Металлы в окружающей среде: оценка эколого-геохимических изменений

Металлы в окружающей среде 

В.А. Алексеенко
А.В. Суворинов
Е.В. Власова

МЕТАЛЛЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ 
ОЦЕНКА ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИХ 
ИЗМЕНЕНИЙ 

Сборник задач

Москва
Логос

2020

УДК 574
ББК 28.08

А47 

         А47

Р е ц е н з е н т ы
В.В. Добровольский, доктор географических наук, профессор
В.В. Рудский, доктор географических наук, профессор
М.С. Панин, доктор биологических наук, профессор

Алексеенко В.А.
    Металлы в окружающей среде: оценка эколого-геохимических 
изменений: сборник задач / В.А. Алексеенко, А.В. Суворинов, 
Е.В. Власова; под науч. ред. В.А. Алексеенко. – М.: Логос,  2020 
– 216 с.

ISBN 978-5-98704-574-9

Представлены задачи по актуальной теме экологии и геохимии: 
эколого-геохимическим изменениям в биосфере и их оценке. Разбору 
задач и постановке самостоятельных заданий предшествуют информация 
по темам глав и решение типовых задач. Большинство задач составлено 
по данным, полученным при выполнении научно-исследовательских 
работ. 
Для студентов, изучающих дисциплины «Химия окружающей среды», 
«Химические основы экологии», «Экологическая геохимия».

УДК 574
ББК 28.08 

ISBN 978-5-98704-574-9 
© Алексеенко В.А., Суворинов А.В., 
Власова Е.В., 2020
© Логос, 2020

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ ...........................................................................................................9

ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................12

1. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ................................................15
1.1. Общие сведения ........................................................................................15
1.2. Геохимические ландшафты ..................................................................17
1.3. Геохимические системы .........................................................................33
1.4. Геохимические барьеры..........................................................................37
1.5. Масштаб работ ...........................................................................................40
1.6. Установление границ участков ...........................................................41
1.7. Опробование ...............................................................................................44

2. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ АНАЛИЗА И ОПРОБОВАНИЯ ................. 50
2.1. Основные требования к аналитическим работам .......................50
2.2. Решение задач ............................................................................................53

3. ВЫЯВЛЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ 
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ 

В ГЕОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ...............................................................60
3.1. Общие сведения ........................................................................................60
3.2. Группировка геохимической выборки .............................................62
3.3. Замена в выборке необычайно высоких содержаний 
химического элемента и неопределенных результатов 
анализа ..........................................................................................................68
3.4. Вычисление критериев нормального и логнормального 
законов распределения ..........................................................................72

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОНОВЫХ И АНОМАЛЬНЫХ СОДЕРЖАНИЙ 

ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГЕОХИМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ..... 91
4.1. Общие сведения ........................................................................................91
4.2. Расчет колебания фонового содержания химического 
элемента с учетом вероятностной ошибки ...................................92
4.3. Вычисление необходимого числа проб в выборке для оценки 
фоновых содержаний с заданной относительной ошибкой .. 95
4.4. Расчет величин «положительных» и «отрицательных» 
аномальных содержаний химического элемента 
в геохимической системе ......................................................................97

4.5. Сопоставление фонового (среднего) содержания 
химического элемента в геохимической системе 
с соответствующим кларковым содержанием и ПДК ............102
4.6. Сравнение двух геохимических систем, отличающихся 
воздействием изучаемого внешнего фактора миграции 
(концентрации) веществ по фоновым содержаниям 
химического элемента (с использованием критериев 
Фишера и Стьюдента) ..........................................................................105

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВЯЗИ МЕЖДУ ВАРЬИРУЮЩИМИ 

СОДЕРЖАНИЯМИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ..............................................112

6. СОСТАВЛЕНИЕ КАРТ ФОНОВЫХ СОДЕРЖАНИЙ 

ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ......................................................................120

7. ПОСТРОЕНИЕ КАРТ АНОМАЛЬНЫХ СОДЕРЖАНИЙ 

ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ......................................................................160

8. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЙ 
ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ 

ГЕОХИМИЧЕСКИХ ЛАНДШАФТОВ ..........................................................189
8.1. Общие сведения ......................................................................................189
8.2. Расчет суммарных коэффициентов загрязнения ......................190
8.3. Расчет показателя абсолютного накопления с учетом 
вероятностной ошибки расчета средних содержаний ............193
8.4. Расчет показателя относительного накопления ........................198
8.5. Построение рядов абсолютного и относительного 
накопления элементов в почвах рассматриваемого 
ландшафта .................................................................................................199

ПРИЛОЖЕНИЕ .......................................................................................................206
1. Схема оценки почв сельскохозяйственного использования 
по степени загрязнения химическими веществами .........................206
2. Предельно допустимые концентрации химических веществ 
в почвах и допустимые уровни их содержания по показателям 
вредности ............................................................................................................208
3. Ориентировочно допустимые концентрации  
тяжелых металлов и мышьяка в почвах с различными 
физико-химическими свойствами ...........................................................211
4. Предельно допустимое содержание подвижной формы тяжелых 
металлов в почве ..............................................................................................213

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ .............................................214

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

xi
– содержание химического элемента в i-й пробе выборки

lg xi – десятичный логарифм содержания химического элемента в i-й пробе выборки

Xmax – максимальное содержание химического элемента 
в выборке (или в конкретном ее интервале)

Xmin – минимальное содержание химического элемента в выборке (или в конкретном ее интервале)

N
– число проб в выборке

ni
– частота распределения, количество проб в выборке 
(или конкретном i-м ее интервале) с одинаковым содержанием химического элемента

Wi
– относительная частость распределения содержаний 
химического элемента в i-м интервале выборки

xi ср – среднее значение содержаний химического элемента 
в i-м интервале выборки проб

x
– среднеарифметическое значение содержаний химического элемента в выборке, или среднее содержание 
химического элемента

lgx – среднеарифметическое значение десятичных логарифмов содержаний химического элемента в выборке

S 2
– выборочная дисперсия, мера рассеяния содержаний химического элемента вокруг его среднего содержания

S
– среднее квадратичное отклонение, или корень квадратный из выборочной дисперсии S 2

V
– коэффициент вариации, характеризующий относительное рассеивание содержаний химического элемента по сравнению со средним значением

A
– асимметрия, численная характеристика, выражающая 
меру скошенности кривой распределения, т.е. отклонение ее от нормального вида влево или вправо

E
– эксцесс, т.е. величина, определяющая подъем или понижение графика эмпирической кривой распределения по сравнению с нормальной кривой
Cф
– фоновое содержание химического элемента в исследуемой геохимической системе (ее части)
±λ5 % – вероятностная ошибка расчета фонового содержания 
химического элемента при уровне значимости 5 % 
(соответствует доверительной вероятности 95 %)
Сa1 – значение аномального содержания химического элемента в геохимической системе (ее части) для единичной пробы
Ca3 – значение аномального содержания химического элемента в геохимической системе (ее части) для двух-трех 
коррелирующихся (пространственно связанных) проб
Ca9
– значение аномального содержания химического элемента в геохимической системе (ее части) для девяти 
коррелирующихся проб
F
– критерий Фишера для сравнения выборок
Кс
– коэффициент концентрации
Kp
– коэффициент относительного увеличения общей нагрузки элемента
t
– критерий Стьюдента для сравнения выборок
r
– коэффициент парной корреляции содержаний двух 
химических элементов (их соединений) в геохимической системе (ее части)
Zc
– суммарный коэффициент загрязнения
Zp
– суммарный коэффициент нагрузки
ОДК – ориентировочно допустимая концентрация
ПАН – показатель абсолютного накопления химического элемента
ПДВ – предельно допустимый выброс
ПДК – предельно допустимая концентрация
ПДС – предельно допустимый сброс
ПДУ – предельно допустимый уровень
ПОН – показатель относительного накопления химического 
элемента

