淮南煤田老礦區(qū)地下水微量元素多元統(tǒng)計研究

劉天驕, 張春雷, 錢家忠, 趙衛(wèi)東

(1.淮南師范學院 生命科學系,安徽淮南 232002;2.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009)

淮南煤田老礦區(qū)地下水微量元素多元統(tǒng)計研究

劉天驕1, 張春雷2, 錢家忠2, 趙衛(wèi)東2

(1.淮南師范學院 生命科學系,安徽淮南 232002;2.合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009)

文章采用現(xiàn)代統(tǒng)計學中聚類分析和分類主成分分析方法,利用SPSS15.0軟件對淮南煤田老礦區(qū)收集的地下水水樣中11種微量元素進行多元統(tǒng)計分析。分析研究表明,聚類分析闡明了淮南老礦區(qū)地下水各微量元素的遷移規(guī)律,選取 Co、Rb、Sc、V、Ba、As、Mo為地下水中互異的微量元素,并以 Sc、Co、Rb為例分析各含水層的特征微量元素;主成分分析建立了礦區(qū)主要突水含水層的4個主成分的判別表達式,可推斷4個主成分分別與溶濾作用、河流補給作用及大氣降水直接補給作用關(guān)系密切。所得結(jié)果可為后續(xù)水源研究提供依據(jù)。

微量元素;統(tǒng)計分析;淮南煤田

0 引 言

淮南煤田老礦區(qū)位于淮河以南,現(xiàn)有新莊孜礦、謝一礦、李咀孜礦等生產(chǎn)礦井。老區(qū)礦藏豐富,年產(chǎn)量超過1 000×104t。自20世紀40年代開采至今,已積累了大量的常規(guī)水化學資料,且一些多元統(tǒng)計分析方法被用于常規(guī)水化學分析中,如對應分析法[1]。但由于開采時間過長,地下水環(huán)境受人為因素影響嚴重,單純從常規(guī)元素研究已經(jīng)很難把握地下水化學特征。隨著礦區(qū)開采的深入,礦井水害頻繁發(fā)生,亟需借助輔助手段,對現(xiàn)在老區(qū)地下水特征進行分析,以滿足老區(qū)各礦對防治水工作的需要。

地下水蘊含的微量元素因其具有化學指示劑[2]作用,近年來已被廣泛應用于煤田防治水工作中。文獻[3,4]對皖北礦區(qū)主要含水層中微量元素化學特征進行分析,建立了礦區(qū)主要突水水源的主成分表達式。文獻[5]通過對兗州礦區(qū)微量元素 Cu、Pb、Zn 、As、U 、Th 含量的測試,分析了微量元素在研究區(qū)煤層垂直方向上的變化特征及主要形成原因,為礦井水源的微量元素特征研究打下了基礎(chǔ)。

本文旨在通過對淮南老礦區(qū)地下水微量元素所包含的信息進行分析,研究老區(qū)突水含水層中水的化學特征,以彌補淮南礦區(qū)在研究地下水微量元素方面的不足,為淮南煤田防治水工作提供有效的參考。

1 淮南老礦區(qū)水文地質(zhì)概述

淮南煤田老區(qū)地處淮南復向斜南翼推覆構(gòu)造的前緣,間夾在阜鳳與舜耕山逆沖斷層之間,主要構(gòu)造形態(tài)呈一弧形展布,煤系地層分布及水文地質(zhì)分區(qū)受以上2條主干斷裂的控制。礦區(qū)水文地質(zhì)條件復雜,其中孔集礦是全國14對水文地質(zhì)條件極復雜礦井之一,水文地質(zhì)區(qū)劃上位于南方區(qū)與北方區(qū)的交界地帶,主要突含水層(組)包括:奧灰裂隙巖溶含水層與太灰薄層灰?guī)r裂隙含水層(以下簡稱“灰?guī)r水”)、煤系砂巖裂隙含水層(以下簡稱“煤系水”)、第四系砂層孔隙含水層(以下簡稱“第四系水”)和采空區(qū)積水(以下簡稱“老空水”)。

2 微量元素的測定

課題組于淮南老區(qū)各礦,利用水文長觀孔和礦井下的放水孔、出水點等,共采集灰?guī)r水、煤系水、老空水、地表水等62個水樣。其中灰?guī)r水樣(包括太灰水和奧灰水)27個,煤系水樣17個,老空水樣13個,第四系水樣5個。取樣時采用自制水樣采集器,用所取水樣潤洗3遍后裝入100 m L樣品瓶,密封保存并送至核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心進行檢測,根據(jù)DZ/T0064.80-93,采用地下水水質(zhì)檢驗方法等離子體質(zhì)譜法測試[6]。

