О генезисе фосфоритов

Проблема генезиса фосфоритов имеет более чем столетнюю историю и по своей сложности она не уступает самым трудным вопросам происхожде­ния месторождений марганца и бокситов. Существую­щие теории фосфогенеза во всех деталях повторяют тупиковые на­правления тео­рии марган­цевого рудообразования.

Наиболее известной, логичной, плодотворной и признаваемой геологическим сообществом явля­ется предложен­ная в 1937 г. А.В. Казаковым схема выпадения фосфора в осадок из холодных вод апвеллинга на мел­ководном шельфе. Казаков считал, что глубинные океанские воды насыщены угле­кислотой и поэтому содержат повышенные концентрации фосфора. На шельфе воды апвеллинга прогревались, отчего рас­творимость углеки­слоты и фосфатов уменьшалась и они естественным обра­зом удалялись из растворов – углекислота в виде СО₂, а фосфаты осаждались в твердой фазе руд­ных залежей.

Схема Казакова заменила собою весьма уязвимую теорию биологического происхождения фосфо­ритов, однако и она в последние годы подверга­ется ревизии по причине ряда внутренних проти­воречий. Так, океанологические измерения указывают на отсутствие заметных концентраций фос­фора в при­брежных водах, а в морских котловинах холодная вода также не может содержать рас­тво­ренные фос­фаты в концентрациях более 2-3 мкмоль/л, что исключает возможность хемоген­ной садки фосфата. Большим недочетом теории Казакова считается и полное отрицание им роли макро- и микро­фауны в фосфоритообразовании.

Реанимации биогенной теории в различных синтетических вариантах посвя­щены работы Г.И. Бу­шинского, Г.Н. Батурина, Э.Л. Школьника, Ю.В. Миртова и других авторов, однако и Казаков вполне резонно указывал на отсутствие фосфора в явных биолитах – горючих сланцах, углях, раку­шечни­ках и др. Наиболее веским и наглядным аргументом в пользу хемогенного происхож­дения фосфо­ритов слу­жит фосфатизация древесины. Обыч­ное дерево фосфатов не содержит, а ископа­е­мое может заме­щаться ими нацело и этот факт прямо указывает на поступление фосфора в осадок из морской воды. Замещаются фосфатами не только органические остатки и карбонаты, но также и кремнистые отло­же­ния.

Проблема источников фосфора также возникает при всяких попытках подсчета ба­ланса его со­держаний в морских и континентальных водах, которые показывают несоответ­ствие количеств осаж­денного и растворенного фосфора, даже если принять меха­низм постоянного прив­носа его в зону формирования месторождения. Это и побуж­дало искать дополнительные источники фосфора, включая вулканизм и гидро­тер­маль­ную деятельность. Несоблюдение баланса возникает также при отождеств­лении вре­мени формирования месторождения со временем осаждения рудных пачек и ру­до­вмеща­ющих отложений.

Выход из сложившейся ситуации современные авторы находят в том, “...что богатые залежи зерни­стых фосфоритов возникают в результате гораздо более длительного процесса, чем можно пред­ста­вить, если допустить их непосредственную садку. Они формируются за счет седиментацион­ного извле­чения фосфатизированных мелких рассеянных участков осадка с последующим отмывом их, пе­реносом с естественным фрак­ционированием, обогащением и сгруживанием в местах образова­ния соб­ственно залежей. Для возникновения же таких небольших “инситных” начальных кон­цен­траций фосфатов, как селеукские, вполне достаточно фосфора нормальных морских вод при работе течений, поддерживаю­щих существование водного биоса” (52, с. 62).

Иными словами, цитируемые авторы предполагают подводное переотложение синхронного биоген­ного рудного осадка с одновременным увеличе­нием концентраций фосфора в новом продукте до про­мышленных значений и, таким образом, справедливый исходный посыл о несоответст­вии вре­мени на­копления фосфора в морской воде и времени садки вступает в резкое проти­во­речие с предла­гаемым тут же механизмом рудообразова­ния.

