7. Походження фосфоритів

Універсальної гіпотези утворення фосфоритів немає, і вона, мабуть, неможлива: фосфорити утворюються з різних джерел, різними способами і в різних умовах (Батурін, 1978; Гіммельфарб, 1965; Генезис..., 1974; Литология..., 1980 та ін.).

7.1. Джерела фосфору

Джерел фосфору існує багато: вивітрювання на суші, вулканізм, але головні – це запаси в гідросфері та біосфері. Особливо великі запаси в біосфері, але вони вислизують з аналізів морської води, так як зосереджені в живій речовині – тілах організмів; фосфор – біогенний елемент. Запаси фосфору в океані 137^.10⁹ т, що в тисячі разів перевищують щорічне надходження зі всіх джерел, але, мабуть, у багато разів (сотні? тисячі?) поступаються запасам, зосередженим в тілах організмів, тобто в біосфері. Знаходячись в біологічному кругооберті – в живлячих, або трофічних, зв’язках, цей фосфор лише частково надходить у власно гідросферу – при гідролізі органічної та скелетної речовини.

Співвідношення щорічного надходження в океан з континентів і з гідротерм не виявлено, але вже грубий підрахунок показує різку перевагу першого, хоч питання потребує додаткового вивчення та врахування ендогенного джерела фосфору.

7.2. Способи утворення

Способи утворення багаточисельні. Вже при вивченні взірців та шліфів жовнових та зернистих фосфоритів легко установлюється механічний спосіб їх нагромадження, що виражається в уламковій структурі, обкатуванні, а в деяких випадках – у свердліннях жовнів з різних сторін, які указують на епізодичне перекатування і перебуванні в ізольованому вигляді. Якщо навіть ознаки обкатування не розвиваються, про механічний процес нагромадження свідчить змішаність матеріалу, яка указує на конденсацію жовнів, оолітів, копролітів, черепашок та інших крупних зерен в результаті перемивання осадків з розсіянними цими крупними фрагментами. Більшість зернистих фосфоритів вміщує уламки зцементованих оолітових або інших фосфоритів (мал.), що указує і на процес кластування, тобто взламування, механічного або фізичного руйнування, зформованих пластів фосфоритів. Нерідко установлюється багатократність взламування, осадження, цементації та нового взламування пластів фосфоритів. Цей процес механічної конденсації, який формує фосфоритовий пласт як перлювій, вистуцпає як основний рудоутворюючий.

Але який процес або процеси ініціальні, тобто починають первинне фосфатонакопичення і в якій формі воно відбувається – розсіянній чи концентрованій, хімічній або біологічній?

Біологічна форма первинного накопичення фосфату і фосфоритів очевидна в черепашкових брахіоподово-стулкових, наприклад оболових (Ф9), і в кістяних )Ф11) фосфоритах. В них фосфор первинно коцентрувався секреційним способом організмами – беззамковими брахіоподами або рибами, морськими ссавцями, іхтіозаврами, плезіозаврами або навіть наземними плазунами (ящірками, черепахами, крокодилами, наприклад, в палеогені Малі) та іншими хребетними. При відмиранні і масовій загибелі ці фосфатні або фосфатисті біофрагменти нагромаджуються і створюють первинний пласт, іноді досить кондиційний. Однак і в цих типах нагромадження частіше всього не обходиться без їх конденсації: перемиванням хвилюваннями, морськими або навіть річними течіями, які вимивають незатверділий вмістимий глинистий, вапняний або піщаний осад, а крупні фрагменти залишають на місці без суттєвого топографічного переміщення, що і дозволяє відносити ці фосфорити в остаточному підсумку також до механічного елювію – перлювію.

