Литология

Фосфатные породы

Общая характеристика фосфатных пород

Фосфоритами называют породы, больше чем на 50% сложенные фосфатными минералами. Фосфориты представляют собой биогенно-хемогенные образования, состоящие либо из фосфатизированных скелетных остатков, либо (чаще) из скопления конкреций и пластовых тел аморфно-криптозернистого строения (Япаскурт О.В., 2008).

Минеральный состав

1. Аморфный коллофан,
2. фторапатит Ca₅(PO₄)₃F,
3. гидроксилапатит Са₅(PO₄)₃0Н,
4. подолит Са₁₀(РO₄)₆(СO₃),
5. курскит Са₈( PO₄)₄ · (CO₃) · F₂,
6. карбонатапатит (франколит) Ca₁₀(PO₄)₆ · [F₂(OH)₂(CO₃)O]

Большинство фосфоритов имеют смешанный состав. Одни содержат примесь глинистого вещества, глауконит, обломки кварца, полевых шпатов и слюд алевритовой и песчаной размерности.
Другие – кристаллически-зернистыe агрегаты доломита, кальцита, аморфный опал и криптозернистый халцедон. В качестве второстепенной примеси присутствуют пирит, галенит и другие сульфиды. В современных океанских фосфоритах Г.Н. Батуриным и другими исследователями выявлен барит.

Содержание Р₂O₅

Нижний предел содержания Р₂O₅ – 18%. Однако фосфоритами часто называют руды с содержанием Р₂O₅ всего 5%. При открытой разработке из рыхлых пород легко получить концентрат, пригодный для промышленного использования.

Химический состав

Химический состав чистого фторапатита: СаО – 55,5%, Р₂O₅ – 42,3%, F – 3,8%.

Однако фосфориты имеют изменчивый химический состав. Помимо СаСO₃, Са(OH)₂, присутствуют VO₄, As₂O₄, SO₂, замещающие РO₄, а также Сl, ОН, замещающие F, и Mg, Mn, Sr, Pb, Na, U, Ce, V, в небольших количествах замещающие Ca.

Ванадий и уран в фосфоритах нередко представляют промышленный интерес. Редких земель в среднем 0,06—0,10%. Бериллия до 10 г/т, а в фосфоритах из кор выветривания – до сотен граммов на тонну. В составе сульфидов, в окислах железа и в «рассеянном» виде встречаются также в повышенных количествах Zn, Cu, Se, V, Pb и др.

Структурная классификация фосфоритов
(В.Т. Фролов, 1993)

А. ПЕЛИТОМОРФНЫЕ

1. Биоморфные: радиоляриевые, фораминиферовые (?), водорослевые.
2. Абиоморфные:
   1. Бесструктурные аморфные.
   2. Микрозернистые:
      1. 1) микросфероагрегатные:
         1. а) микропеллетовые,
         2. б) микрооолитовые,
         3. в) микросферолитовые и др.;
      2. 2) микрообломочные — алевритовые.

Б. ФАНЕРОМЕРНЫЕ (ЯСНОЗЕРНИСТЫЕ)

1. Биоморфные:
   1. Ракушняковые:
      1. 1) брахиоподовые (оболовые и др.);
      2. 2) аммонитовые;
      3. 3) пелециподовые;
      4. 4) смешанные моллюсковые.
   2. Губковые.
   3. Строматолитовые.
   4. Костяные брекчии.
2. Абиоморфные:
   1. Сфероагрегатные:
      1. 1) оолитовые,
      2. 2) пеллетовые (копролитовые),
      3. 3) сферолитовые,
      4. 4) конкреционные,
      5. 5) желваковые.
   2. Обломочные:
      1. 1) грубообломочные (псефитовые):
         1. а) брекчиевые,
         2. б) конглобрекчиевые;
         3. в) конгломератовые;
      2. 2) крупнообломочные:
         1. а) дресвяные,
         2. б) гравийно-дресвяные,
         3. в) гравийные;
      3. 3) среднеобломочные (псаммитовые) – песчаные,
      4. 4) смешанные, несортированные.

