统计，探讨不同粒级土壤的物理化学风化以及该区风成沙主要渗入粒级的识别。结果 在>4目、4～10目及10～20目粗粒级段主要以原地物理风化为主，岩石与矿物以棱角状为主，且轻稀土富集，具有正Eu和正Ce异常的稀土配分曲线为特征；在20～40、40～60、60～80、80～100目，石英以滚圆状及高含量为特征，Eu及Ce以正异常转为负异常为特征，在该粒级段物理化学均对土壤有重要影响，且有大量外来风积物的加入；在100～120目细粒级中，滚圆状石英含量减少，棱角状石英增加，黏土矿物含量升高，来源既有原地也有外来风积物的次生风化，稀土配分模式相似，但稀土总量升高，该粒级段以化学风化占支配地位。结论 以上结果可以为该区地球化学方法技术的选择提供重要参考，减少该区风积物对化探找矿效果的影响。

对应分析、因子分析；表生作用；物理化学风化;风成砂

0 引 言

对应分析是20世纪70年代由法国Benzecri综合R型与Q型2种分析方法发展起来的一种新的数学方法。在国内这种方法较早地被应用于区域化探的数据处理，并取得了较好的应用效果[1]。近年来，国内学者又将该方法与聚类分析相结合发展成为针对小样本集的对应聚类分析方法和针对大样本集的半谱系及非谱系对应聚类分析，分别在地球科学、医学、经济学以及教育与社会学等多个领域获得成功应用，显现出该方法良好的应用前景[2-7]。

采样粒级是区域化探方法技术所考虑的主要问题之一，冀北及相邻内蒙地区由于受风成砂的影响，相关学者在不同矿种、不同成因类型的矿区做了大量的方法技术试验，但是风成砂的渗入粒级仍是一个值得探讨的问题[8-11]。风成砂是表生地球化学作用的产物，因此需要从表生地球化学的过程来认识这个问题。本文以冀北蔡家营地区上方的实测数据为准，对不同粒级的土壤样品进行了化学分析、矿物鉴定，并借以数学地质的手段，对该区的表生风化作用过程进行了探讨。

1 研究区概况

研究区位于河北省张家口坝上地区，常年降雨量少，气候严寒，从全国一级地球化学景观上来看属于半干旱中低山丘陵景观，属中温带半干旱坝上盆丘草原区(图1)。地表低缓地带为第四系风长沙覆盖，一般厚0.5～1 m，最后可达70 m。

本区在大地构造上位于华北地台北缘中段内蒙地轴中部，处于北部康保—围场与南部尚义—平泉两条东西向深断裂的挟持地带。矿区周围出露的地层主要为元古界红旗营子群老变质岩，其上不整合覆盖有白垩系火山碎屑沉积岩[12]。分布有蔡家营大型Zn-Pb-Ag多金属矿，并伴生有Au。

图1 河北地球化学景观及采样点位置图

2 样品采集与分析

本次工作在蔡家营矿区上方采集了9件样品，采样点具体位置如图1所示。野外采集的样品约5 kg，装入洁净布样袋，用4、10、20、40、60、80、100、120目等筛子样在野外进行顺序筛分，并称取重量，然后把每个粒级分装两份样品，每份500 g左右，一份送河北省区域地质矿产调查研究所岩矿实验室;另一份取250 g做风成砂矿物鉴定，取另250 g研磨至200目，主量元素采用碱烧法制备样品，使用AxiosmaxX射线荧光光谱仪完成分析测试，微量元素和稀土元素采用酸溶法制备样品，使用X Serise 2等离子体质谱仪完成测试，分析精度高于5%。

3 数据处理与分析结果

3.1 对应分析原理

对应分析通过分析变量的交叉汇总表来解释变量和样品间的联系，是一种视觉化的数据分析方法，能够将几组看不出任何联系的数据，通过直观的定位图展现出来。

对应分析的基本思想，是将一个列联表的行和列中各元素的比例结构以点的形式在较低维的空间表示出来。它最大的优点是把众多的样品和变量同时作到一张图上，将样品的种类及其属性在图上直观地表示出来。另外，还省略了因子选择和因子旋转等复杂的数学运算及中间过程，可以从因子载荷图上对样品进行直观的分类，而且能够指示分类的主要参数以及分类的依据，是一种直观、简单、方便的多元统计方法。

