SPSS在地球化學課程教學中的應用

孫林華

宿州學院地球科學與工程學院，安徽宿州，234000

地球化學以研究天體及其子系統(tǒng)化學組成、作用和演化為主要目的，是地質學與化學學科相結合而發(fā)展起來的學科，目前已經成為和地質學、地球物理學相提并論的地球科學三大支柱學科之一。隨著地球化學學科的逐漸發(fā)展，目前已經衍生出了多個分支學科，如區(qū)域地球化學、巖石地球化學、水文地球化學、環(huán)境地球化學等，在人類生活和生產活動中起到了重要作用，如地質演化研究、地質資源調查、煤礦安全生產、農業(yè)合理化種植及環(huán)境科學研究等。

作為地球科學類專業(yè)的主干課程之一，地球化學在地質學、地質工程、資源勘查和環(huán)境科學等專業(yè)教學中具有重要地位，其典型課程有巖石、水文和環(huán)境地球化學等。在這些課程當中，數(shù)據處理是其中重要的實踐教學內容，多種軟件得以應用，常見的如Geoplot、Geokit、Isoplot及SPSS等。因為SPSS在數(shù)據統(tǒng)計方面的優(yōu)勢，所以在多個地球化學分支學科中得到了廣泛應用，相關的教程和學術專著也大量出版[1-3]，為廣大研究者提供了學習參考材料。

同時，在多個學科當中，鑒于SPSS的重要性，許多教育工作者對該軟件在計算機、統(tǒng)計學、醫(yī)學、機械和體育等教學中的應用進行了總結學科的教學[4-8]。然而，尚缺乏SPSS在地球科學類教學中的應用總結。同時，在一般的教學過程中，也很少涉及與專業(yè)相關的SPSS軟件的應用，造成專業(yè)知識和數(shù)據應用之間的脫節(jié)。因此，本文以SPSS 16為例，結合筆者在地球化學課程教學和科研經歷，簡單總結了該軟件在巖石、水文和環(huán)境三個代表性地球化學課程中最常見的幾種應用(統(tǒng)計描述、相關性、因子、判別和聚類分析)，并結合實例進行了講解，以期為地球化學課程教學提供參考信息。

1 SPSS簡介

SPSS是世界上最早的統(tǒng)計分析軟件，由美國斯坦福大學的三位研究生于1968年研發(fā)成功，并于1984年推出世界上第一個統(tǒng)計分析軟件SPSS/PC+，現(xiàn)在已經發(fā)展到了SPSS 20，并廣泛應用于自然、技術和社會科學等多個領域。在國際上，用SPSS軟件完成的計算和統(tǒng)計分析，可以不必說明算法，由此可見其影響之大和信譽之高。在統(tǒng)計分析上，SPSS提供了包括數(shù)據獲取、數(shù)據管理與準備、數(shù)據分析和結果報告在內的完整過程。

SPSS軟件在界面上主要由數(shù)據輸入和結果輸出窗口兩大部分組成，其中數(shù)據輸入窗口又可以分為數(shù)據窗口和數(shù)據屬性窗口。SPSS的統(tǒng)計分析功能主要集中在Analyze主菜單中，最常用的功能包括統(tǒng)計報表、描述統(tǒng)計、均值比較、相關性分析、回歸分析、聚類分析、降維分析和非參數(shù)檢驗等。而對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、散點圖和折線圖等。

2 SPSS在地球化學教學中的應用

2.1 巖石地球化學

巖石地球化學是近代發(fā)展起來的巖石學和地球化學的交叉學科，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、演化以及巖石產出的構造背景等方面科學問題。SPSS在巖石地球化學中的應用主要包括利用統(tǒng)計描述獲取含量的變化范圍、利用相關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中的應用。

相關性分析是巖石地球化學尤其是火成巖地球化學研究的重要組成部分，也是巖石地球化學教學的重要組成部分，關系到學生對巖漿演化過程的理解以及有關火成巖數(shù)據處理方法的掌握。通常情況下，在教學中以Hacker圖解的形式體現(xiàn)，其基本涵義為利用巖石中SiO2或者MgO含量的增加或者減少趨勢，分析同步變化的其他主量元素氧化物的含量變化趨勢，進而獲取巖漿演化過程中礦物的分離結晶過程，一般可通過圖解的形式并進而求取相關系數(shù)來實現(xiàn)。但是，存在的問題是得到相關系數(shù)后難以確定該相關系數(shù)到底多大表示相關性是很好、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。如以下關于輝綠巖相關性分析的應用案例(數(shù)據來自于互聯(lián)網)，分析的操作步驟為：Analyze-Correlate-Bivariate，結果見表1。

從表1可以看出，SiO2和MgO具有顯著的負相關，說明巖漿演化過程中SiO2含量升高的同時MgO含量顯著降低，這是巖漿演化過程的顯著表現(xiàn)。同時，可以發(fā)現(xiàn)P2O5和SiO2顯著正相關，而與MgO顯著負相關，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負相關的氧化物如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石等。這一部分的講解可以讓學生深入了解巖漿演化過程，同時如果結合巖石學和礦物學，對促進學生融會貫通相關學科知識是有益的。

表1 輝綠巖主量元素氧化物相關性分析結果

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

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

水文地球化學中最常用的SPSS應用包括利用統(tǒng)計描述了解水化學組成特征、利用相關性分析和聚類分析了解離子或者元素之間的協(xié)變關系，或者結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系，并進而利用判別分析建立水源識別方程和圖解。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上的應用，數(shù)據來自于臥龍湖煤礦。

表2 因子分析結果

圖1 因子得分圖

2.3 環(huán)境地球化學

環(huán)境地球化學是環(huán)境科學與地球化學之間的一門邊緣學科，隸屬于環(huán)境地球科學，主要研究環(huán)境中天然的和人為釋放的化學物的遷移轉化規(guī)律及其與人體健康之間的關系。與巖石和水文地球化學相比，SPSS在環(huán)境地球化學中扮演的角色可能更為重要。其應用幾乎涵蓋了環(huán)境地球化學研究的每個具體領域。其典型應用如含量統(tǒng)計、時空變化規(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)計和頻率統(tǒng)計在環(huán)境地球化學上的應用，數(shù)據來自于宿州市奎河。

統(tǒng)計描述的操作步驟為：Analyze-Descriptive statistics-Descriptive(描述統(tǒng)計)或者Frequencies(頻率統(tǒng)計)。對于頻率統(tǒng)計，在給出結果后，利用Graphs中的Scatter功能繪制累計頻率圖。描述統(tǒng)計結果見表3，累計頻率圖見圖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，在圖2中可以將總氮含量的相對累積頻率曲線劃分為3段：段1代表當前環(huán)境背景值范圍，段2代表當前環(huán)境基線值范圍，段3代表當前最極端的污染狀態(tài)，與人為活動有關。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，一方面可以讓學生了解統(tǒng)計描述的方法，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)計結果

圖2 奎河氨氮含量累計頻率圖

3 幾點認識

(1)SPSS是當今自然科學研究的重要工具之一，而地球化學是一門以化學組成(含量)為基礎，以數(shù)據分析為手段的課程，因此SPSS對于地球化學課程的學習有著舉足輕重的影響。

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

參考文獻：

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