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 на­зывают - 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 живых и растительных организмов, главным образом, 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 10.

3.6.1. Первичные источники 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 слабо щелочных, 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.

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 ЗООх10-6 %. 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.

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. 11).  

Рис. 11. 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. 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 (см. схему 6) 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.