Классификация фосфоритов по примесям
(В.Т. Фролов, 1993)

1. A. Чистые (примесей <5% или <10%).
2. Б. Кремнистые (примесей 5—20%) и сильнокремнистые (кремневые, 20—40%).
3. B. Карбонатные: известковистые и известковые; доломистые и доломитовые.
4. Г. Глинистые и сильноглинистые.
5. Д. Песчаные: глауконитовые, кварц-глауконитовые и кварцевые.
6. Е. Углеродистые.

Классификация фосфоритов по форме залегания
(В.Т. Фролов, 1993)

1. A. Рассеянно-зернистые: оолитовые, конкреционные, желваковые, обломочно-зернистые.
2. Б. Линзовидные, жильные, гнездовые, крупножелваковые.
3. B. Пластовые: пелитоморфные, зернистые, конкреционные, желваковые, крупно-грубообломочные, биоморфные.

Петротипы и литотипы
(В.Т. Фролов, 1993)

Фосфориты петрографически очень разнообразны. Цвет чистых фосфоритов белый, но чаще черный, темно-серый или коричневый, обусловленный примесью ОВ. Текстура чаще всего неслоистая. Структура – основной признак, по которому выделяются петро- и литотипы фосфоритов.

1. Ф1. Фосфориты белые и светло-серые пелитоморфные однородные, неотличимые внешне от мела, опок, каолина, чистые по составу, слабой крепости или крепкие, фарфоровидные, с раковистым изломом, коллофановые, курскитовые или франколитовые, в верхнем мелу Русской платформы.
2. Ф2. Фосфориты светло-серые и буроватые пелитоморфные и тонкозернистые, четко тонкослоистые, часто плитчатые, по структуре алевритовые обломочные, по составу – коллофановые и курскитовые, содержат микропрослойки известняка и доломита, следы радиолярий, спикул губок и обломки раковин. Широко распространены от рифея до современности.
3. Ф3. Фосфориты зернистые, песчаной структуры, темно-серые, черные, бурые, серые и светло-серые, красные, желтые и зеленовато-серые, обычно из округлых, часто окатанных зерен – оолитов, копролитов, обломков, коллофановые, курскитовые и фторапатитовые, К этому литотипу относится большинство зернистых фосфоритов венда—кембрия, перми, юры, мела и палеогена.
4. Ф4. Фосфориты конкреционные подольского типа V-(Є?), залегают в глинах и алевролитах. Конкреции сферические, радиально-лучистые, диаметром 5—15 см, а также мелкие (2—5 см), с центральной полостью, занятой каолинитом, кальцитом, гипсом и сульфидами железа, свинца, цинка, часто с крупными (до 2 см) кристаллами галенита, сфалерита.
5. Ф5. Фосфориты конкреционные, сгруженные в виде маломощных (<1 м) конгломератов с песчаным кварцево-глауконитовым заполнителем. Залегают в основании мелового разреза вблизи мест выхода коренных вендских глин и алевролитов, из которых они были вымыты и накоплены. Конкреции-гальки аналогичны вендским.

   

