SPSS在地球化学课程教学中的应用

孙林华

宿州学院地球科学与工程学院，安徽宿州，234000

地球化学以研究天体及其子系统化学组成、作用和演化为主要目的，是地质学与化学学科相结合而发展起来的学科，目前已经成为和地质学、地球物理学相提并论的地球科学三大支柱学科之一。随着地球化学学科的逐渐发展，目前已经衍生出了多个分支学科，如区域地球化学、岩石地球化学、水文地球化学、环境地球化学等，在人类生活和生产活动中起到了重要作用，如地质演化研究、地质资源调查、煤矿安全生产、农业合理化种植及环境科学研究等。

作为地球科学类专业的主干课程之一，地球化学在地质学、地质工程、资源勘查和环境科学等专业教学中具有重要地位，其典型课程有岩石、水文和环境地球化学等。在这些课程当中，数据处理是其中重要的实践教学内容，多种软件得以应用，常见的如Geoplot、Geokit、Isoplot及SPSS等。因为SPSS在数据统计方面的优势，所以在多个地球化学分支学科中得到了广泛应用，相关的教程和学术专著也大量出版[1-3]，为广大研究者提供了学习参考材料。

同时，在多个学科当中，鉴于SPSS的重要性，许多教育工作者对该软件在计算机、统计学、医学、机械和体育等教学中的应用进行了总结学科的教学[4-8]。然而，尚缺乏SPSS在地球科学类教学中的应用总结。同时，在一般的教学过程中，也很少涉及与专业相关的SPSS软件的应用，造成专业知识和数据应用之间的脱节。因此，本文以SPSS 16为例，结合笔者在地球化学课程教学和科研经历，简单总结了该软件在岩石、水文和环境三个代表性地球化学课程中最常见的几种应用(统计描述、相关性、因子、判别和聚类分析)，并结合实例进行了讲解，以期为地球化学课程教学提供参考信息。

1 SPSS简介

SPSS是世界上最早的统计分析软件，由美国斯坦福大学的三位研究生于1968年研发成功，并于1984年推出世界上第一个统计分析软件SPSS/PC+，现在已经发展到了SPSS 20，并广泛应用于自然、技术和社会科学等多个领域。在国际上，用SPSS软件完成的计算和统计分析，可以不必说明算法，由此可见其影响之大和信誉之高。在统计分析上，SPSS提供了包括数据获取、数据管理与准备、数据分析和结果报告在内的完整过程。

SPSS软件在界面上主要由数据输入和结果输出窗口两大部分组成，其中数据输入窗口又可以分为数据窗口和数据属性窗口。SPSS的统计分析功能主要集中在Analyze主菜单中，最常用的功能包括统计报表、描述统计、均值比较、相关性分析、回归分析、聚类分析、降维分析和非参数检验等。而对于图形功能主要集中于Graphs主菜单中，最常用的包括柱状图、箱图、散点图和折线图等。

2 SPSS在地球化学教学中的应用

2.1 岩石地球化学

岩石地球化学是近代发展起来的岩石学和地球化学的交叉学科，主要利用岩石中的主、微量元素和同位素探讨岩石源区、成因、演化以及岩石产出的构造背景等方面科学问题。SPSS在岩石地球化学中的应用主要包括利用统计描述获取含量的变化范围、利用相关性分析了解元素含量的协变规律以及利用判别分析建立判别图解等，下文以相关性分析为例，讲解元素协变规律在火成岩岩浆演化过程教学中的应用。

相关性分析是岩石地球化学尤其是火成岩地球化学研究的重要组成部分，也是岩石地球化学教学的重要组成部分，关系到学生对岩浆演化过程的理解以及有关火成岩数据处理方法的掌握。通常情况下，在教学中以Hacker图解的形式体现，其基本涵义为利用岩石中SiO2或者MgO含量的增加或者减少趋势，分析同步变化的其他主量元素氧化物的含量变化趋势，进而获取岩浆演化过程中矿物的分离结晶过程，一般可通过图解的形式并进而求取相关系数来实现。但是，存在的问题是得到相关系数后难以确定该相关系数到底多大表示相关性是很好、一般或者不好。在SPSS分析过程中，显著性水平能够很好地解决这一问题。如以下关于辉绿岩相关性分析的应用案例(数据来自于互联网)，分析的操作步骤为：Analyze-Correlate-Bivariate，结果见表1。

从表1可以看出，SiO2和MgO具有显著的负相关，说明岩浆演化过程中SiO2含量升高的同时MgO含量显著降低，这是岩浆演化过程的显著表现。同时，可以发现P2O5和SiO2显著正相关，而与MgO显著负相关，说明在岩浆演化过程中存在含磷矿物的富集而不是分离。反之，可以通过其他与SiO2负相关的氧化物如TiO2、Al2O3、Fe2O3、MnO和Na2O推断含Ti、Al、Fe、Mn和Na的矿物在岩浆演化过程中存在分离，考虑到辉绿岩的矿物组成，可以推断为钛铁矿和斜长石等。这一部分的讲解可以让学生深入了解岩浆演化过程，同时如果结合岩石学和矿物学，对促进学生融会贯通相关学科知识是有益的。

