3.6. Фосфатные породы
Фосфатные породы – это породы, содержащие более 20 % фосфатных минералов или 7,8 % Р2О5. Если в породах содержится > 50 % фосфатных минералов, т.е. > 19,5 % Р2О5, то такие породы называются фосфориты. Породы с содержанием не менее 12 % Р2О5 относят к фосфоритовым рудам.
Главные минералы фосфатных пород: коллофан – Са3(РО4)2хН2О, коллофанит – Са(РО4)(ОН)p, даллит – 4Са3(РО4)2хCaCO3хН2О, апатиты с общей формулой Са5(РО4)3(ОН, F,Сl).
Сопровождающие минералы: карбонаты, окислы марганца, кремнистые минералы, глинистые минералы, глауконит, пирит.
Примесные компоненты: обломочный материал, в том числе пирокластический; крупный органогенный детрит, главным образом, костный, раковинный и детрит чешуи; мелкий детрит – раковины диатомей; продукты жизнедеятельности организмов – копролиты, комочки, сгустки, пеллеты; продукты разложения и полимеризации углеродистых соединений животных и растительных организмов, в основном, сапропелевый кероген типа II и углеводороды.
Элементы примеси: марганец, стронций, свинец, уран, ванадий, цезий, иттрий, а также другие редкоземельные элементы.
Схема формирования фосфатных пород и фосфоритов приведена на рис 3.6.1.
3.6.1. Первичные источники и мобилизация фосфора
Первичным источником фосфора в литосфере считают магматические породы. Наиболее обогащенными фосфором являются щелочные габброиды-базальтоиды и лампрофиры. Содержание Р2О5 в них колеблется в пределах 0,45-2,38%, при среднем содержании 0,8%. Это на порядок выше средних концентраций Р2О5 в наиболее распространенных магматических породах и даже несколько выше средних концентраций в осадочных породах. Неудивительна в связи с этим наблюдаемая пространственная связь фосфоритов с вулканогенными базальтоидными формациями.
Мобилизация фосфатного компонента из минералов первичных магматических пород происходит при гипергенном преобразовании их в условиях слабощелочных, нейтральных и слабокислых сред (рН – 7,5-6,5). Вынос Р2О5 сопровождается формированием монтмориллонита. Акцессорный апатит, по сравнению с алюмосиликатными минералами, более устойчив, особенно в присутствии углекислоты. Однако при наличии гуминовых кислот и он легко растворяется.
Рис. 3.6.1. Схема формирования фосфатных пород
3.6.2. Транспортировка и накопление вещества
Транспортировка пятиокиси фосфора осуществляется в растворенном состоянии или в виде сложных органических комплексов. Благоприятными факторами являются пониженные значения рН и бескислородные условия транспортирующей среды.
Перенос Р2О5 может быть связан с живыми организмами, т.к. без фосфора невозможно существование ни микроорганизмов, ни организмов с твердым скелетом, ни растительного вещества.
Транспортировка фосфатного вещества осуществляется также в виде механических взвесей апатита и других устойчивых соединений фосфора, в виде минерала вивианита и в виде детрита растительных и животных остатков.
Наименьшую роль в транспортировке фосфора играют механические взвеси. Гораздо большую значимость имеет перенос Р2О5 в растворенном состоянии и организмами. Однако абсолютная оценка различных форм переноса фосфора затруднена из-за тесной их пространственно-генетической связи.
Полное насыщение вод пятиокисью фосфора в теплых водах равно 10х10-6%. В холодных водах оно увеличивается до 30х10-6% и может возрастать с уменьшением рН. В иловых водах, насыщенных органическими кислотами, возникающими при разложении биогенных остатков, оно может достигать 300х10-6 %.
Отложение фосфатного вещества осуществляется, преимущественно, биогенным путем. Процесс этот для современных морских условий описан Г.Н. Батуриным, П.Л. Безруковым и А.В. Казаковым и назван "эффект Батурина" [2]. В соответствии с "эффектом Батурина" для накопления в осадках фосфора обязателен подток глубинных холодных морских вод в теплые слои, где протекает фотосинтез. Подток обычно осуществляется в зонах прибрежного апвеллинга, благодаря общей системе циркуляции вод в океане.
Избыточный для теплых вод фосфор оказывается доступным для включения в пищевую цепь сначала микроорганизмов и фитопланктона, а затем и более высокоорганизованных животных и растений.
Жестко лимитированная фосфором биологическая продуктивность, резко возрастает в условиях его дополнительного привноса. Она сопровождается и обильной биогенной седиментацией, что ведет к концентрации как фосфора, так и других компонентов – органического вещества и биофильных микроэлементов.
Процесс обогащения седиментационных вод фосфором возможен не только в условиях океана, но и на континенте. Разгрузка этих вод может осуществляться либо в континентальных бассейнах, образуя осадки с Р2О5, либо протекать по системе трещин и пор, обусловливая прожилково-сгустковую минерализацию в окружающих породах.
Накопление фосфатного вещества может осуществляться в океанических и морских условиях, а также на континенте – в озерно-болотных, карстовых и островных обстановках [3.47].
Океанический процесс наиболее мощный процесс накопления фосфатного вещества. Он осуществляется в пограничной зоне между мелководными платформенными осадками и глубоководными геосинклинальными скоплениями. Этот факт был отмечен еще в 1937 году А.В. Казаковым и наглядно представлен на рисунке (по Ф. Петтиджону, 30), отображающем геологическую модель формации Фосфория США и положение в ней огромной толщи фосфоритов (рис. 3.6.2.).