Затронутая тема аналогий фосфорного и марганцевого рудогенеза будет продолжена после изло­жения характерных особенностей геологи­ческого строения фосфоритовых месторождений, здесь же в качестве исходного следует заявить лишь предположение о том, что фосфоритообразова­ние представ­ляет собою довольно сложный гидрохимический процесс, весьма чувствительный ко вся­кому измене­нию физико-хими­ческих параметров водной среды: рН, Еh, температуры, концентра­ций солей, газов и кислот. Первым обоснованием такого предположения может служить ритмично-слоистое или микропо­лос­чатое сложение фосфаторудных пачек. Фосфориты редко образуют компакт­ные залежи мономине­раль­ного состава подобно марганцевым или железным рудам и этот факт определенно указывает на то, что выпадение фосфатов в оса­док не носит лавинообразного ха­рактера.

Тонкое переслаивание фосфори­тов с безрудными карбонатами, алевропелитами и мергелями сви­детельствует о строгой подчиненности фосфато­рудного процесса принципу Ле Шателье, когда каж­дое (например, сезонное) изменение температуры морского бассейна приводит к наруше­нию хими­ческого равновесия, которое восстанавливается тотчас после выпадения в осадок избыточного объема рудного вещества и рудоге­нез прекращается до нового изменения температуры, атмосфер­ного давления, концентраций со­лей и газового режима водной среды.

Много десятилетий обсуждается, но всё еще не понята связь фосфорного оруденения с органиче­ским веществом, которое, вероятнее всего, слу­жит не источником фосфора и не только при­годной для рудного замещения субстанцией, а мощным регулятором Еh донных илов, т.е. факто­ром, без которого в кислородной зоне шельфа вряд ли могли появиться контрастные окисли­тельно-вос­ста­новительные условия, благоприятные для удале­ния фосфора из растворов и его фикса­ции в донных отложениях.

И все же наличие в прибрежной зоне благоприятной для образования рудного осадка обста­новки не является достаточным условием накопле­ния промышленных концентраций фосфоритов. Бо­лее важ­ная роль в фосфаторудном процессе принадлежит механизмам накопления и переноса фос­фора в рас­творах морской воды. Достаточные обоснования перечисленным тезисам и предположе­ниям можно найти на каждом крупном месторож­дении фосфоритов.

В качестве иллюстрации особенностей геологического строения типичного фосфаторудного объ­екта может служить Селеукское месторожде­ние, расположенной на правобережье р. Селеук в 30 км к юго-востоку от г. Ишимбай возле д. Уразбаево. Фосфоритная серия приурочена к верх­ней части шва­ге­риновой толщи ассельского яруса и представлена доломитизированными афанитовыми извест­ня­ками с прослоями органогенного извест­няка, фосфоритами и линзами кремней.

Фосфориты по внешнему виду напоминают листоватые битуминозные известняки и мергели. По типу своего залегания – тонкими субафанито­выми слойками, селеукские фосфориты считаются чисто хемогенными образованиями. Продуктивные пачки небольших (0,8-3,4 м) мощностей разде­лены пус­тыми прослоями известняков мощностью от 6.5 (между 2 и 3-й пачками) до 15.7 м (между 1 и 2-й). Весь разрез рудовмещающих отложений ассельского и сакмарского возраста сокращен до 40 м про­тив более чем километровой мощности синхронных рифогенных известняков в Ишимбай­ской впа­дине, рас­положенной в 25 км севернее месторождения. Такой тип разреза, в кото­ром не происходит выпадения стратиграфи­ческих горизонтов, но лишь сокращаются их мощности, явля­ется характерным для боль­шинства фосфоритовых месторождений и, по всей види­мости, тесно связан с их происхожде­нием. Этот тип разреза получил название “конденсированного”, однако интер­пре­тация термина неод­нозначна и не самодостаточна, поскольку не подразумевает определен­ного меха­низма рудообразова­ния и не раскры­вает источников минерализующегося фос­фора.

Фосфоритовые интервалы Селеукского месторождения отличаются от более плотных карбонат­ных разрезов смежных территорий присутствием в основании асселя линз коричневато-черных фта­ни­тов мощностью до 5-10 см, сходных визуально с кремнями формации Фосфория, США.

