因子分析方法在硅質(zhì)巖中的應(yīng)用

因子分析方法在硅質(zhì)巖中的應(yīng)用

運(yùn)用歸維理論是主要因素分析的推廣。在研究原始變量相關(guān)矩陣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之前，我們假設(shè)了一種復(fù)雜關(guān)系的變量，并將幾個(gè)復(fù)雜關(guān)系的變量歸因于一個(gè)小因素的普遍統(tǒng)計(jì)分析方法。自20世紀(jì)60年代以來,因子分析法得到了國(guó)內(nèi)外地質(zhì)學(xué)界的廣泛關(guān)注,并逐漸滲透到該領(lǐng)域的各個(gè)分支中。在對(duì)硅質(zhì)巖的研究中,因子分析方法被成功地用于研究華南等地的古熱水沉積硅質(zhì)巖。硅質(zhì)巖是在化學(xué)沉積和生物化學(xué)沉積中僅次于碳酸鹽巖的巖類,也是造山帶中分布較為廣泛的巖石類型之一,是多種礦種的賦礦層位、礦源層及含礦巖系。硅質(zhì)巖具有硬度高、抗風(fēng)化能力強(qiáng)等特殊的物理性質(zhì),形成后受后期內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用改造的程度小,有利于保留當(dāng)時(shí)形成的古地理、古成礦環(huán)境信息。在中國(guó)的秦嶺、華南和滇西三江地區(qū),很多學(xué)者通過研究硅質(zhì)巖建造來追索古、中特提斯海在華南陸域的延伸,而藏南地區(qū)和雅魯藏布江縫合帶,卻鮮有學(xué)者對(duì)硅質(zhì)巖進(jìn)行過全面而深入的研究。因此,系統(tǒng)地研究藏南地區(qū)硅質(zhì)巖的巖石地球化學(xué)特征,提取有關(guān)的構(gòu)造環(huán)境信息,同時(shí)展開與華南、秦嶺地區(qū)硅質(zhì)巖的對(duì)比,對(duì)于深入分析藏南古構(gòu)造環(huán)境、古成礦環(huán)境乃至古氣候環(huán)境都具有重要意義。系統(tǒng)的野外考察顯示,藏南地區(qū)的硅質(zhì)巖具有產(chǎn)出規(guī)模大、沉積建造類型多樣、發(fā)育時(shí)代由老至新和產(chǎn)出背景從海到陸的特點(diǎn)?；诠栀|(zhì)巖沉積建造類型和巖性等的差異,對(duì)沿雅魯藏布江的彭錯(cuò)林、夏魯和宗卓組3條硅質(zhì)巖剖面進(jìn)行了重點(diǎn)測(cè)制(圖1),分別采集了7、8和6件硅質(zhì)巖樣品。樣品由中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試分析,測(cè)試結(jié)果如表1所示。為了有效地提取硅質(zhì)巖所反映的地質(zhì)地球化學(xué)信息,本研究在地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,通過有目的的取樣和測(cè)試,找出影響不同層位硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征的共同因素和特殊因素。當(dāng)許多因素存在一定程度的相關(guān)性時(shí),通過數(shù)學(xué)方法的處理,在保留原始變量大部分相關(guān)關(guān)系和變異性的基礎(chǔ)上,將眾多原始變量轉(zhuǎn)化為維數(shù)較少的新變量,能夠大大簡(jiǎn)化觀測(cè)系統(tǒng),有效地提取影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的主要因素。正是由于因子分析方法處理和解決問題的優(yōu)點(diǎn),本文才利用多元統(tǒng)計(jì)方法對(duì)藏南硅質(zhì)巖進(jìn)行了地球化學(xué)組成分析。