大气气溶胶及雾霾图像分析

三元图能同时展示3个组分的信息。它假定每个数据点的3个组分的总和是1，然后根据计算后的数值来显示每个数据点。几乎所有单颗粒物都含有2种以上组分，因此使用三元图来挖掘它们数据后的深层次信息最为有力。三元图直接显示了组分的比率，并提供了很多潜在的矿物质源信息。到目前为止，只有少数几位研究人员尝试使用三元图，但也仅是简单展示［19，20］。

1.矿物类别及特征比例

最简单的例子是2种最主要组分（SiO 2和Al2 O 3）和所有其他元素（Others）的三元图。单颗粒物的SiO 2和Al2 O 3及Others（所有其他元素的和）的三元图（图67-6）与Al2 O 3-SiO 2散点图（图67-2）类似，但形状似被压缩，并向右倾斜。相应地，中间部分的小圆点对应于图67-2在Area的粒子，右支（显示为△）对应于L 1，左支（显示为□）对应于L 2，在左角上的点（显示为z）对应于D 1，在底轴上的点（显示为x）对应于D2。作三元图时，不需要从几个X-Y图中收集所有其他元素信息，而只需要使用所有其他元素的总和作为第3个变量“Others”。而且，用单个元素（除SiO 2和Al2 O 3外）替换“Others”作三元图，可以看出每个元素对于“Others”的具体贡献，以及左支的细节信息。例如CaOAl2 O 3-SiO 2三元图（图67-7）能够局部放大图67-6，表明CaO是“Others”和左支的最主要组成部分。

图67-6　Others-Al2 O3-SiO2三元图的图像分析（彩图见图版第47页，也见下载文件包，网址见正文14页脚注）

图中数字为SiO2／Al2 O 3的质量浓度比，不同的色点指示颗粒物成分的变化。

图67-7　CaO-Al2 O3-SiO2三元图的图像分析（彩图见图版第47页，也见下载文件包，网址见正文14页脚注）(www.xing528.com)

由三元图可以非常容易地直接得到组分的比率，从而提供更多的矿物类别信息。例如，在Others-Al2 O3-SiO2三元图中（图67-6），左角顶点和右轴分别代表“Others”是100%和0。过左顶点作直线与SiO2轴的交点，表明当“Others”是0时SiO2所占的分数。然后，通过剩余的Al2 O3，可得SiO2和Al2 O3的比率。通过铝硅酸盐区域上下边的2条直线，表明SiO2／Al2 O3的比率是3／2和3／1，因此铝硅酸盐单颗粒物中SiO2和Al2 O3的摩尔比在2.5～5的范围内。黏土由4类主要的矿物质组成［21］：蒙脱土［Al4（Si4 O10）2（OH）4·x H 2 O］；绿泥石［Mg10 Al2（Si6 Al2）O 20（OH）16］；高岭石［Al4 Si4 O 10（OH）8］；莫斯科白云母［K 2 Al4（Si6 Al2）O20（OH）4］。它们的SiO2和Al2 O 3的摩尔比分别是4、3、2、2。与此相比较，可以清楚地揭示出单颗粒物气溶胶中的铝硅酸盐，是不同种类黏土矿物质和一定量石英的混合物。

2.主要成分及它们的相关性

图67-8　气溶胶单颗粒物中的主要组分的三元图（彩图见图版第48页，也见下载文件包，网址见正文14页脚注）

Al2 O3+SiO2+others（除SO3、P2 O5、Cl和CaO）、SO3+P2 O5+Cl和CaO。中间的虚线表示CaO／（SO3、P2 O 5、Cl）的质量比为2／3，即CaSO 4的CaO／SO3质量比。

从上述讨论可见，此沙尘暴气溶胶的单颗粒物，由3个主要部分组成：黏土和石英（Al2 O3、SiO 2等）；方解石（CaO、CaCO 3）；无机盐（硫酸盐、磷酸盐、氯化物）。三元图（图67-8）生动地展示了这3个部分。大多数粒子聚集在三元图的左角上（Al2 O 3+SiO2+Others超过了80%），揭示出黏土和石英是沙尘暴气溶胶中最主要的矿物。图中有3个分支，从左角向外延伸出来：一个分支在三元图底部指向CaO轴，其颗粒物中的SO 3+P2 O 5+Cl低于20%，说明这些颗粒物为CaCO 3（CaO）与黏土和石英的混合物；一个分支沿着左边指向顶角，其颗粒物中的CaO少于10%，因此这些颗粒物为硫酸盐、磷酸盐和少量氯化物［如（NH 4，Na，K，Mg）x（SO4，PO4，Cl）y］与黏土和石英的混合物；中间的分支有些特别，代表了Ca O和CaSO 4的混合。注意到在CaSO 4里的CaO／SO 3的质量比是2／3，所以过左顶点画一条虚线，使得CaO／（SO3+P2 O5+Cl）为2／3。它正好通过中间分支而指向右方，表明CaSO 4越来越多地被引入颗粒物中。这些不纯的CaSO 4粒子，仅占总数的1%，可能来自沙尘源区或者污染气体SO 2与矿物气溶胶CaO／CaCO3的反应。另一个CaO、SO3与P2 O 5的三元图，揭示了这些颗粒中一半以上的CaSO4来自地壳源，剩下的可能归因于矿物气溶胶和污染气溶胶的混合与相互作用（详见本书第55章）。