Рудовмещающие известняки представлены тонкослоистыми и плитчатыми разностями с до­вольно значительной примесью алеврито-глинистого ком­понента. Собственно фосфориты представ­ляют собою пакеты хрупких тонкоплитчатых пород, образованных чередованием слойков и линзо­чек фосфатов мощностью от 0,3 до 3-5 мм со слойками афанитовых карбонатов мощностью от 0,2 до 5-10 мм. Фос­фаты имеют более темную окраску, чем карбонаты, что объясняется повышенным содер­жанием в них органического вещества (до 1,5 %).

Отсутствие биотурбации, тонкое наслоение и развитие цианобактериальных матов указывает на возможные глубины фосфатоотложения Селеук­ского месторождения в пределах 40–100 м.

Промышленные скопления фосфоритов и марганцевых руд образуются редко как в географиче­ском, так и в геохронологическом (временнόм) прос­транстве. Стратиграфическое распределение эпох фосфоритообразования неравномерно. Главные накопления ученных мировых запа­сов фосфо­ритов сосредоточены в венд-кембрии (26%), перми (13%), мел-палеогене (40%) и в неогене (14,6%). Но даже в глобальные эпохи фосфатогенеза промышленные месторождения формируются крайне редко. Так, венд-кембрийских фосфоритонос­ных бассейнов на всех континентах выявлено лишь де­сять: в Южной Америке и Африке – по одному, в Азии – 7 и 1 (Джорджина) - в Австралии.

В палеозое закончилось формирование микрозернистых фосфоритов и началось - зернистых, кото­рые развились в мезокайнозое. Глобальное изме­нение текстур позволяет предположить, что зерни­стость фосфоритов определя­ется характером коагуляции фосфогеля в электролитах палеозой­ских и мезозойских морей, что под­тверждается повышенным содержанием в рудах сульфит-ионов. Так, содер­жание SO₃ в зернистой руде Селеукского месторождения почти на порядок выше, чем в мик­ро­зерни­стом, что позволило А.С. Соко­лову (49) назвать его фторсульфаткарбо­натапати­том.

Внимательный взгляд на карту полезных ископаемых любого континента позволяет увидеть не­кую пространственную и временную ассоциацию фосфоритоносных бассейнов с марганцеворуд­ными, при­чем фосфориты опережают по возрасту марганцевые руды на 1-2 века.

Такие связи возможны между фосфатоносными отложениями Верхне-Камского бассейна (мел) и марганценосными – Зауралья (палеоген), фосфори­тами Днепрово-Донецкой впадины (кампан) и Нико­польским бассейном (олигоцен), а также на Полярном Урале, в Зилаирском синклинории, в Юрю­зано-Сылвенской и Межкракинской впадинах и в других районах Южного Урала и Казахстана.

Подобные предположения возникают и при взгляде на карту Улутелякского марганцеворудного узла (рис. 4, лист N-40-X), где три месторожде­ния фосфоритов артинского возраста (Ашинское, Сим­ское и Кукашка) привязаны к трем палеопроливам кунгурского времени (Ашинскому, Симскому и Ук­скому), выносившими марганец в Бельскую депрессию из Юрюзано-Сылвенской че­рез Сим­ской залив. В этом же "заливе" (в Симской мульде) известны более древние проявления бок­си­тов (Серпиевское – фран).

В разрезах Зилаирского синклинория также можно увидеть отдаленную связь марганцеворуд­ного про­цесса с образованием фосфоритов. На смеж­ной с Зианчуринской группой марганцеворуд­ных проявлений площади (лист N-40-XXXIII) известно ряд проявлений фосфоритов, включая кугар­чин­ское, приуро­чен­ных к терригенно-карбонатным отложениям нижней подсвиты иткуловской свиты (C₁it). В иные геологические эпохи, например, в девоне Центрального Казахстана, где из­вестны промышленные месторождения марганцевых руд, прямых связей с фосфоритами не наблю­да­ется, но это может свидетельствовать не об отсутствии месторождений, а всего лишь о том, что они на карту не вынесены, т.е. ещё не открыты.