所用儀器為Finnigan M AT制造的HR-ICPMS(ElementⅠ),共檢測指標 46項,采樣的同時用手持式GPS測定采樣點的地理坐標,具體采樣地點如圖1所示。

圖1 微量元素取樣點分布圖

3 老礦區(qū)微量元素統(tǒng)計學分析

3.1 聚類分析原理

聚類分析是多元統(tǒng)計中的一種數(shù)學分類方法,把所研究的對象看作一個多維空間中的對象,用數(shù)學方法研究對象之間的疏密關(guān)系及其相似性,進而將研究對象進行合理分類。通常采用夾角余弦公式來計算樣本間的接近程度R,R越接近于1,則樣本越接近。夾角余弦公式[7]為:

其中,xik表示案例i在變量k上的值;xjk表示案例j在變量k上的值 。

微量元素在各類巖石中的含量差別較大,在各類巖石中的組合特征也不盡相同,勢必引起微量元素在地下水中含量不均一[8]。又因淮南老礦區(qū)地下水多呈中性偏堿,抑制了某些元素的遷移能力,導致研究區(qū)內(nèi)微量元素含量變化不均一,表現(xiàn)出不同的遷移特征。

為此,對常見的微量元素進行聚類分析有助于識別性質(zhì)相近的元素,獲取元素的信息,分析它們在地下水中的遷移規(guī)律,為尋找突水含水層類型與分析礦區(qū)水文地球化學特征提供了有效的途徑[9]。

3.2 微量元素聚類分析過程

在對微量元素進行統(tǒng)計分析的過程中,如果元素檢出率過低就會影響到分析結(jié)果,因此在本研究中將未檢出水樣數(shù)大于5個的29個元素剔除,并對剩余的17個元素篩選以進行統(tǒng)計分析,最終選用11個元素進行分析,未檢出值用0來代替。采用SPSS15.0進行輔助分析。

采用Cosine距離測度的聚類分析法對上述11個元素進行聚類,結(jié)果如圖2所示。

圖2 淮南老礦區(qū)地下水微量元素聚類分析

以Cosine距離小于15為分類界限對11種微量元素進行聚類,從圖2可看出,元素可分成3組:Co、Cu 、Rb 、Sr、Cs為一組 ,Sc、C r、V 、Ba 為一組,A s、M o為一組,其中 Co與 Cu,Rb與 Sr,Sc與Cr之間的距離都小于5,表現(xiàn)出相近的遷移規(guī)律;Co、Cu 、Rb 、Sr、Cs與其余元素所稱的一組間距離為25,說明2組元素間遷移規(guī)律相差較大。

為了進一步研究礦區(qū)突水水源的地球化學特征,并對礦區(qū)突水水源的類型進行準確判別,選取遷移特征不同的互異元素,根據(jù)本次聚類結(jié)果選擇Cosine距離小于 7.5的微量元素:Co、Rb、Sc、V 、Ba、A s、M o等7種(相關(guān)系數(shù)小于 5的微量元素選取其中一種作為代表。如Co與Cu選Co;Rb、Sr、Cs選 Rb;Sc、Cr選 Sc)作為互異微量元素。

以Sc、Co、Rb為一組互異元素,并將收集的4個含水層的水樣按互異元素進行分析,得出淮南老礦區(qū)4個含水層互異元素的背景值,見表1所列。

表1 4個含水層互異元素的背景值

從表1可以看出,老空水與煤系水中Sc元素的質(zhì)量濃度為4μg/L,較地表水與灰?guī)r水高,而煤系水的Co、Rb的質(zhì)量濃度是4個含水層中最高的,因此首先可通過互異元素判別煤系水,同時也就將老空水區(qū)分開來。又因為地表水的Sc、Rb 2微量元素在4個含水層中質(zhì)量濃度最低,因此可將地表水區(qū)分出來,最后判別的是灰?guī)r水。

3.3 主成分分析原理

主成分分析法是在處理多元樣本時,把原始多個指標化為少數(shù)幾個互不相關(guān)、獨立的綜合指標的一種統(tǒng)計方法,它的工作目標是在力保數(shù)據(jù)信息丟失最小的原則下,對高維變量空間進行降維處理[10]。

3.4 主成分分析過程

采用SPSS15.0的Factor過程對上述11種元素進行主成分分析,得到各主成分及對應的特征值和方差貢獻率。由于前4個主成分的特征值均大于1,且其累計方差貢獻率達到了84.24%,因此取前4個特征向量作為主成分進行分析即可反映出原變量的絕大部分信息。各主成分對應的數(shù)據(jù)見表2和表3所列。

