李紅雁 ，馬致遠(yuǎn)，徐國芳，云智漢

(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

地下熱水的化學(xué)特征及其形成作用是研究地下熱水存儲環(huán)境，起源成因的重要信息。咸陽市地下熱水水化學(xué)組分相對復(fù)雜，研究地下熱水化學(xué)特征往往需要多個變量才能全面刻畫地下熱水水質(zhì)的真實特征，但是涉及變量的增多，往往會增加計算的復(fù)雜性，反而越難以揭示變量間的相關(guān)性，使得主要影響因素不能完全凸顯出來。因子分析法作為一種多元統(tǒng)計數(shù)學(xué)方法，可以通過較少的具有代表性的變量組合因子來概括多變量所提供的信息，找出影響觀測數(shù)據(jù)的主要因素，這樣既減少因子數(shù)目，又能夠把握研究對象之間的相互關(guān)系，為研究地下熱水化學(xué)形成的因素提供了有效的研究方法。

1 研究區(qū)背景

1.1 地質(zhì)、水文地質(zhì)背景

研究區(qū)目前已經(jīng)勘探和開發(fā)的熱儲層有:三門組熱儲、張家坡組熱儲、灞河－藍天組熱儲和高凌群熱儲.第一熱儲層段:為第四系三門組，斷裂南北部頂?shù)装迓裆顬?50～720 m及362～463 m，厚度相對較薄，巖性是灰色的亞粘土、粘土與灰白色的砂、含礫石沙土互層。砂層松散，粘土軟。富水性強，可采資源量3.13×108m3，溫度40℃左右。第二熱儲層段:為新第三系張家坡組，斷裂南北部頂?shù)装迓裆?95～950 m及1 406～2 147 m，其巖性為河、河湖相沉積，由灰綠色、淺棕紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾薄層灰色粉細(xì)砂巖組成。平均地溫62℃。第三熱儲層段:為新第三系籃田灞河組，頂板埋深1 406～2 147 m;底板2 283～3 002 m，巖性為河湖相和河流相沉積，1/2固結(jié)成巖。上部為紫紅色巨厚含鈣質(zhì)結(jié)核泥巖及砂質(zhì)泥巖，下部以數(shù)十層中細(xì)粒砂巖為主，夾粘土巖產(chǎn)哺乳動物化石。平均地溫89.2℃。第四熱儲層段:為老第三系高陵群，頂板埋深2 283～3 002 m;底板未穿透，現(xiàn)揭露的巖性為棕紅色、磚紅色含鈣質(zhì)結(jié)核泥巖、砂質(zhì)泥巖夾灰色中薄層疏松砂巖與砂礫巖組成。平均地溫118℃［1］。

1.2 研究區(qū)地下熱水水化學(xué)特征

在各個領(lǐng)域的科學(xué)研究中，通常需要對反應(yīng)事物的多個變量進行大量的觀察，收集大量的數(shù)據(jù)進行分析、尋找規(guī)律。雖然多變量大樣本會為科學(xué)研究提供豐富的信息，但也在一定程度上增加了數(shù)據(jù)采集的工作量，更重要的是在大多數(shù)情況下，許多變量間存在一定的相關(guān)性，從而增加了問題分析的復(fù)雜性，為了使問題變得簡單明了，我們用因子分析法進行分析。利用因子分析能簡化分析更能反映事物的本質(zhì)，前人對地下熱水水化學(xué)特征做了大量的研究，大部分都是定性分析，在本文中用因子分析法對地下熱水水化學(xué)特征進行定量的分析。

橫向變化:根據(jù)咸陽城區(qū)熱儲流體水化學(xué)類型分區(qū)圖(圖1)，渭河北岸斷裂(以下簡稱“斷裂”)帶附近及以北的熱水井點的水化學(xué)類型皆為 Cl－Na型，而斷裂南部的熱水井點的水化學(xué)類型復(fù)雜多樣，陽離子以Na為主，陰離子多為重碳酸鹽－硫酸鹽型，部分為氯化物 －重碳酸型水、氯化物－硫酸型水、重碳酸及三者的復(fù)合型［8］。

圖1 熱儲流體水化學(xué)類型區(qū)域分布圖

縱向變化:水化學(xué)類型的縱向變化明顯(圖2)，斷裂北部的熱儲流體的水化學(xué)類型皆為 Cl－Na型，而南部熱儲流體隨深度的增加其水化學(xué)類型由HCO3－Na型向SO4Cl－Na型轉(zhuǎn)變［2］。