表1 辉绿岩主量元素氧化物相关性分析结果

注：*代表在0.05水平上显著，**代表在0.01水平上显著。

2.2 水文地球化学

水文地球化学以天然水为研究对象，且主要为地下水化学成分的形成和迁移转化规律，既涉及到地下水形成的基本科学问题，也可以服务于找矿、煤矿安全和生态环境研究领域。SPSS在水文地球化学中的应用非常广泛，尤其是在水岩相互作用研究和煤矿矿井水源识别研究当中，因此也产生了大量的应用研究成果[9-10]。

水文地球化学中最常用的SPSS应用包括利用统计描述了解水化学组成特征、利用相关性分析和聚类分析了解离子或者元素之间的协变关系，或者结合因子分析了解地下水中离子的来源以及含水层之间的相互关系，并进而利用判别分析建立水源识别方程和图解。下文以煤矿深层地下水离子组成介绍因子分析在水文地球化学上的应用，数据来自于卧龙湖煤矿。

表2 因子分析结果

图1 因子得分图

2.3 环境地球化学

环境地球化学是环境科学与地球化学之间的一门边缘学科，隶属于环境地球科学，主要研究环境中天然的和人为释放的化学物的迁移转化规律及其与人体健康之间的关系。与岩石和水文地球化学相比，SPSS在环境地球化学中扮演的角色可能更为重要。其应用几乎涵盖了环境地球化学研究的每个具体领域。其典型应用如含量统计、时空变化规律、污染来源分析和背景值确定等[11-12]。下文介绍描述统计和频率统计在环境地球化学上的应用，数据来自于宿州市奎河。

统计描述的操作步骤为：Analyze-Descriptive statistics-Descriptive(描述统计)或者Frequencies(频率统计)。对于频率统计，在给出结果后，利用Graphs中的Scatter功能绘制累计频率图。描述统计结果见表3，累计频率图见图2。

从表3中可以看出，奎河总氮的变化范围为1.47～41.5 mg/L(平均值11.0 mg/L)，而总磷为0.10～21.4 mg/L(平均值1.84 mg/L)，且两者均不服从正态分布(Skewness为正值)，表明奎河氮、磷的含量并非单纯的自然来源而可能存在人为污染。同时，在图2中可以将总氮含量的相对累积频率曲线划分为3段：段1代表当前环境背景值范围，段2代表当前环境基线值范围，段3代表当前最极端的污染状态，与人为活动有关。同理，总磷也可以划分为3段，各段含义与总氮相同。通过这一部分的讲解，一方面可以让学生了解统计描述的方法，另一方面了解污染的多种来源以及直观的表示方法。

表3 奎河氨氮含量描述统计结果

图2 奎河氨氮含量累计频率图

3 几点认识

(1)SPSS是当今自然科学研究的重要工具之一，而地球化学是一门以化学组成(含量)为基础，以数据分析为手段的课程，因此SPSS对于地球化学课程的学习有着举足轻重的影响。

(2)地球化学课程教学过程中充分利用SPSS的几种常用功能，如描述统计、相关性分析和因子分析等，可以让学生更深入地了解化学组成和化学演化过程，从而提升学生理解书本知识和应用数据的能力。

参考文献：

[1]张文彤.SPSS 11统计分析教程[M].北京：希望电子出版社，2002

[2]朱红兵.应用统计与SPSS应用[M].北京：电子工业出版社，2011

[3]薛薇.统计分析与SPSS的应用[M].北京：中国人民大学出版社，2011

[4]王菲,刘莹,王行恒,等.SPSS在计算机教学评价中的应用[J].计算机教育,2009(18):158-160

[5]高莉.SPSS软件在统计学教学中的应用[J].校园心理,2010(6):414-415

[6]王晓丽.SPSS软件在医学统计学理论课应用教学的探讨[J].佳木斯教育学院学报,2011(8):128

[7]张宁.SPSS在机械制造工艺教学中的应用[J].安徽水利水电职业技术学院学报,2012(3):82-83

[8]陈红梅.SPSS在体育统计实践教学中的应用[J].体育师友,2005(2):54

[9]桂和荣,陈陆望.矿区地下水水文地球化学-演化与识别[M].北京:地质出版社,2007

[10]Sun LH,Gui HR.Establishment of water source discrimination model in coal mine by using hydro-geochemistry and statistical analysis: A case study from Renlou coal mine in northern Anhui Province,China[J].Journal of Coal Science and Engineering (China),2012,18(4):385-389

[11]Sun LH,Gui HR,Xu DS,et al.Heavy metal pollution in rural area of china:a case study of pond sediments from Sixian county,northern Anhui Province[J].Fresenius Environmental Bulletin,2012,21(2):263-268

[12]袁峰,张颖慧,周涛发,等.典型城镇土壤重金属元素环境地球化学基线研究[J].地质论评,2010,56(1):114-123