表2 主成分信息表

表3 主成分載荷表

根據(jù)表3可以建立淮南煤田老礦區(qū)主要含水層的4個主成分表達式,分別為:

第1主成分的方差貢獻率為40.25%,反映的信息量最大。Rb、Co、Cu、Sr、Cs元素質(zhì)量濃度的系數(shù)都大于0.7,因為這幾個元素在礦區(qū)巖石中質(zhì)量濃度較高,說明地下水與流經(jīng)的巖石產(chǎn)生了溶濾作用,導致含水層中這幾種微量元素質(zhì)量濃度升高,因此第1主成分可以概括為溶濾作用。

第2主成分的方差貢獻率為20.87%,比第1主成分稍小,與其呈正相關(guān)的元素主要有Sc和Cr,系數(shù)大于0.7,而這2種微量元素在礦區(qū)周邊的地表河流中質(zhì)量濃度較高,說明是由于地表河流補給地下含水層,使得地下含水層中這2種微量元素質(zhì)量濃度升高,因此推斷第2主成分與河流的補給作用關(guān)系密切。

第3主成分的方差貢獻率為14.02%,其主成分表達式中V、As的載荷系數(shù)值較大,Sc、Rb元素質(zhì)量濃度的系數(shù)最小,而V、As在淮南地區(qū)大氣降雨中的質(zhì)量濃度較高,可以看出第3主成分與大氣降水補給關(guān)系密切。

第4主成分的方差貢獻率為9.10%,其中僅Mo的系數(shù)較大,且各項系數(shù)絕對值都比較小,由此可以說明大氣降水在進入各地下含水層之前未發(fā)生復雜的水文地球化學反應,說明第4主成分也與大氣降水關(guān)系密切。

4 結(jié)束語

通過對淮南煤田老礦區(qū)地下水微量元素的聚類分析,初步確定了各微量元素在地下水中的遷移規(guī)律,并以Cosine距離小于7.5選取Co、Rb、Sc、V 、Ba、As、M o等7種元素最為淮南老礦區(qū)地下水的互異微量元素,為進一步研究礦井突水水源水文地球特征及突水含水層類型提供了依據(jù)。

通過對淮南煤田老礦區(qū)地下水微量元素的主成分分析,得出了4組地下水主成分,概括為:第1組是地下水的溶濾作用;第2組是地下水的河流補給作用;第3組與大氣降水滲流補給關(guān)系密切;第4組為大氣降水直接通過裂隙補給地下水。

微量元素在淮南老礦區(qū)地下水中的質(zhì)量濃度分布特征主要與大氣降水對各種地球化學作用過程的綜合影響有關(guān)。

針對礦井某一突水含水層,如果采用礦區(qū)常見的幾種判別效果好的微量元素質(zhì)量濃度測試結(jié)果,代入(1)～(4)式進行主成分判別,能夠更好地確定礦區(qū)突水水源的微量元素水文地球化學特征,準確判別水源,為煤礦安全生產(chǎn)服務(wù)。

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M ultivariate statisticalanalysis of trace elements in groundwater of old m ining areas of Huainan coalfield

LIU Tian-jiao1, ZHANG Chun-lei2, QIAN Jia-zhong2, ZHAO Wei-dong2

(1.Dept.of LifeScience,Huainan Normal University,Huainan 232002,China;2.School of Resources and Environmental Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

In this paper,by using cluster analysis and principal component analysis(PCA)in modern statistics,eleven types of trace elements in the groundwater of old mining areas of Huainan coalfield were determined by SPSS15.0 formultivariate statisticalanalysis.Based on the cluster analysis,the migration rule of trace elements in Huainan aquifers is presented,and the characteristic elements of each aquifer are studied through selecting Co,Rb,Sc,V,Ba,As,M o as the types of trace elements in groundwaterand taking Sc,Co,Rb for examp le.While based on the principal com ponentanalysis,four discriminating expressions for themain w ater-inrush aquifers are established,and the close relationship between four princip le com ponents and the lixiviation,river supp lies,recharge o f meteoric water is inferred.The above results can provide a basis for future study of water resource.

trace elem ent;statistical analysis;Huainan coalfield

P641

A

1003-5060(2011)01-0119-04

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.028

2010-01-29;

2010-04-11

國家自然科學基金資助項目(40672154;40872166);新世紀優(yōu)秀人才計劃資助項目(NCET-06-0541)

劉天驕(1978-),男,山東棗莊人,淮南師范學院講師;

錢家忠(1968-),男,安徽鳳陽人,博士,合肥工業(yè)大學教授,博士生導師.

(責任編輯 閆杏麗)