2 因子分析法簡介

因子分析方法屬于多元分析中處理降維的一種統(tǒng)計方法。即從較多的變量或樣品中選取較少的主因子，使這些主因子盡可能地反映原來較多的研究對象所反映的信息，同時這些主因子是相互獨立的。根據(jù)選取對象的不同，因子分析方法分為Q型和R型，Q型因子分析法是研究樣品之間的組合、相似關(guān)系，而R型因子分析是研究變量之間的相關(guān)關(guān)系。在本文中采用R型因子分析法，R型因子分析是通過對變量間相關(guān)矩陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，找出控制所有變量的主因子，這些主因子代表形成所有變量基本關(guān)系的地球化學(xué)過程。本質(zhì)上，R型因子分析基于下述思想:根據(jù)相關(guān)性大小把變量分組，使同組內(nèi)變量的相關(guān)性高，但不同組的變量相關(guān)性較低。每組變量代表一個基本結(jié)構(gòu)，即因子，它們能夠反映已經(jīng)觀測到的相關(guān)性。因此，因子分析是用幾個主因子來描述較多變量之間的關(guān)系，反映原資料的大部分信息的多元統(tǒng)計方法。在水文地球化學(xué)領(lǐng)域研究中，R型因子分析能夠剔除水化學(xué)組分中獨立和重復(fù)的成分，把許多彼此間具有錯綜復(fù)雜聯(lián)系的變量歸納為少數(shù)幾個主因子。每一個主因子意味著各水化學(xué)組分之間的一種基本結(jié)合方式，可以用來解釋存在于水化學(xué)組分間的復(fù)雜關(guān)系［3－6］。

圖2 熱儲流體水化學(xué)類型縱向變化圖

其計算步驟:

(1)確定原若干變量是否適合于因子分析，即對原變量作相關(guān)性分析;

(2)構(gòu)造因子變量，常用極大似然法、最小二乘法等，本文用主成分分析法;

(3)計算因子變量的得分［6－7］。

3 地下熱水水質(zhì)的R型因子分析

近來對咸陽市北部采集的23個地下熱水水樣品中的16項化學(xué)指標(biāo)及咸陽市南部采集20個地下熱水水樣品中16項化學(xué)指標(biāo)進行R型因子分析，兩個含水巖組樣品測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表1、2。

表1 咸陽市區(qū)南地下熱水水化學(xué)成分統(tǒng)計

表2 咸陽市區(qū)北地下熱水水化學(xué)成分統(tǒng)計

相關(guān)系數(shù)是R型因子分析的基礎(chǔ)，表3、4為咸陽地區(qū)南北部相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表。

表3 咸陽市區(qū)南水化學(xué)成分間的相關(guān)系數(shù)

表4 咸陽市區(qū)北水化學(xué)成分間的相關(guān)系數(shù)

據(jù)特征值和方差累計貢獻百分比確定選取主成分的個數(shù)，本次兩個含水巖組選取主因子個數(shù)都為4，累積方差貢獻分別是 89.03%和 80.84%，即可反映兩個樣本總體的89.03%和80.84%信息量，由于因子載荷陣的不惟一性，采用方差極大旋轉(zhuǎn)法對因子軸做適當(dāng)旋轉(zhuǎn)，使每個變量僅在一個公共因子上有較大的載荷，而在其余公共因子上的載荷比較小，從而方便對實際問題進行分析，相應(yīng)的方差極大旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣見表5。

表5 咸陽市水化學(xué)成分方差極大旋轉(zhuǎn)的因子載荷矩陣

4 R型因子分析結(jié)果討論

通過對咸陽市區(qū)南北數(shù)據(jù)分析各取方差貢獻最大的4個因子作為主成分，作為評判對象的因素集，兩組中各4個因子所表達的信息量占總體信息量分別為89.03%和80.84%。兩個含水巖組中因子1的方差貢獻率分別為60.310%、43.783%，因子載荷較大、與因子1呈正相關(guān)性并且相關(guān)性較好的變量都有以 Na+、Ca2+、Mg2+、Cl－溶解性固體(TDS)、Br－及Sr為主，是控制咸陽市地下熱水水化學(xué)成分的最主要的因子。反映了兩個含水巖組地下熱水水化學(xué)成分的組成均受到了鹽巖的溶濾作用和陽離子交換作用的影響，但兩個含水巖組的各個主因子所包含的變量有一定的差異性。咸陽市區(qū)南部地下水因子1包含的相關(guān)變量還有SO42－、Li值，SO42－離子存在說明該含水巖組地下熱水水化學(xué)特征受石膏、天青石或硫酸鹽的沉積巖溶解的影響，除此之外 H2S氣體的氧化作用為其另外來源。由于鋰在堿金屬中水解能力最大，被吸附能力最小，所以它在表生作用下具有最大的活動性，能部分地形成易溶鹽(如 Li、Cl)進入地下水循環(huán)，另一部分(如K)易被粘土礦物吸附或植物吸收，并且溶于水中的Li+與 Mg2+離子半徑相近而產(chǎn)生類質(zhì)同像，所以 Li與Na+、Ca2+、Mg2+相關(guān)性好［8］，Li存在反映了鋰礦物的溶解作用影響含水巖組地下熱水水化學(xué)特征;而咸陽市區(qū)北部地下水還包括K+、Cl－說明了地下水水化學(xué)組成還受到鎂鹽溶濾作用及鉀長石溶解作用的影響。