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предисловие
В 2002 г. в московском издательстве «Логос» был издан первый учебник по новой науке «Экологическая геохимия» [1]. 
Он был использован у нас в стране и за рубежом как основной 
учебник по этой дисциплине, а также при изучении дисциплин 
«Химия окружающей среды» и «Химические основы экологии». Судя по многочисленным отзывам и рецензиям, его используют и при изучении «Основ экологии», «Биогеохимии», 
«Геохимических методов поисков месторождений полезных 
ископаемых», «Гидрогеохимии».
Однако чрезвычайно быстрое развитие экологической геохимии в целом и особенно ее повсеместное внедрение в практическую деятельность, невозможность без привлечения этой науки 
планировать устойчивое развитие отдельных регионов привели 
к самостоятельному и тоже чрезвычайно быстрому развитию отдельных разделов этой науки. К их числу в первую очередь следует отнести учение о развитии эколого-геохимических изменений в биосфере и об оценке этих изменений [2].
Развитию этих разделов экологической геохимии посвящены довольно многочисленные публикации научных статей 
и такие же многочисленные доклады на совещаниях и конференциях. Однако в части из них оценка изменений заканчивается сравнением содержаний, установленных в отдельных 
регионах, только с нормирующими показателями (ПДК, ОДК, 
ПДВ и т.д.). Сравнительно редко используются разработанные 
Ю.Е. Саетом, Б.А. Ревичем, Е.П. Яниным с соавторами [7] 
чрезвычайно полезные суммарные показатели загрязнения 
и общей нагрузки групп химических элементов. Также относительно редко приводятся величины показателей абсолютного 
накопления химических элементов (в т/км2) и показателей их 
относительного накопления. Во многом это может быть связано с отсутствием на практических занятиях со студентами по 
различным экологическим дисциплинам конкретных типовых 
заданий, взятых из современной экологической практики.

Необходимо также отметить, что при решении экологических задач огромный многолетний опыт поисковой геохимии 
используется довольно часто.
Несколькими поколениями ученых-геохимиков (Н.И. Сафронов, А.П. Соловов, Е.М. Квятковский, Л.Н. Овчинников, 
С.В. Григорян, А.И. Перельман, В.А. Алексеенко, А.А.  Матвеев, В.И. Морозов, А.Е. Мирошников, Н.С. Касимов, В.М. Ряховский и др.) были разработаны методики отбора проб и выбора метода их анализа в зависимости от цели работ и опробуемого материала, обработки результатов анализов, оценки 
точности анализа и правильности отбора проб, выявления 
геохимических аномалий и т.д. Следует отметить, что все эти 
методики были успешно опробованы. В различных климатических и ландшафтно-геохимических условиях геохимическими 
методами было найдено много месторождений полезных ископаемых и рудопроявлений.
Авторы предлагаемого учебного пособия (а все они являются преподавателями в высших учебных заведениях) составили 
задачи для решения их студентами на практических и лабораторных занятиях, а также для выполнения самостоятельных заданий. Подавляющее большинство таких задач уже использовалось при обучении студентов-экологов в курсах дисциплин 
«Химия окружающей среды», «Химические основы экологии», 
«Экологическая геохимия».
Авторы хотели охватить весь цикл эколого-геохимических 
исследований, связанных с оценкой состояния отдельных 
участков биосферы и с оценкой изменений, которые происходят в пределах таких участков под воздействием различных 
техногенных процессов. Задачи начинаются с оценки точности отбора проб и получаемых результатов анализов этих проб. 
Далее следуют задачи по статистической обработке полученных данных, составлению карт фоновых содержаний, выявлению аномалий, оценке изменений.
Задачи предваряются краткими сведениями по темам рассматриваемых глав и решениями типовых задач. Кроме того, 
в гл. 1 кратко разбираются вопросы выбора масштаба работ 
и установления границ участков, проблем геохимии ландшафта, методик отбора проб. Более подробно эти вопросы рассмо