1數(shù)據(jù)處理和分析本文應(yīng)用R型因子分析對(duì)藏南硅質(zhì)巖原始數(shù)據(jù)的常量和微量元素(表1)進(jìn)行了處理。分析過程采用SPSS軟件,設(shè)置公因子最小貢獻(xiàn)值(即最小特征值)為1,經(jīng)方差極大正交旋轉(zhuǎn)提取公因子,分析結(jié)果見表2和表3。各剖面公因子如下。微量元素:微量元素:微量元素:2討論2.1地球化學(xué)標(biāo)志在常量元素中提取出2~3個(gè)主因子。第一主因子F1中,3條硅質(zhì)巖剖面的一個(gè)共同特征是包含Al2O3、TiO2、Na2O等元素組合,這些元素之間彼此正相關(guān),在變量主因子正交平面投影圖中,表現(xiàn)為F1的正軸方向,但SiO2的因子載荷為負(fù)數(shù),其含量與其他氧化物呈消長(zhǎng)關(guān)系,表現(xiàn)為F1的負(fù)軸方向(表2,圖2-a、b、c)。從元素地球化學(xué)屬性來看,這些元素一般在地表風(fēng)化產(chǎn)物中富集,均是表生環(huán)境下地球化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的惰性組分。所以,第一主因子F1具有陸源產(chǎn)物的指示意義,F1值越大,則陸源成分參與沉積越多。第二主因子F2對(duì)于各個(gè)剖面所代表的意義不同。對(duì)于彭錯(cuò)林和夏魯硅質(zhì)巖,第二主因子F2中包含了Fe2O3、MgO、MnO等金屬氧化物組合,尤其是在彭錯(cuò)林硅質(zhì)巖中更顯著,方差貢獻(xiàn)率達(dá)40.88%(表2)。在深海沉積物中,鐵錳氧化物一般歸因于鐵錳結(jié)核沉積物或海底熱水活動(dòng)沉積物來源,因此該項(xiàng)因子具有指示熱水沉積來源的代表意義。在變量主因子正交平面投影圖中,F2的正軸方向是Fe2O3、MgO、MnO等組分(圖2-a、b、d),F2越大,則說明參與沉積的熱液成分越多。對(duì)于宗卓組硅質(zhì)巖,第二主因子F2則包含了P2O5、CaO、MgO等元素組合(圖3-a、c)。在海相沉積物中,P2O5一般來源于磷灰石或生物骨骼,被認(rèn)為和生物作用有關(guān)。CaO和MgO均是鈣質(zhì)化學(xué)沉積物中常見的組分。因此,該主因子可代表沉積物中的自生組分。第三主因子F3中,對(duì)于宗卓組硅質(zhì)巖中MnO的負(fù)因子載荷F3,可能與它在成巖過程中具有強(qiáng)烈的地球化學(xué)遷移性有關(guān)。故將其與第一主因子合并,代表陸源碎屑來源(圖3-b、c)。2.2微量元素地球化學(xué)相對(duì)常量元素主因子,硅質(zhì)巖中的微量元素主因子不僅數(shù)目眾多,且元素組合類型多樣(表3)。這可能和沉積巖中元素地球化學(xué)行為的差異性、微量元素賦存的不均一性、沉積環(huán)境的多樣性等因素的影響有關(guān)。為提取主要信息,本文依據(jù)元素的地球化學(xué)屬性,對(duì)相似的主因子進(jìn)行合并分析。彭錯(cuò)林硅質(zhì)巖的微量元素第一主因子和夏魯硅質(zhì)巖的微量元素第二主因子類似,主要包括親鐵元素Cr、Co、Zn、V、Ni、Cu等,這些元素一般在偏基性巖中比較富集,如洋殼玄武巖等。因此,它們與彭錯(cuò)林硅質(zhì)巖常量元素第二因子、夏魯硅質(zhì)巖主量元素第二因子相對(duì)應(yīng),代表了熱水流體通過水巖反應(yīng)從基巖中淋濾出來的元素,指示熱水流體來源。