Рис. 3.6.2. Геологическая модель формации Фосфория
Условные обозначения:1 – фосфориты; 2 – кремнистые породы; 3 – карбонатные породы; 4 – обломочные породы
Объясняя факт мощного фосфатонакопления и основываясь на результатах экспериментальных исследований по растворимости в системе СаО – Р2О5 – Н2О, А.В. Казаков выдвинул весьма популярную гипотезу хемогенного образования фосфоритов. Она предполагала возможность выделения фосфатов кальция из глубинных вод в зонах апвеллингов в результате увеличения температуры и уменьшения парциального давления СО2 при их подъеме. Гипотеза хемогенного осаждения фосфоритов основывалась на представлении о том, что морские глубинные холодные воды находятся в состоянии, близком к их насыщению. В условиях меньших давлений и больших температур у водной поверхности они становятся существенно перенасыщенными фосфором и способными его осаждать.
Основным недостатком наиболее тщательных его экспериментов являлось то, что они были проведены не в морской воде. Поскольку фосфор в морской воде образует комплексные соединения и ионные пары с Мg, Nа, Са, карбонатом и бикарбонатом, а также органическими комплексами, можно было ожидать несоответствия выводов эксперимента с реальными условиями осаждения твердых фосфатов. Ожидания подтвердились, когда эксперименты с растворением и осаждением фосфора из морской воды опубликовал в 1978 году В.С. Савенко.
Оказалось, что для выделения фосфатов кальция необходимы концентрации фосфора в растворе значительно выше тех, которые характерны для глубинных вод морей и океанов. И поскольку глубинные воды оказались недосыщенными фосфором даже относительно кристаллического апатита, стало ясным, что среду фосфатоосаждения следует искать не в самой морской воде, а в поровых и иловых растворах. Именно в них разложение отмерших организмов приводит к концентрации фосфора, превышающей 1000 мг/м3 воды, а также к необходимому увеличению концентрации углекислоты и повышению ее парциального давления. Позднее подтвердились факты высоких концентраций фосфора в поровых водах продуктивных зон морей и океанов, в десятки раз превышающие содержание фосфора в глубинных водах. Оказалось, что в поровых водах происходит первичное осаждение фосфатов кальция. Они разнообразны по составу, свойствам, растворимости и реакциям с окружающей средой. В природных условиях свежеосажденные фосфаты кальция с течением времени постепенно раскристаллизовываются, поглощая фтор, хлор и воду из морских иловых вод, и переходят в менее растворимые формы.
Накопление фосфатного вещества в морских мелководных и заливообразных обстановках менее интенсивно, чем в океанических. Оно может быть связано либо с длительностью процесса накопления, либо с неблагоприятными факторами в биосфере, которые вызывают интенсивное вымирание фауны и флоры, содержащей в своих скелетах, чешуе и мягких тканях достаточно большое количество фосфора. Примером являются древние (кембрийские) фосфориты Алтае-Саянского региона.
Накопление фосфатного вещества происходит и в лагунных и в озерно-болотных обстановках. Здесь глубоко разлагающиеся живые и растительные организмы служат поставщиками фосфатного вещества в осадок. Глинистые и торфянистые породы в такой обстановке обычно обогащены железистыми минералами, в том числе и фосфатными, в частности, вивианитом – Fe3(РО4)2х8Н20. В слаболитифицированных и рыхлых осадках обломочного состава фосфатное вещество насыщает межобломочные промежутки. Примером являются песчаники с фосфатным цементом георгиевской свиты верхнеюрского возраста Западной Сибири.
Накопление фосфатного вещества в условиях континентального гипергенеза пород имеет меньшее значение, по сравнению с океаническим или морским. Тем не менее, известны достаточно крупные фосфатонакопления в гипергенно измененных карбонатных и алюмосиликатных породах – Сейбинское и Белкинское месторождения Саяно-Алтайской области.
Гипергенез карбонатных пород, содержащих повышенные концентрации Р2О5, приводит к выщелачиванию легкорастворимых карбонатных минералов, образованию трещин и карстовых полостей, а в итоге – к заполнению последних менее растворимыми фосфатными компонентами, их реликтами и обломками. Переотложенные фосфатные компоненты часто образуют натечные формы в трещинах, карстовых полостях, в обломочных породах и относятся к карстовым фосфоритам (рис. 3.6.9).
Гипергенез алюмосиликатных пород, в частности, вулканогенно-осадочных и вулканогенных базальтоидных, также приводит к накоплению фосфатного вещества в виде апатита, варисцита АlРО4х2Н2О и других алюмофосфатов. Такие скопления Р2О5 часто сопровождаются и свободным глиноземом в виде аморфного агрегата или гидраргиллита.
Накопление фосфатного вещества происходит и на островах, где жизнедеятельность птиц, питающихся рыбой, дает обильную пятиокись фосфора в виде биохимических соединений. Она сразу же включается в сложный процесс взаимодействия с осадками атмосферы и литосферы, образуя геологически сложные, напоминающие часто гидротермально-метасоматические инфильтрационные фосфатные проявления.
Накопление фосфатного вещества может происходить и при перемыве диагенетизируемых осадков, в которых уже образовались сгустки, стяжения, пеллеты и желваки фосфатного вещества. Этому процессу способствует повышенная их химическая и механическая устойчивость, а также динамическая активность прибрежных океанических или морских вод. Одной из важных особенностей переотложенных фосфоритов является сферичность и сглаженность фосфатных стяжений.
Накопление фосфатного вещества в разных обстановках обусловило специфические петрографические особенности фосфоритов. Среди них в настоящее время выделяются пластовые или зернистые фосфориты морских и океанических обстановок; конкреционные, обломочные, землистые и ракушняковые – мелководно-лагунных и озерно-болотных обстановок, карстовые – обстановок континентального гипергенеза и островные – инфильтрационные фосфориты (рис. 3.6.3...3.6.9).