3.2 数据结果及图件

为了了解不同粒级样品在基岩表生风化作用，利用光谱分析项目中的26个元素作为变量，依次为：主量元素SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3、FeO、CaO、MgO、K2O、Na2O、MnO、P2O5;稀土元素Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu。研究区不同粒级土壤元素含量见表1。

表1 不同粒级元素含量分布

含量单位：稀土元素(×10-6)，其余元素(×10-2)

从下面的对应分析图(图2)可以看出：

在第一象限，对应图2-B，包含的粒级有10～20目和20～40目，其中10～20目维数2略大于0，存在于第四象限到第一象限的过渡位置；包含的元素有La、、Pr、Nd、Sm、Gd，属于轻稀土元素。

在第二象限，对应图2-C，包含的粒级有100～120目和-120；包含的主量元素有TiO2、FeO、MgO，REE为Y、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu，为重稀土元素。

在第三象限，对应图2-D，包含的粒级有40～60目、60～80目和80～100目；包含的主量元素有SiO2、CaO、Na2O、MnO。

在第四象限，对应图2-A，包含的粒级有>4目和4～10目；包含的主要元素有Al2O3、Fe2O3、K2O、P2O5，REE为Eu、Ce，两者均为稀土中具有变价的元素。

图2 蔡家营地区不同粒级土壤对应分析图

注：1:SiO2;2:Al2O3;3:TiO2;4:Fe2O3;5:FeO;6:CaO;7:MgO;8:K2O;9:Na2O;10:MnO;11:P2O5;12:Y;13:La;14:Ce;15:Pr;16:Nd;17:Sm;18:Eu;19:Gd;20:Tb;21:Dy;22:Ho;23:Er;24:Tm;25:Yb;26:Lu。

3.3 稀土结果

稀土元素是微量元素中最重要的1组元素，由于它们的化学和晶体化学性质极其相似，在地质深部作用过程中，以“整体”形式进行分配和迁移，同样在表生作用过程中是具有活动性，不同稀土之间仍有微小的差别(Eu、Ce丰缺程度，配分类型)，因此稀土元素(rare earth element,REE)是很好的地球化学指示剂[13-15]。不同粒级土壤的REE含量及参数见表1，配分模式如图3所示，本文中REE球粒陨石标准化采用的是Boynton数据。

由表1可以看出：从>4目至20～40目粒级稀土总量有所升高，在20～40目含量达到最大，在60～80目含量最低，从80目到120目，含量又开始升高。从粗粒级到细粒级，轻稀土与重稀土之比由16.4下降到10.15，总体呈下降趋势，稀土发生了分馏。

从稀土配分曲线图3(a)来看，从>4目粒级到-120目粒级，Eu从正异常变为负异常，Ce也从正异常变为负异常。4～20目，Eu及Ce为正值，20～60目，Eu及Ce为负值。20～40目稀土含量高于40～60目稀土含量。配分模式发生了明显的变化。这说明稀土在表生风化过程中发生了明显的分馏。从稀土配分曲线图3(b)来看，60～80和80～100目配分形态及含量都几乎一样。从100～120目到-120目，配分模式相似，稀土总量又有所升高，具有负Eu异常及微弱的负Ce异常。总体来看，轻稀土相对较富集。

