基于q-型聚類分析的地?zé)崃黧w水化學(xué)分類研究

基于q-型聚類分析的地?zé)崃黧w水化學(xué)分類研究

聚類分析是一種考慮多個(gè)因素的數(shù)學(xué)分類方法?；驹瓌t是根據(jù)樣本的屬性，使用數(shù)學(xué)方法和一些相似性指標(biāo)，定量確定樣本之間的關(guān)系，并根據(jù)這種關(guān)系的程度將樣本分類到各個(gè)階段。相比于傳統(tǒng)的水化學(xué)分析方法,聚類分析考慮水化學(xué)成分更加全面,分析更加合理,在一定程度上反映出水的補(bǔ)給來(lái)源、水力聯(lián)系及其與周圍環(huán)境相互的特征。所以,作為一種十分有效和便捷的統(tǒng)計(jì)方法,聚類分析已被學(xué)者們廣泛地應(yīng)用于水化學(xué)研究中,用于大量數(shù)據(jù)的分析以幫助尋找元素間的內(nèi)在聯(lián)系。1數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法1.1地?zé)峋愋图熬环植继旖蚴胸S富的中低溫地?zé)豳Y源主要賦存于孔隙型熱儲(chǔ)層和基巖裂隙型熱儲(chǔ)層兩大地?zé)崃黧w系統(tǒng)中。自20世紀(jì)30年代至今,已成功開(kāi)發(fā)了5個(gè)熱儲(chǔ)層,自上而下分別為:新近系明化鎮(zhèn)組(Nm)和館陶組(Ng)孔隙型熱儲(chǔ)層,古生界奧陶系(O)和寒武系(∈)、中元古界薊縣系霧迷山組(Jxw)基巖裂隙型熱儲(chǔ)層,在構(gòu)造上分屬于冀中坳陷、滄縣隆起和黃驊坳陷三個(gè)Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元。目前地?zé)峋某删疃纫话阍?000~3500m之間,受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地層空間分布的控制:館陶組地?zé)峋饕挥谯晗輩^(qū),基巖地?zé)峋饕挥跍婵h隆起區(qū),明化鎮(zhèn)組地?zé)峋畡t普遍分布。地?zé)崃黧w的溶解性總固體在水平方向上自北東向南西、在垂直方向自上而下逐漸增高,由500mg/L左右逐漸增加至6000mg/L左右;水質(zhì)類型漸趨復(fù)雜,由HCO3—Na型逐漸向Cl·HCO3—Na、Cl·SO4·HCO3—Na、Cl·SO4—Na過(guò)渡。1.2天津草地水體、構(gòu)造環(huán)境的空間變異性由于寒武系地?zé)峋畠H數(shù)眼,而有關(guān)技術(shù)規(guī)范指出,研究不同產(chǎn)地樣本的某種統(tǒng)計(jì)規(guī)律。其樣本數(shù)量至少10個(gè),才能保證分析結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。所以本次只對(duì)Nm、Ng、O、Jxw等4個(gè)熱儲(chǔ)層進(jìn)行聚類分析。此次未收集到王草莊凸起、寧河凸起區(qū)的地?zé)峋|(zhì)數(shù)據(jù),僅對(duì)武清凹陷、潘莊凸起等8個(gè)Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元的水質(zhì)進(jìn)行研究。共取得水質(zhì)分析報(bào)告108份(圖1),其中Nm井19份、Ng井33份、O井14份、Jxw井42份。此次收集的水質(zhì)分析報(bào)告檢測(cè)項(xiàng)目有36項(xiàng)。運(yùn)用SPSS13.0對(duì)其中的30項(xiàng)指標(biāo)(另6項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)值信息量極低,忽略不計(jì))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果(表1)顯示:天津地?zé)崃黧w中的Na+、HCO-3、SiO2、F-、總堿度、溫度、pH值的變異系數(shù)小于35%,說(shuō)明這些含量(或指標(biāo))的空間變異性較小,其值相對(duì)穩(wěn)定;Ca2+、Mg2+、Zn2+、SO2-42?4、NH+4、CO2-32?3、Mn、Br-、NO2-32?3、NO3-33?3、I-、Fe2+、Fe3+、硬度、酸度變異系數(shù)大于100%,反映了其含量存在著較強(qiáng)的空間變異性;其余離子的變異系數(shù)介于35%~100%之間,顯示出中等變異性。1.3對(duì)b有或無(wú)重型聚類或r-型聚類的分類根據(jù)分類對(duì)象的不同,可分為Q-型聚類(對(duì)樣品分類)和R-型聚類(對(duì)指標(biāo)分類)。本次研究以不同熱儲(chǔ)層在各構(gòu)造單元的水質(zhì)樣品為聚類對(duì)象,建立變量之間的近似程度,所以選擇Q-型聚類分析方法。1.4計(jì)算主成分特征值在保證信息損失量最小的前提下,本文對(duì)高維變量空間進(jìn)行降維處理,即進(jìn)行主成分分析,分析過(guò)程借助SPSS13.0完成。由表2可知,前9個(gè)主成分的特征值均大于1,累計(jì)貢獻(xiàn)率為78.79%?？紤]到第10~12主成分的特征值接近于1,而且前12個(gè)主成分可以代表原始因子87.06%的信息,大大減少了信息的損失量。因此提取前12項(xiàng)主成分的特征值,替代原始36項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算各指標(biāo)因子在主成分中的載荷(表3)。