比較分析發(fā)現(xiàn),宗卓組硅質(zhì)巖的微量元素第一主因子、第二主因子,夏魯硅質(zhì)巖的微量元素第一主因子、第二主因子和彭錯(cuò)林硅質(zhì)巖的微量元素第二主因子在元素組合上類似,包含Ga、U、Rb、Nb、Zr、Ti、Ta、Th、Hf等這些大離子親石元素和高場(chǎng)強(qiáng)元素(表3),這些不相容元素在地球化學(xué)行為上傾向于賦存在地殼表層,特別是在地表風(fēng)化產(chǎn)物的碎屑礦物中高度富集。因此,這組微量元素主因子與它們的常量元素第一主因子相對(duì)應(yīng),指示陸源物質(zhì)。2.3組分組分及微量元素特征通過常量元素、微量元素的因子分析,可以從藏南硅質(zhì)巖中提取出3個(gè)具有成巖指示意義的因子:陸源因子、自生因子和熱水來源因子。前2個(gè)因子和正常沉積作用相關(guān),第3個(gè)因子和熱水沉積作用相關(guān)。物源因子揭示,3條硅質(zhì)巖剖面在成巖物源上有不同的渠道。宗卓組硅質(zhì)巖包括陸源因子和自生因子,表現(xiàn)在主因子正交平面投影圖上,F1正軸方向集中了陸源因子Al2O3、TiO2、Na2O等組分(圖3-a、b),F2正軸方向集中了P2O5、CaO、MgO等自生因子(圖3-a、c),而夏魯和彭錯(cuò)林硅質(zhì)巖中除陸源因子外還包括熱水來源因子,可見Fe2O3、MgO、MnO等熱水因子組分多集中在F2正軸方向上(圖2-a、b、d)。從常量元素主因子的方差貢獻(xiàn)率上分析,按照彭錯(cuò)林→夏魯→宗卓組的順序,陸源因子和自生因子所占方差貢獻(xiàn)率逐漸升高(51.1%→62.9%→91.6%),而熱水源因子的方差貢獻(xiàn)率卻大幅降低(40.9%→32.2%→0)(表2)。從微量元素主因子的方差貢獻(xiàn)率上也可以看出同樣的規(guī)律,宗卓組和夏魯硅質(zhì)巖內(nèi)陸源因子方差貢獻(xiàn)率高于熱水來源因子,而在彭錯(cuò)林硅質(zhì)巖內(nèi)正好相反(表3)。綜合這些特征,因子分析揭示了藏南硅質(zhì)巖的一些重要的成巖作用信息,即:彭錯(cuò)林硅質(zhì)巖的物源以熱水源為主,屬以熱水沉積為主的成巖類型;夏魯硅質(zhì)巖的物源兼有熱水源和陸源,屬于正常沉積和熱水沉積交互作用的類型;宗卓組硅質(zhì)巖的物源以陸源為主,屬以正常沉積作用為主的成巖類型。對(duì)于熱水沉積和正常沉積這2種不同的沉積類型,硅質(zhì)巖的沉積過程可以表現(xiàn)出多種方式,包括單一的正常沉積作用、單一的熱水沉積作用、熱水沉積與正常沉積作用同時(shí)進(jìn)行、正常沉積作用與熱水沉積作用交替出現(xiàn)等作用方式。本文的分析結(jié)果和華南熱水沉積硅質(zhì)巖建造的因子分析結(jié)果很類似,其地質(zhì)意義在于指示了硅質(zhì)巖的成巖過程可以有多種沉積作用共同參與。3彭錯(cuò)林夏魯宗卓組巖相特征(1)藏南硅質(zhì)巖剖面中可提取3個(gè)具有成巖指示意義的因子:陸源因子、自生因子和熱水來源因子。前2個(gè)因子和正常沉積作用相關(guān),第3個(gè)因子和熱水沉積作用相關(guān)。(2)常量元素中,第一主因子包含Al2O3、TiO2、Na2O、SiO2等,代表陸源組分;第二主因子在彭錯(cuò)林和夏魯剖面包含F(xiàn)e2O3、MgO、MnO等,代表熱液組分,在宗卓組剖面包含P2O5、CaO、MgO等,代表自生組分;第三主因子代表陸源組分。(3)對(duì)于微量元素,彭錯(cuò)林硅質(zhì)巖的第一主因子和夏魯硅質(zhì)巖的第二主因子包括親鐵元素Cr、Co、Zn、V、Ni、Cu等,代表熱水流體來源;宗卓組、夏魯硅質(zhì)巖的第一主因子、第二主因子和彭錯(cuò)林剖面的第二主因子包含Ga、U、Rb、Nb、Zr、Ti、Ta、Th、Hf等大離子親石元素,指示陸源物質(zhì)。(4)按彭錯(cuò)林→夏魯→宗卓組剖面的順序,陸源因子和自生因子所占方差貢獻(xiàn)率逐漸升高(51.1%→62.9%→91.6%),而熱水源因子的方差貢獻(xiàn)率大幅降低(40.9%→32