孫林華

宿州學(xué)院地球科學(xué)與工程學(xué)院，安徽宿州，234000

地球化學(xué)以研究天體及其子系統(tǒng)化學(xué)組成、作用和演化為主要目的，是地質(zhì)學(xué)與化學(xué)學(xué)科相結(jié)合而發(fā)展起來的學(xué)科，目前已經(jīng)成為和地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)相提并論的地球科學(xué)三大支柱學(xué)科之一。隨著地球化學(xué)學(xué)科的逐漸發(fā)展，目前已經(jīng)衍生出了多個(gè)分支學(xué)科，如區(qū)域地球化學(xué)、巖石地球化學(xué)、水文地球化學(xué)、環(huán)境地球化學(xué)等，在人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)中起到了重要作用，如地質(zhì)演化研究、地質(zhì)資源調(diào)查、煤礦安全生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)合理化種植及環(huán)境科學(xué)研究等。

作為地球科學(xué)類專業(yè)的主干課程之一，地球化學(xué)在地質(zhì)學(xué)、地質(zhì)工程、資源勘查和環(huán)境科學(xué)等專業(yè)教學(xué)中具有重要地位，其典型課程有巖石、水文和環(huán)境地球化學(xué)等。在這些課程當(dāng)中，數(shù)據(jù)處理是其中重要的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，多種軟件得以應(yīng)用，常見的如Geoplot、Geokit、Isoplot及SPSS等。因?yàn)镾PSS在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)，所以在多個(gè)地球化學(xué)分支學(xué)科中得到了廣泛應(yīng)用，相關(guān)的教程和學(xué)術(shù)專著也大量出版[1-3]，為廣大研究者提供了學(xué)習(xí)參考材料。

同時(shí)，在多個(gè)學(xué)科當(dāng)中，鑒于SPSS的重要性，許多教育工作者對(duì)該軟件在計(jì)算機(jī)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械和體育等教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)學(xué)科的教學(xué)[4-8]。然而，尚缺乏SPSS在地球科學(xué)類教學(xué)中的應(yīng)用總結(jié)。同時(shí)，在一般的教學(xué)過程中，也很少涉及與專業(yè)相關(guān)的SPSS軟件的應(yīng)用，造成專業(yè)知識(shí)和數(shù)據(jù)應(yīng)用之間的脫節(jié)。因此，本文以SPSS 16為例，結(jié)合筆者在地球化學(xué)課程教學(xué)和科研經(jīng)歷，簡(jiǎn)單總結(jié)了該軟件在巖石、水文和環(huán)境三個(gè)代表性地球化學(xué)課程中最常見的幾種應(yīng)用(統(tǒng)計(jì)描述、相關(guān)性、因子、判別和聚類分析)，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了講解，以期為地球化學(xué)課程教學(xué)提供參考信息。

1 SPSS簡(jiǎn)介

SPSS是世界上最早的統(tǒng)計(jì)分析軟件，由美國(guó)斯坦福大學(xué)的三位研究生于1968年研發(fā)成功，并于1984年推出世界上第一個(gè)統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS/PC+，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了SPSS 20，并廣泛應(yīng)用于自然、技術(shù)和社會(huì)科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。在國(guó)際上，用SPSS軟件完成的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，可以不必說明算法，由此可見其影響之大和信譽(yù)之高。在統(tǒng)計(jì)分析上，SPSS提供了包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)管理與準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果報(bào)告在內(nèi)的完整過程。

SPSS軟件在界面上主要由數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果輸出窗口兩大部分組成，其中數(shù)據(jù)輸入窗口又可以分為數(shù)據(jù)窗口和數(shù)據(jù)屬性窗口。SPSS的統(tǒng)計(jì)分析功能主要集中在Analyze主菜單中，最常用的功能包括統(tǒng)計(jì)報(bào)表、描述統(tǒng)計(jì)、均值比較、相關(guān)性分析、回歸分析、聚類分析、降維分析和非參數(shù)檢驗(yàn)等。而對(duì)于圖形功能主要集中于Graphs主菜單中，最常用的包括柱狀圖、箱圖、散點(diǎn)圖和折線圖等。

2 SPSS在地球化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 巖石地球化學(xué)

巖石地球化學(xué)是近代發(fā)展起來的巖石學(xué)和地球化學(xué)的交叉學(xué)科，主要利用巖石中的主、微量元素和同位素探討巖石源區(qū)、成因、演化以及巖石產(chǎn)出的構(gòu)造背景等方面科學(xué)問題。SPSS在巖石地球化學(xué)中的應(yīng)用主要包括利用統(tǒng)計(jì)描述獲取含量的變化范圍、利用相關(guān)性分析了解元素含量的協(xié)變規(guī)律以及利用判別分析建立判別圖解等，下文以相關(guān)性分析為例，講解元素協(xié)變規(guī)律在火成巖巖漿演化過程教學(xué)中的應(yīng)用。

相關(guān)性分析是巖石地球化學(xué)尤其是火成巖地球化學(xué)研究的重要組成部分，也是巖石地球化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，關(guān)系到學(xué)生對(duì)巖漿演化過程的理解以及有關(guān)火成巖數(shù)據(jù)處理方法的掌握。通常情況下，在教學(xué)中以Hacker圖解的形式體現(xiàn)，其基本涵義為利用巖石中SiO2或者M(jìn)gO含量的增加或者減少趨勢(shì)，分析同步變化的其他主量元素氧化物的含量變化趨勢(shì)，進(jìn)而獲取巖漿演化過程中礦物的分離結(jié)晶過程，一般可通過圖解的形式并進(jìn)而求取相關(guān)系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。但是，存在的問題是得到相關(guān)系數(shù)后難以確定該相關(guān)系數(shù)到底多大表示相關(guān)性是很好、一般或者不好。在SPSS分析過程中，顯著性水平能夠很好地解決這一問題。如以下關(guān)于輝綠巖相關(guān)性分析的應(yīng)用案例(數(shù)據(jù)來自于互聯(lián)網(wǎng))，分析的操作步驟為：Analyze-Correlate-Bivariate，結(jié)果見表1。