Подготовительные бассейны девонской эпохи марганцевого рудогенеза в Башкирском Зауралье (Юрюзанский, Тирлян­ский и Кагинский – рис. 6) также содержат многочисленные фосфатопроявле­ния. Например, по данным ГД 1:50000 (В.А. Шефер, БРГФ, 2000) и прогнозно-тематических работ на фосфо­риты (47), фосфоритоносные отложения межкракинской зоны - набиул­лин­ской свиты (O_2-3-S₁lnb) и азнагуловской толщи узянской свиты (S₁l-wus₁) характеризу­ются сильной фациальной измен­чивостью по латерали, присутствием олистостром, слоистости заполне­ния и выпол­нения промоин, интенсивной биотурбацией осадка, присутствием битой и переме­щен­ной фауны, а также выполнением песчаниками свиты эрозионных промоин. На Кагинском профиле упомя­нутые авторы увидели, что "…осадконакопление происходило эпизодически, отдель­ными пор­циями. Формирование литологических пачек происходило геологически мгновенно; между момен­тами их формирования наблюдались перио­ды покоя, в которые отлагались тонкие пропластки аргилли­тов".

Набиуллинская свита уверенно сопоставляется В.А.Шефером и А.В. Кочергиным с «нижними» доло­ми­тами известных фосфоритоносных бассей­нов: Каратауского, Хубсугульского, Джорджина, Фос­фория. Об­щие черты они видят в литологии горизонта (песчанистые доломиты или доломи­тис­тые песча­ники), мощ­нос­тях (первые десятки метров) и текстурах пород (заполнения и выполне­ния). Характер­ным явля­ется присутствие в доломитах зараженных фосфором глауконитсодержащих долоа­ренитов (как и в Кара­тауском бассейне), в которых содержание Р₂О₅ колеблется от 0.3 до 4.3 %, составляя, в среднем, 1 %.

Текстурные и вещественные особенности азнагуловской толщи происходило так же, как и набиул­лин­ской - в условиях подножия континенталь­ного склона. Такое предположение обосновано микти­товым характером отложений, наличием олистостром, отсутствием косой и иной ясно выражен­ной слоистости, а также линзовидной формой слагающих свиту тел.

В геологическом отчете А.В. Кочергина приводится и ряд других аналогий между обследован­ными им нижнепалеозойскими свитами Башкир­ского поднятия и типовыми разрезами известных фосфа­торуд­ных объектов. В частности, он отмечает, что "…в пределах Сакмарского поднятия в кремни­сто-глинис­тых хлидолитах лландовери извест­ны Абишевское, Акьюловское, Покровское фосфа­топроявления. По облику фосфатсодер­жащие породы этого района аналогичны “черным” фос­фатсодержащим кремням меж­кра­кинской зоны. Повышенная фосфатность наблюдается и в нижнеси­лу­рийских отложениях Вос­точно-Уральской зоны, а также в обломочных карбонатных поро­дах близ поселка Варна (Чел. Обл.) и в других районах Южного Урала и Северного Казахстана...

…подобная же приуроченность фосфатов (а также на Mo, V, Zn, Ag) к восстановленным осадкам наблю­дается в углисто-кремнистых аргил­литах харогской (S_1-2) и лемвинской (S_1-2) свиты, в мень­шей сте­пени - к одновозрастным образо­ваниям елецкой зоны. Открытое на Полярном Урале Сафронов­ское месторождение фосфоритов приурочено к контакту пайпудынской и малопайпудын­ской свит ордо­вика-нижнего силура. Дальней­шие перспективы обнаружения фосфоритов на Север­ном и Полярном Урале следует связываются с отложениями переходных (от елецкой к лемвин­ской) комплексов. Здесь присут­ствуют углисто-кремнисто-карбонатно-глинистые образования, анало­гич­ные породам азнагулов­ской толщи...

…в Подолии (Украина) толща нижневенлокских глинистых сланцев содержит крупные шаровид­ные конкреции фосфоритов, широко известные в литературе под термином “подольскит”. При пере­мыве вен­локских отложений в мезо-кайно­зое конкреции были сконцентрированы в области акку­муля­ции и сформировали Подольское место­рождение фосфоритов. Разрез нижнепалеозойских отложений Подолии несет черты сходства с продук­тивным разрезом нижнего палеозоя западного борта Зилаирского синкли­нория" (47).

Кроме того, ссылкой на Н.Д. Сухарева сообщается о находке при геологоразведочных работах на Ново­пристановском месторождении бокситов в (Юрюзано-Сылвенская депрессия) известняков миньярской свиты, содер­жащих 2 % Р₂О₅. (Во время проходки шурфов на сакмаро-артинских рифах Юрюзано-Сылвенской депрессии автору настоящего текста с большим трудом, и далеко не в каждом шурфе, удавалось пробить коричневый панцирь криноидных известняков, но лишь спустя много лет приходит осознание того, что это была "фосфоритовая плита").