因子2的方差貢獻率為 16.094%、20.087%，兩個含水巖組該主因子中的變量有一定差異，咸陽市區(qū)南部因子載荷較大、與因子2呈正相關(guān)性并且相關(guān)性較好的變量有以HCO3－、I－，而 F－與因子2呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，由于 F－的富集一般在堿性條件下發(fā)生，說明該含水巖組地下水發(fā)生了使I－增加，且地下水pH值變化不大的碳酸鹽演化作用。在咸陽市區(qū)北部HCO3－、F－、pH、Li相關(guān)性好，揭示了這個含水巖組地下水pH值介于7.3～8.3，呈弱堿性有利于含氟礦物的F－被OH－交換而進入水中，導(dǎo)致水中 F－離子濃度較高，說明了這兩個含水巖組地下熱水水化學(xué)組成受碳酸鹽溶解和含氟礦物溶解的影響，SO42－離子濃度的減少，HCO3－離子濃度的增加可能發(fā)生了脫硫酸作用。根據(jù)微量元素含量與pH值一元擬合直線知Li受控于pH。

因子3的方差貢獻率發(fā)分別為6.843%、10.021%，兩個含水巖組該主因子中的變量存在明顯差異。因子載荷均較大、與因子3呈正相關(guān)性且彼此間的相關(guān) 性較好的 變 量是游離 CO2和 Mg2+、SO42－、I－，而 pH 和Ca2+、SiO2與因子3呈負(fù)相關(guān)性反映了咸陽市區(qū)地下水的酸堿平衡影響著碳酸平衡系統(tǒng)的變化，導(dǎo)致地下水游離CO2的分布受控于地下水的pH值，巖鹽的溶濾作用影響地下熱水水化學(xué)組成，

因子4的方差貢獻率分別為6.392%、6.591%，兩個含水巖組該主因子中的變量存在一定差異，因子載荷均較大分別為可溶性 SiO2、Li和 K+、CO2、I－。咸陽市區(qū)南部可溶性SiO2、Li與因子4呈正相關(guān)，說明發(fā)生了硅酸鹽的礦物溶解。咸陽市區(qū)北部與因子4呈正相關(guān)可能發(fā)了鉀鹽類沉積巖的溶解以及巖漿巖、變質(zhì)巖中含鉀礦物的風(fēng)化溶解和碳酸鹽類巖石在一定溫度下變質(zhì)成 CO2，脫碳酸作用影響使其含量增加。

5 結(jié)語

(1)咸陽市區(qū)地下熱水水化學(xué)特征在橫向上以渭河北岸斷裂為界，南北相差很大，反映了沉積環(huán)境及含水介質(zhì)的明顯差異。南部熱水起源成因復(fù)雜，水化學(xué)成分多樣 HCO3·SO4－Na、Cl·SO4－Na型為主。北部熱流體水化學(xué)類型主要為Cl－Na型，縱向上隨深度增加基本不變化。南部熱水儲存條件較北部封閉，脫硫酸作用強，縱向上隨深度增加從HCO3－Na型向 SO4·Cl－Na型轉(zhuǎn)變。

(2)咸陽市區(qū)主要發(fā)生的水化學(xué)形成作用有溶濾作用和脫硫酸作用，次為陽離子交替吸附、脫碳酸作用，石膏的溶解作用。HCO3－離子來源有方解石、白云石的溶解作用，其次脫硫酸作用生成HCO3－也是一個不容忽視的來源，以斷鹽巖的大量溶解導(dǎo)致水中 Na+、Cl－含量顯著增加。石膏、天青石的溶解作用是SO42－的重要來源，除此之外 H2S氣體的氧化作用為其另外來源。熱水中Ca2+的來源主要為裂以北熱水的表現(xiàn)最為明顯，HCO3－較 Ca2+、Mg2+，HCO3－含量偏向一側(cè)。K+和Mg2+離子的來源為鉀長石和白云石的溶解作用。

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