图3 蔡家营地区不同粒级土壤球粒陨石标准化稀土元素配分模式

3.4 显微镜鉴定结果

从表2可以看出，在>10目，全部为棱角(次棱角)状岩屑，是原地岩石机械风化的产物；在10～20目，岩屑比例已经降到2/3，另外的则以石英、长石等矿物形式存在(显微镜鉴定见图4，下同)；在20～40目，滚圆状石英则由6%增加到33%，这部分石英来自于10～20目中岩屑的风化，另外已经有外来风成物的参与；滚圆状石英在40～60、60～80、80～100目各粒级中均占1/3，很明显在这些粒级均有风成沙的加入；在100～120目，次滚圆状的岩屑含量减少，但滚圆状的石英却在减少，说明该粒级受风成沙的影响已经相对减少；120～200目，滚圆状石英含量最低，同时棱角(次棱角)状的石英含量明显升高；-200目，滚圆状石英含量开始升高，同时次棱角状石英含量进一步升高，另外从粉晶衍射结果来看，粘土的含量明显大于其它粒级，这说明在该阶段，石英已经进入到斑晶的风化阶段，架状的长石等硅酸盐已经转化为层状粘土类矿物，表明化学风化占有支配地位。

4 讨 论

常量元素主要包括SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3、FeO、CaO、MgO、K2O、Na2O等，它们是组成岩石的主要产物，也是组成土壤的主要组分，尽管在元素含量高低以及赋存形式上会有一定变化。在对应分析图中，SiO2、CaO、Na2O、MnO主要位于第三象限。SiO2是石英的主要化学组分，CaO、Na2O是斜长石的主要化学组分，镜下鉴定该区的石英含量占到1/3左右，并且具有良好的磨圆度。风成砂的主要成分就是石英和长石，因此，该元素组合体现了粒级范围内明显受到了风成砂的影响。风成砂的主要粒级为40～100目。另外值得关注的是Mn元素，在风化作用过程中可以产生氧化铁锰膜，因此会出现以上的元素组合。

图4 蔡家营不同粒级土壤镜下照片

(次)棱角状次滚圆状滚圆状粒级(目)石英长石岩屑石英长石岩屑石英长石岩屑4～10100.010～204.35.310.43.51.733.96.134.820～401.61.27.92.41.917.933.02.431.740～604.92.155.011.03.4317.129.815.710.560～804.01.07.01.024.030.010.023.080～1003.07.01.027.033.09.020.0100～1202.78.52.823.028.08.027.0120～2009.28.92.624.016.66.332.4-20013.712.11.56.128.08.130.5

Al2O3、Fe2O3、K2O、P2O5均位于第四象限。K2O是组成钾长石的主要元素，Al2O3、Fe2O3是组成长石等架状硅酸盐矿物的主要元素。从元素化学性质上来看，钾长石的耐风化程度大于斜长石，Al2O3、Fe2O3在表生活动中含量变化较少，因此会出现Al2O3、Fe2O3、K2O、P2O5的元素组合。从镜下鉴定结果来看，>4目和4～10目主要矿物为石英、钾长石和斜长石以及岩屑，主要呈棱角状，少量呈次棱角状，因此在这两个粒级主要是物理风化的产物。

TiO2、FeO均位于第二象限，两者属于过渡族元素。由于风化过程中所形成的矿物主要为高岭石、蒙脱石、伊利石以及非晶质氢氧化物等，粘土矿物属层状硅酸盐矿物,主要阳离子都位于八面体中，这些元素的八面体择位能最大，因而得到最大的富集。因此在该粒级中会出现TiO2、FeO的元素组合。从镜下鉴定结果来看，滚圆状石英明显比中间粒级减少，而次棱角及次滚圆状的石英占有一定比例，说明原地基岩中的石英已经从硅酸盐进入到石英斑晶的风化阶段。

Eu和Ce是稀土中2个具有变价的元素，从地球化学性质来看Eu3+的离子半径为95 pm，与Ca2+(99 pm)的半径相近，二价的Eu可以被斜长石和钾长石所容纳，而三价的稀土却是不相容的[16]。因此，在长石的风化过程中随着长石的风化就会造成Eu的异常。通常认为，铈异常是由于Ce3+在风化环境中氧化为Ce4+，而与其它稀土元素发生分宜，矿物学研究表明，Ce异常与铁锰氧化紧密相伴，另外，腐殖质也可能是影响Ce活动性的一个主要因素，Ce与腐殖酸的络合能力较其它稀土元素更强[17]。结合对应分析图及稀土配分曲线图来看，Eu和Ce均位于第四象限，在稀土配分曲线上两者均具有正异常，主要体现的还是原生介质的信息。轻稀土主要位于第一象限，体现了在风化过程中继承了粗粒级轻稀土富集的特点，但是同时化学风化作用过程得到了加强，主要表现为Eu和Ce变为负异常。重稀土和Y主要位于第四象限，主要体现了黏土矿物的吸附作用对稀土所造成的分馏，而黏土矿物的来源可能是原地岩石风化的产物，也包括风成砂风化所形成的产物。