А.В. Кочергин утверждает, что "…изменение облика отложений на границе набиуллинского и азнагу­ловского времени объясняется обильным поступ­лением высокоглиноземистого глинистого веще­с­тва с черной углефицированной органикой и кремнистым спонголитовым материалом, что свиде­тель­ствуют о формировании отложений в резко восстановительной среде…

…в начале азнагуловского времени произошло событие, повлек­шее изменение характера осад­кона­копления в области первичной генерации осадка. По нашему мне­нию таким событием могло быть катастрофическое поступление в бассейн рассолов, в резуль­тате «вскрытия» оста­точ­ных эвапоритовых бассейнов. Поступление соленых вод могло при­вести к массовой ги­бели планк­тона, возникновению обстановок стагнации и серово­дородного зараже­ния. Вос­становитель­ная обста­новка способствовала фиксации в осадке металлов, а именно, - молибдена, свинца, цинка, вана­дия. В иловых водах – фосфора и марганца. В области соприкоснове­ния обогащен­ных фосфором серово­до­родных вод с водами открытого океана могли возникнуть обста­новки катастрофи­ческого осаждения фос­фатов, то есть создание первичного его накопления. В даль­нейшем эти обра­зования придон­ными течениями могли быть перемещены в область континенталь­ного склона, где могли быть зафикси­рованы в разрезе" (там же).

К сожалению, целенаправленная попытка А.В. Кочергина понять динамику гидрохимического про­цесса не завершилась выработкой конкретных критериев поискового прогнозирования, обоснован­ных физико-химическими параметрами водной среды (температура, соленость, кислот­ность, Еh, тип, устойчивость и контраст­ность геохимического барьера; формы, коли­чественное соотно­шение, окислительно-восстановительные потенциалы и отно­сительная стабиль­ность растворен­ных в воде ассоциирующих рудных компонентов; веществен­ный состав и Еhсуб­страта, роль и количествен­ная характеристика подводных оползневых процес­сов и др.).

Правильно выбранное Кочергиным на­правление исследований не привело к получению логиче­ски завершен­ного результата, которым может быть только расшифровка механизма накопления, миг­ра­ции, вы­садки из растворов и фиксации фосфора в твердой фазе промышленных залежей.

Пока можно лишь предпола­гать, что в резко восстановительных условиях застойных котловин, же­лобов и впадин фосфор накапливается вместе с алюминием, марганцем и другими элементами в виде диссоциирован­ных фосфитов, которые по мере уменьшения глубины водоема переходят в ангид­рид и в присут­ствии продуктов окисления сероводо­рода образуют смесь гидрофосфатов, сульфа­тов и карбонатов кальция.

Сущность коррелятивных связей между марганце- и фосфатогенезом заключается в той же, - об­щей с алюминием истории накопления рудных ком­понентов в истинных растворах сероводород­ных котловин. Допущение эволюции геохимических барьеров в морской воде одновременно устра­няет ис­кусственные барьеры в теории, где геология бокситов изучается отдельно от геологии фос­фори­тов, а обе они никак не связаны с геологией марганцевых руд. Стратиграфическое положе­ние месторож­дений и проявлений фосфоритов определенно указы­вает на опережение марганцево­руд­ного процесса фосфаторудным и на отста­вание его от садки бокситов.

Однако, процессы выпадения из растворов глинозема, фосфата и марганца не связаны между со­бою неразрывно, как платформы железнодорож­ного состава. За разгрузкой "вагона" бокситов не обя­зательно наступит черед фосфоритов и марганцевой руды. – Большое число внеш­них факторов, таких, как тектоническая обстановка в регионе и связанный с нею характер движения водных масс, климат и обусловленные им температура и химизм водной среды, подвижность и контрастность гидро­химических барьеров существенно изменяют направление течения каж­дого этапа химического осадконакопления. В неблагоприятных условиях конкретного района все эти факторы могут отло­жить садку очередного элемента на весьма продолжительное время, либо вовсе отменить её.