因子分析方法在硅质岩中的应用

因子分析方法在硅质岩中的应用

运用归维理论是主要因素分析的推广。在研究原始变量相关矩阵的内部结构之前，我们假设了一种复杂关系的变量，并将几个复杂关系的变量归因于一个小因素的普遍统计分析方法。自20世纪60年代以来,因子分析法得到了国内外地质学界的广泛关注,并逐渐渗透到该领域的各个分支中。在对硅质岩的研究中,因子分析方法被成功地用于研究华南等地的古热水沉积硅质岩。硅质岩是在化学沉积和生物化学沉积中仅次于碳酸盐岩的岩类,也是造山带中分布较为广泛的岩石类型之一,是多种矿种的赋矿层位、矿源层及含矿岩系。硅质岩具有硬度高、抗风化能力强等特殊的物理性质,形成后受后期内外动力地质作用改造的程度小,有利于保留当时形成的古地理、古成矿环境信息。在中国的秦岭、华南和滇西三江地区,很多学者通过研究硅质岩建造来追索古、中特提斯海在华南陆域的延伸,而藏南地区和雅鲁藏布江缝合带,却鲜有学者对硅质岩进行过全面而深入的研究。因此,系统地研究藏南地区硅质岩的岩石地球化学特征,提取有关的构造环境信息,同时展开与华南、秦岭地区硅质岩的对比,对于深入分析藏南古构造环境、古成矿环境乃至古气候环境都具有重要意义。系统的野外考察显示,藏南地区的硅质岩具有产出规模大、沉积建造类型多样、发育时代由老至新和产出背景从海到陆的特点。基于硅质岩沉积建造类型和岩性等的差异,对沿雅鲁藏布江的彭错林、夏鲁和宗卓组3条硅质岩剖面进行了重点测制(图1),分别采集了7、8和6件硅质岩样品。样品由中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学重点实验室进行测试分析,测试结果如表1所示。为了有效地提取硅质岩所反映的地质地球化学信息,本研究在地质调查的基础上,通过有目的的取样和测试,找出影响不同层位硅质岩地球化学特征的共同因素和特殊因素。当许多因素存在一定程度的相关性时,通过数学方法的处理,在保留原始变量大部分相关关系和变异性的基础上,将众多原始变量转化为维数较少的新变量,能够大大简化观测系统,有效地提取影响观测数据的主要因素。正是由于因子分析方法处理和解决问题的优点,本文才利用多元统计方法对藏南硅质岩进行了地球化学组成分析。1数据处理和分析本文应用R型因子分析对藏南硅质岩原始数据的常量和微量元素(表1)进行了处理。分析过程采用SPSS软件,设置公因子最小贡献值(即最小特征值)为1,经方差极大正交旋转提取公因子,分析结果见表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讨论2.1地球化学标志在常量元素中提取出2~3个主因子。第一主因子F1中,3条硅质岩剖面的一个共同特征是包含Al2O3、TiO2、Na2O等元素组合,这些元素之间彼此正相关,在变量主因子正交平面投影图中,表现为F1的正轴方向,但SiO2的因子载荷为负数,其含量与其他氧化物呈消长关系,表现为F1的负轴方向(表2,图2-a、b、c)。从元素地球化学属性来看,这些元素一般在地表风化产物中富集,均是表生环境下地球化学性质稳定的惰性组分。所以,第一主因子F1具有陆源产物的指示意义,F1值越大,则陆源成分参与沉积越多。第二主因子F2对于各个剖面所代表的意义不同。对于彭错林和夏鲁硅质岩,第二主因子F2中包含了Fe2O3、MgO、MnO等金属氧化物组合,尤其是在彭错林硅质岩中更显著,方差贡献率达40.88%(表2)。在深海沉积物中,铁锰氧化物一般归因于铁锰结核沉积物或海底热水活动沉积物来源,因此该项因子具有指示热水沉积来源的代表意义。在变量主因子正交平面投影图中,F2的正轴方向是Fe2O3、MgO、MnO等组分(图2-a、b、d),F2越大,则说明参与沉积的热液成分越多。对于宗卓组硅质岩,第二主因子F2则包含了P2O5、CaO、MgO等元素组合(图3-a、c)。在海相沉积物中,P2O5一般来源于磷灰石或生物骨骼,被认为和生物作用有关。CaO和MgO均是钙质化学沉积物中常见的组分。因此,该主因子可代表沉积物中的自生组分。第三主因子F3中,对于宗卓组硅质岩中MnO的负因子载荷F3,可能与它在成岩过程中具有强烈的地球化学迁移性有关。