从上面的主量、微量元素分析结果和图解结合显微镜鉴定结果，大致可以看出该区粗粒级(4～20目)主要体现了物理风化作用，中间粒级(20～120目)则明显受到了风成砂的影响，风成砂的优势粒级为40～100目，在该粒级范围内既有物理风化和化学风化的影响，同时也有外来风积物的参与。在细粒级中-100目(或者-120目)则化学风化占有支配的地位，该粒级是原地表生风化作用和外来物风化作用共同作用下的产物。

5 结 论

1)对应分析可以综合R型、Q型因子分析的优点，而且使两种方法获得对立的统一，应用对应分析可以将样品和变量表示在同一空间，这可以为地球化学工作者对化探数据做出合理的解释与推断。

2)通过对冀北蔡家营地区不同粒级样品的对应聚类分析，结合显微镜下鉴定及稀土资料可以看出，该区风成砂的主要粒级为20～100目，100～120目也具有一定量的风成砂，该结果可以为邻区相似地球化学景观的地区提供参考，从而选择合理的采样粒级。

3)通过对冀北地区的不同粒级土壤样品的化学分析结果可以看出，在4～20目的粗粒级中，物理风化占主导地位，中间粒级物理化学风化并重，在细粒级(-120目)则化学风化占支配地位。

致谢：由衷地感谢河北省区域地质矿产调查研究所中心实验室、中国地质科学院矿床所实验室对本项目的支持，同时感谢王建华高级工程师对样品的显微镜鉴定。

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[责任编辑：刘守义 英文编辑：刘彦哲]

Application of Correspondence Analysis to Study of Soil Forming Process in Caijiaying Area,Northern Hebei

SHEN Wu-jun1,2,ZENG Dao-ming3,YANG Ji-yuan2,CAO Yong-yang2,ZHU Ben-hong2

(1.Hebei Geological Exploration Bureau,Shijiazhuang,Hebei 050081,China;2.Regional Geological and Mineral Resource Survey Institute of Hebei Province,Langfang,Hebei 065000,China;3.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang,Hebei 065000,China)

Objective To study the influence of hypergenesis on the different soil fractions.Methods The correspondence analysis of the major elements and the REE of the soil from the Caijiaying area was applied to study the physical and chemical weathering of the different soil particles,and to identify the principle fractions of the eolian sand in this area,in combination with microscopic observation.Results Firstly,the coarse particles between>4and 4-20 mesh were mainly formed by physical weatheringinsituand characterized by angular minerals and fragmental rocks,enrichment of light rare earth elements and positive anomaly of Eu and Ce in the REE patterns.Secondly,the middle particles of 20-40,40-60,60-80,80-100 mesh respectively had the features of mass rounded quartz and negative anomaly of Eu and Ce in the REE patterns.Physical and chemical weathering changed the mineral composition and the size of the soil,and the addition of eolian deposits changed the chemical composition.At last,the fine particles between100-120 mesh could be recognized that the content of the rounded quartz decreased,while the clay mineral increased,and chemical weathering dominated the process.The fine particle of soil was a mixture of weathering products around and eolian deposits.Conclusion The above conclusions can provide an important reference for the selection of geochemical exploration methods in this area and reduce the influence of the eolian sand.

correspondence analysis;factor analysis;surface activity;physical and chemical weathering;aeolian sand

河北省地勘局博士后工作站基金项目：“蔡家营外围浅覆盖区细粒级及活动态地球化学测量方法研究”(2015042962)

申伍军(1981-)，男，山西黎城人，博士，主要从事勘查地球化学领域方面生产及研究工作。

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10.3969/j.issn.1673-1492.2017.03.006

来稿日期：2016-08-30