根據(jù)表3中各指標(biāo)因子的載荷,選取K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH+4、Cl-、SO2-4、HCO-3、F-、SiO2、溶解性總固體、固形物、pH、總硬度、總堿度、溫度等16項(xiàng)指標(biāo)作為天津地?zé)崃黧w的主成分,并將其作為Q-型聚類分析的指標(biāo)。2聚類穩(wěn)定性分析Q-型聚類用于對(duì)樣本進(jìn)行聚類,描述變量之間的接近程度,常用“距離”來(lái)度量。聚類分析方法主要包括類間聯(lián)接法、類內(nèi)聯(lián)接法、最短距離法、最長(zhǎng)距離法、重心法、中間距離法和離差平方法等7種方法。本次研究根據(jù)熱儲(chǔ)層類別及所處Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元位置,將樣本分為17個(gè)亞類,將各亞類的樣本數(shù)取其均值(表4)進(jìn)行Q-型聚類。通過(guò)不同聚類方法的比較,類間聯(lián)接聚類法的譜系圖表現(xiàn)得最為清晰、聚類效果最好。從系統(tǒng)聚類法的性質(zhì)來(lái)看該方法提取樣本的信息較多,聚類空間的濃縮性或擴(kuò)張性也較適中,聚類結(jié)果也與實(shí)際情況比較相符,以歐式距離作為聚類樣品的測(cè)度,通過(guò)重新調(diào)整距離聚類合并。以上工作通過(guò)SPSS13.0分析軟件完成,最后得出Q-型聚類分析譜系圖(圖2)。利用16項(xiàng)主成分指標(biāo)對(duì)樣品聚類的結(jié)果顯示,108個(gè)樣品最終被聚為Ⅰ、Ⅱ兩大類(圖2)。Ⅰ類樣品4、10、7、9、13、6均來(lái)自基巖裂隙型熱儲(chǔ)層,其中以Jxw聚類效果最好,體現(xiàn)在Jxw樣品4、7、10首選以小距離聚合。該組水質(zhì)類型以Cl·SO4—Na型為主,溶解性總固體在2000mg/L左右,不同構(gòu)造單元內(nèi)的水質(zhì)相近,表現(xiàn)出基巖裂隙型地?zé)崃黧w之間良好的連通性。Ⅱ類樣品1、2、15、17、3、8、14、16、12、11、5來(lái)自孔隙型熱儲(chǔ)層,聚類結(jié)果較發(fā)散,說(shuō)明來(lái)自不同構(gòu)造單元的孔隙型地?zé)崃黧w的水質(zhì)差異較大;但越是相同構(gòu)造單元內(nèi)、越是同類熱儲(chǔ)層的水質(zhì)越相近。當(dāng)聚類距離為16時(shí),冀中坳陷和滄縣隆起聚為一類,而與黃驊坳陷相區(qū)別。隨著聚類距離的減小,滄縣隆起的多個(gè)次級(jí)單元的樣品聚為一類,而與武清凹陷相區(qū)別;黃驊坳陷內(nèi)的Ng樣品則與Nm相區(qū)別。3理化性質(zhì)與結(jié)構(gòu)(1)主成分分析顯示,在天津地?zé)崃黧w常規(guī)檢測(cè)的36項(xiàng)指標(biāo)中,16項(xiàng)主成分指標(biāo)可以代表36項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目中87.06%的信息。(2)根據(jù)主成分荷載表可知,前2項(xiàng)主成分基本包括了天津地?zé)崃黧w中所有的重要成分。第1類主成分(荷載絕對(duì)值>0.8)包括了Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3、溶解性總固體、固形物等8項(xiàng)指標(biāo),基本對(duì)應(yīng)于水質(zhì)分析報(bào)告中的宏量元素,是地?zé)崃黧w的主要組分;第2類主成分(荷載絕對(duì)值>0.7)為SiO2、F-、K+,顯示了與溫度較好的相關(guān)關(guān)系。K+的高值出現(xiàn)在第2類主成分中,是因?yàn)镵+在孔隙型(松散層中的泥質(zhì)成分對(duì)K+有較強(qiáng)的吸作用)地?zé)崃黧w中含量很低,而在基巖地?zé)崃黧w中含量顯著增高;第3~11類主成分主要顯示了微量元素之間的相關(guān)關(guān)系、但荷載普遍<0.5;第12類主成分顯示了Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4之間極好的相關(guān)性,據(jù)傳統(tǒng)水化學(xué)研究,此類水質(zhì)為高溶解性總固體的O地?zé)崃黧w,Cl-是高礦化水的常見(jiàn)離子。(3)聚類分析顯示Jxw地?zé)崃黧w在各構(gòu)造單元內(nèi)水質(zhì)相似,這與傳統(tǒng)的分析結(jié)論一致。因?yàn)樵摻M較好的連通性,使其水質(zhì)在空間分布上變異較小。而O地?zé)崃黧w在天津斷裂附近溶解性總固體可達(dá)4.5g/L以上,在滄東斷裂附近為2g/L左右,所以聚類顯示了其較大的空間差異。(4)孔隙型地?zé)崃黧w的聚類結(jié)果較發(fā)散,但仍與其所處構(gòu)造單元有較大的相關(guān)性。越是相同構(gòu)造單元內(nèi)、越是同類熱儲(chǔ)層的水質(zhì)越相近。4聚類結(jié)果分析(1)本文首次利用Q-型聚類分析方法,對(duì)天津地?zé)崃黧w的水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:聚類分析事先可以不確定任何標(biāo)準(zhǔn),即可對(duì)流體化學(xué)特征進(jìn)行快速、有效的分類,較好地揭示了地?zé)崃黧w水質(zhì)的空間分布特征及其與地質(zhì)構(gòu)造單元的關(guān)系,分析結(jié)果直觀且效率高,為進(jìn)