Менш очевидно та складніше доводиться хімічний спосіб первинного фосфатонакопичення, новим словом в науці явилася в передвоєнні роки хімічна теорія утворення фосфоритів літолога та геохіміка А.В.Казакова (1939; мал). Вона відрізняється суворістю та витонченістю, не дивлячись на те що поєднує досить різноманітні процеси, причинно незалежні один від одного: життя, абіотичні, хімічні процеси і чисто механічні явища – вітер, течії, апвелінг, а також – в результаті – седиментогенез. В цього її велике методологічне значення. Автор виходив з установлених до того часу фактів: виключної бідності фосфором (5-10 мг/м³) поверхневих вод – через енергійне його вилучення планктоном та іншими організмами – і багатократного (в десятки і сотні разів) зростання вмісту Р₂О₅ з глибиною (до 300 мг/м³) і більше), де фосфор звільняється з „дощу” трупів. Високий тиск та низькі температури тут приводять також до різкого збільшення вмісту СО₂, розчинності карбонатів, включаючи черепашки та інші скелетні рештки, і сильного збільшення лужного резерву. З біоскелетів звільняються фосфор та інші біогенні елементи, що ще більше підвищує їх концентрацію на глибині. Якщо ці води подати уверх, де в багато разів зменшується тиск і підвищується температура вод, то СО₂ та інші розчинені гази почнуть енергійно виділятись і дифундувати в атмосферу, а катіони і солі, які ними утримуються в розчині, перш за все СаСО₃ ,- осаджуватись з перенасичених розчинів. Разом з ними осаджуються і фосфати, які збагачують карбонатну, глинисту і алевритову фації шельфу і верхньої частини континентального схилу.

Залишалося знайти механізм такого переміщення глибинних вод до поверхні. Ним виявились реально існуючі і спряжені згонні та компенсійні течії (мал). Перші, особливо в мусонних країнах, діють місяцями, коли вітер стійко відганяє великі маси води від берегу, а другі виникають для компенсації зменшення води в поверхневому шарі, тобто виявляються висхідними. Пізніше, вже після другої світової війни, були вивчені більш постійні висхідні потоки води – апвелінги – біля крутих схилів континентів, островів, вулканів і в місцях дивергенцій поверхневих пасатних та інших крупних течій (Батурін, 1978). Особливо сильні вони біля західних узбережь материків (чому?), наприклад біля Африки, Америки (Чілі, Перу) і Австралії. І дійсно, в місцях апвелінгів, які представляють собою виключно багаті оазиси життя в океані і тому добре вивчені рибаками (який зв’язок?), в осадках завжди підвищений вміст фосфору і майже завжди виявляється його супутник – глауконіт. Підйом глибинних вод, багатих фосфором, нітратами, СО₂ та іншими біогенними елементами забезпечує пишний розвиток фітопланктону, а останній – зоопланктону і т.д. Замикають харчову низку риби і ссавці. Всі вони вносять вклад в нагромадження фосфору в осадках.

Однак за допомогою „механізму” Казакова нагромаджуються лише розсіянні у вапняних та інших осадках фосфати, хоч і підвищеного проти кларку вмісту (іноді до 5-10%), але фосфоритові родовища не утворюються.

Це заставило знову повернутись до „біолітної”гіпотези Меррея, Кайє, Самойлова і Архангельського, але в новому, сучасному варіанті. Суть перших варіантів зводилася до масової загибелі організмів, як риб, так і планктону та інших форм, наприклад, при зустрічі холодної та теплої течій або при різких коливаннях берегової лінії, тобто при великих трансгресіях та регресіях. Переповнення багатьох фосфоритів рештками організмів (наприклад жовнових юрських підмосковних та ін.), їх чорний колір, приуроченість багатьох родовищ до сильних течій, здавалось би, підтверджували гіпотезу. Вона допомогла знайти багато родовищ, але переважно дрібних, в яких фосфорити дійсно утворювались з тіл організмів, які при розкладанні в мулі звільняли фосфор, і він концентрувався у вигляді зерен, жовен або конкрецій.