故将其与第一主因子合并,代表陆源碎屑来源(图3-b、c)。2.2微量元素地球化学相对常量元素主因子,硅质岩中的微量元素主因子不仅数目众多,且元素组合类型多样(表3)。这可能和沉积岩中元素地球化学行为的差异性、微量元素赋存的不均一性、沉积环境的多样性等因素的影响有关。为提取主要信息,本文依据元素的地球化学属性,对相似的主因子进行合并分析。彭错林硅质岩的微量元素第一主因子和夏鲁硅质岩的微量元素第二主因子类似,主要包括亲铁元素Cr、Co、Zn、V、Ni、Cu等,这些元素一般在偏基性岩中比较富集,如洋壳玄武岩等。因此,它们与彭错林硅质岩常量元素第二因子、夏鲁硅质岩主量元素第二因子相对应,代表了热水流体通过水岩反应从基岩中淋滤出来的元素,指示热水流体来源。比较分析发现,宗卓组硅质岩的微量元素第一主因子、第二主因子,夏鲁硅质岩的微量元素第一主因子、第二主因子和彭错林硅质岩的微量元素第二主因子在元素组合上类似,包含Ga、U、Rb、Nb、Zr、Ti、Ta、Th、Hf等这些大离子亲石元素和高场强元素(表3),这些不相容元素在地球化学行为上倾向于赋存在地壳表层,特别是在地表风化产物的碎屑矿物中高度富集。因此,这组微量元素主因子与它们的常量元素第一主因子相对应,指示陆源物质。2.3组分组分及微量元素特征通过常量元素、微量元素的因子分析,可以从藏南硅质岩中提取出3个具有成岩指示意义的因子:陆源因子、自生因子和热水来源因子。前2个因子和正常沉积作用相关,第3个因子和热水沉积作用相关。物源因子揭示,3条硅质岩剖面在成岩物源上有不同的渠道。宗卓组硅质岩包括陆源因子和自生因子,表现在主因子正交平面投影图上,F1正轴方向集中了陆源因子Al2O3、TiO2、Na2O等组分(图3-a、b),F2正轴方向集中了P2O5、CaO、MgO等自生因子(图3-a、c),而夏鲁和彭错林硅质岩中除陆源因子外还包括热水来源因子,可见Fe2O3、MgO、MnO等热水因子组分多集中在F2正轴方向上(图2-a、b、d)。从常量元素主因子的方差贡献率上分析,按照彭错林→夏鲁→宗卓组的顺序,陆源因子和自生因子所占方差贡献率逐渐升高(51.1%→62.9%→91.6%),而热水源因子的方差贡献率却大幅降低(40.9%→32.2%→0)(表2)。从微量元素主因子的方差贡献率上也可以看出同样的规律,宗卓组和夏鲁硅质岩内陆源因子方差贡献率高于热水来源因子,而在彭错林硅质岩内正好相反(表3)。综合这些特征,因子分析揭示了藏南硅质岩的一些重要的成岩作用信息,即:彭错林硅质岩的物源以热水源为主,属以热水沉积为主的成岩类型;夏鲁硅质岩的物源兼有热水源和陆源,属于正常沉积和热水沉积交互作用的类型;宗卓组硅质岩的物源以陆源为主,属以正常沉积作用为主的成岩类型。对于热水沉积和正常沉积这2种不同的沉积类型,硅质岩的沉积过程可以表现出多种方式,包括单一的正常沉积作用、单一的热水沉积作用、热水沉积与正常沉积作用同时进行、正常沉积作用与热水沉积作用交替出现等作用方式。本文的分析结果和华南热水沉积硅质岩建造的因子分析结果很类似,其地质意义在于指示了硅质岩的成岩过程可以有多种沉积作用共同参与。3彭错林夏鲁宗卓组岩相特征(1)藏南硅质岩剖面中可提取3个具有成岩指示意义的因子:陆源因子、自生因子和热水来源因子。前2个因子和正常沉积作用相关,第3个因子和热水沉积作用相关。(2)常量元素中,第一主因子包含Al2O3、TiO2、Na2O、SiO2等,代表陆源组分;第二主因子在彭错林和夏鲁剖面包含Fe2O3、MgO、MnO等,代表热液组分,在宗卓组剖面包含P2O5、CaO、MgO等,代表自生组分;第三主因子代表陆源组分。(3)对于微量元素,彭错林硅质岩的第一主因子和夏鲁硅质岩的第二主因子包括亲铁元素Cr、Co、Zn、V、Ni、Cu等,代表热水流体来源;宗卓组、夏鲁硅质岩的第一主因子、第二主因子和彭错林剖面的第二主因子包含Ga、U、Rb、Nb、Zr、Ti、Ta、Th、Hf等大离子亲石元素,指示陆源物质。(4)按彭错林→夏鲁→宗卓组剖面的顺序,陆源因子和自生因子所占方差贡献率逐渐升高(51.1%→62.9%→91.6%),而热水源因子的方差贡献率大幅降低(40.9%→32