從表1可以看出，SiO2和MgO具有顯著的負(fù)相關(guān)，說明巖漿演化過程中SiO2含量升高的同時(shí)MgO含量顯著降低，這是巖漿演化過程的顯著表現(xiàn)。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)P2O5和SiO2顯著正相關(guān)，而與MgO顯著負(fù)相關(guān)，說明在巖漿演化過程中存在含磷礦物的富集而不是分離。反之，可以通過其他與SiO2負(fù)相關(guān)的氧化物如TiO2、Al2O3、Fe2O3、MnO和Na2O推斷含Ti、Al、Fe、Mn和Na的礦物在巖漿演化過程中存在分離，考慮到輝綠巖的礦物組成，可以推斷為鈦鐵礦和斜長(zhǎng)石等。這一部分的講解可以讓學(xué)生深入了解巖漿演化過程，同時(shí)如果結(jié)合巖石學(xué)和礦物學(xué)，對(duì)促進(jìn)學(xué)生融會(huì)貫通相關(guān)學(xué)科知識(shí)是有益的。

表1 輝綠巖主量元素氧化物相關(guān)性分析結(jié)果

注：*代表在0.05水平上顯著，**代表在0.01水平上顯著。

2.2 水文地球化學(xué)

水文地球化學(xué)以天然水為研究對(duì)象，且主要為地下水化學(xué)成分的形成和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，既涉及到地下水形成的基本科學(xué)問題，也可以服務(wù)于找礦、煤礦安全和生態(tài)環(huán)境研究領(lǐng)域。SPSS在水文地球化學(xué)中的應(yīng)用非常廣泛，尤其是在水巖相互作用研究和煤礦礦井水源識(shí)別研究當(dāng)中，因此也產(chǎn)生了大量的應(yīng)用研究成果[9-10]。

水文地球化學(xué)中最常用的SPSS應(yīng)用包括利用統(tǒng)計(jì)描述了解水化學(xué)組成特征、利用相關(guān)性分析和聚類分析了解離子或者元素之間的協(xié)變關(guān)系，或者結(jié)合因子分析了解地下水中離子的來源以及含水層之間的相互關(guān)系，并進(jìn)而利用判別分析建立水源識(shí)別方程和圖解。下文以煤礦深層地下水離子組成介紹因子分析在水文地球化學(xué)上的應(yīng)用，數(shù)據(jù)來自于臥龍湖煤礦。

表2 因子分析結(jié)果

圖1 因子得分圖

2.3 環(huán)境地球化學(xué)

環(huán)境地球化學(xué)是環(huán)境科學(xué)與地球化學(xué)之間的一門邊緣學(xué)科，隸屬于環(huán)境地球科學(xué)，主要研究環(huán)境中天然的和人為釋放的化學(xué)物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其與人體健康之間的關(guān)系。與巖石和水文地球化學(xué)相比，SPSS在環(huán)境地球化學(xué)中扮演的角色可能更為重要。其應(yīng)用幾乎涵蓋了環(huán)境地球化學(xué)研究的每個(gè)具體領(lǐng)域。其典型應(yīng)用如含量統(tǒng)計(jì)、時(shí)空變化規(guī)律、污染來源分析和背景值確定等[11-12]。下文介紹描述統(tǒng)計(jì)和頻率統(tǒng)計(jì)在環(huán)境地球化學(xué)上的應(yīng)用，數(shù)據(jù)來自于宿州市奎河。

統(tǒng)計(jì)描述的操作步驟為：Analyze-Descriptive statistics-Descriptive(描述統(tǒng)計(jì))或者Frequencies(頻率統(tǒng)計(jì))。對(duì)于頻率統(tǒng)計(jì)，在給出結(jié)果后，利用Graphs中的Scatter功能繪制累計(jì)頻率圖。描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3，累計(jì)頻率圖見圖2。

從表3中可以看出，奎河總氮的變化范圍為1.47～41.5 mg/L(平均值11.0 mg/L)，而總磷為0.10～21.4 mg/L(平均值1.84 mg/L)，且兩者均不服從正態(tài)分布(Skewness為正值)，表明奎河氮、磷的含量并非單純的自然來源而可能存在人為污染。同時(shí)，在圖2中可以將總氮含量的相對(duì)累積頻率曲線劃分為3段：段1代表當(dāng)前環(huán)境背景值范圍，段2代表當(dāng)前環(huán)境基線值范圍，段3代表當(dāng)前最極端的污染狀態(tài)，與人為活動(dòng)有關(guān)。同理，總磷也可以劃分為3段，各段含義與總氮相同。通過這一部分的講解，一方面可以讓學(xué)生了解統(tǒng)計(jì)描述的方法，另一方面了解污染的多種來源以及直觀的表示方法。

表3 奎河氨氮含量描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 奎河氨氮含量累計(jì)頻率圖

3 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

(1)SPSS是當(dāng)今自然科學(xué)研究的重要工具之一，而地球化學(xué)是一門以化學(xué)組成(含量)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)分析為手段的課程，因此SPSS對(duì)于地球化學(xué)課程的學(xué)習(xí)有著舉足輕重的影響。

(2)地球化學(xué)課程教學(xué)過程中充分利用SPSS的幾種常用功能，如描述統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性分析和因子分析等，可以讓學(xué)生更深入地了解化學(xué)組成和化學(xué)演化過程，從而提升學(xué)生理解書本知識(shí)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的能力。

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