І все ж головна частина фосфоритів немає органічних решток, по крайній мірі видимих (або бідна на них), і не укладається в біолітну, тобто чисто біогенну, гіпотезу. Крім того, сам факт масової загибелі організмів, якщо він мав місце, то надзвичайно рідко, і не міг за масштабами приводити до формування крупних запасів. Це і стало поштовхом до пошуку альтернативи, якою і стала теорія Казакова – значний крок вперед. Однак і вона виявилась обмеженого „радіусу дії”. Тому у теперішній час літологи приходять до висновку про певну полігенетичність фосфоритів, які можуть накопичуватись різними способами – і біологічним, і хімічним, і механічним, і седиментогенним, і елювіальним, а також за рахунок різних джерел – екзогенних і ендогенних. Але це не знімає питання: чи існує домінуючий спосіб і чому він полягає?

Г.І.Бушинський ще у 40-х роках почав розробляти діагенетичну теорію утворення фосфоритів, бо в мулових водах осадків вміст Р₂О₅ досягає 2500 мг/м³. Це реальне джерело формування мікроконкрецій – оолітів та інших сфероагрегацій, що і відбувається насправді. Всі або майже всі найкрупніші родовища підпадають під теорію Бушинського. Джерелом фосфору для їх формування служать тіла організмів, які постійно осаджуються з товщ океану, морів, їх заток на дно і які більш менш рівномірно розсіюються в осадках. Гідроліз звільняє фосфор, і він, становлячись рухливим, переміщується до деяких центрів зі зниженими рН і Еh, де і осаджується (заважаючий аніон SO₄^2- зв’язується , мабуть, в сульфідах). Це відбувається як в умовах відкритої системи, тобто в стадію сингенезу (наприклад, фосфатизуються водоростеві мати; Southgate, 1986), так і дещо глибше, при діагенезі, але досить близько до поверхні осадку. Тому часто такі осадки перемиваються і конденсуються. Початкові ж нагромадження, таким чином, за Г.І.Бушинським (1952, 1966, 1969, 1980), здійснюються біогенно-хемогенним (включаючи і метасоматичний) способом переважно в стадію сингенезу (Фролов, 1969; Фролов, Покришкін, 1980; Kaila, 1949; Southgate, 1986 та ін.).

Фосфорити, отже, утворюються і як метасоматичні (Ф1, Ф2, Ф10, Ф13, Ф14), а також як наземно-елювіальні (Ф14), як накопичення типу гуано (Ф12, Ф13 і Ф14) і, можливо, гідротермальні. Маючи досить високу хімічну рухливість, фосфор часто переміщується в іонній формі і заміщує вапняки, доломіти, утворюючи родовища типу Флоридських або штату Теннессі (США) – елювіально-карстових. До цього типу, мабуть, відносяться і деякі сибірські і східно-саянські родовища. Метасоматичні процеси супроводжують і накопичення гуано, і заміщення черепашок, скелетів губок, копролітів та уламків вапняку під водою, а також водоростевих плівок і матів. Велике значення сингенетичних водоростевих фосфоритів у створенні первинних нагромаджень виявив на прикладі азіатських родовищ Е.Л.Школьник (1986, 1988, 1990 та ін.). Цей метасоматоз здійснюється в слаболужному відновному середовищі (сульфіди звичні в них) при великій кількості „свіжої” органічної речовини.

До гідротермально-хемогенних деякі літологи відносять не тільки метровий пласт фосфоритів в ефузивній свиті Мтаварі (верхня крейда, Грузія), але і фосфоритові кірки і декілька сантиметрів, які установлені на підняттях Тихого океану, наприклад на Маркус-Неккер (В.Г.Сафонов). Нерідко вони у вигляді білого фосфату цементують верхню щебенисту частину лавових потоків (каменисті розвали – фізичний елювій). Жилки фосфатів донизу виклинюються, і їх гідротермальність досить сумнівна: це звичайні підводно-елювіальні утворення.