6. Ф6. Фосфориты желваковые темно-серые, темно-коричневые и черные, несортированные или плохо сортированные, рыхлые и крепкие, превращенные в панцири-плиты, с песчаным заполнителем. Мощность 0,1—0,5 м, редко до 1—2 м. Примеры – многочисленные фосфориты мела Русской платформы, Кавказа, Крыма.
7. Ф7. Фосфориты черные песчано-алеврито-глинистые, неоднородные, неслоистые, несортированные, коллофановые, с курскитом, карбонатапатитом, переполненные раковинами аммонитов, двустворок, рострами белемнитов, мощностью свыше 1—2 м. Пример – верхневолжские подмосковные фосфориты.
8. Ф8. Фосфориты обломочные светло-серые и серые, иногда темно-серые, с дресвяно-песчаной структурой, несортированные или плохо сортированные, неслоистые, нередко с большой примесью кварца, глауконита, обломки белые, землистые, пелитоморфные (аналогичные Ф1), мощностью до 1—2 м и больше. Часты в верхнем мелу и палеогене Сирии, Египта и других стран Африки.
9. Ф9. Фосфориты ракушняковые – брахиоподовые створковые, сложенные мелкими (0,5—2 см) тонкостенными черными створками беззамковых фосфатных брахиопод-оболид, с обильным заполнителем – кварцевым песком. Встречаются в нижнем ордовике Прибалтики и Сибирской платформы.
10. Ф10. Фосфориты губковые светло- и темно-коричневые, с песчаным глауконито-кварцевым, известковым, меловым или алеврито-глинистым заполнителем, с фосфатизированными ядрами моллюсков, костями рыб и других позвоночных (ихтиозавров, китов), копролитами и отолитами. Распространены в верхнемеловых карбонатных отложениях Русской плиты.
11. Ф11. Костяные брекчии коричневые, сложенные костными остатками рыб, морских млекопитающих, ихтиозавров и других животных, гидроксил- и карбонатапатитовые, с песчаным, глинистым или известковым заполнителем. Распространены в Египте, Мали, Франции и других странах, преимущественно в мелу и палеогене.
12. Ф12. Фосфориты типа «гуано» – светло- и коричневато-серые и темно-коричневые, коллофановые и гидроксилапатитовые, неслоистые, пелитоморфные и зернистые, копролитовые с экскрементами наземных животных, главным образом птиц. Образуют гнезда, линзы и пласты мощностью до нескольких метров в известняках. На о. Науру, о. Рождества, в Чили имеют большое промышленное значение.
13. Ф13. Фосфориты метасоматические по известнякам, светло­серые и бурые, землистые, неслоистые, часто с реликтами структур и текстур замещаемых известняков. Форма тел гнездовая, неправильно линзовидная. Образуются при наземном выветривании, например при карстовом процессе, и сопровождают фосфориты гуано.
14. Ф14. Алюмофосфориты зеленоватые землистые, возникающие при выветривании и поверхностном метасоматозе, неслоистые, гнездовые, мощностью до многих метров. Крупное месторождение их в Сенегале – Палло. Разрабатываются на удобрения и уран в крупном Флоридском бассейне.

Геологическое положение

Фосфориты весьма характерны для платформенных карбонатных и кварц-глауконитовых формаций. Все фосфориты залегают в наиболее маломощных платформенных формациях. Обычно фосфориты залегают в виде единичного пласта или серии из двух-трех пластов неравной мощности.

В наиболее богатых фосфоритовых формациях пластов свыше 10. Например, в пермской формации Фосфория (США) свыше 20 промышленных фосфоритовых пластов суммарной мощностью 22 м. Площадь формации Фосфория свыше 225650 км².
В одном из крупнейших тунисских месторождений – Гафса – насчитывается 9 пластов общей мощностью свыше 30—40 м. Площадь богатой фосфоритовой фации свыше 7000 км².

Практически все средние и богатые месторождения фосфоритов ассоциируются с эвапоритовыми или другими аридными формациями. Гумидные формации заключают малые месторождения и в основном бедные желваковые фосфориты. В истории Земли образование фосфоритов отчетливо коррелируется с развитием жизни.

Происхождение фосфоритов

Фосфаты составляют лишь небольшую часть осадочных пород, причем среднее содержание P₂O₅ в них равно всего 0,15%.

Наиболее благоприятные условия для осаждения фосфатов существуют на неглубоких континентальных шельфах, а также на океанских плато, где происходит подъем глубинных океанских вод. Фосфат осаждается в виде фторапатита или как продукт замещения СаСО₃ в результате увеличения по направлению к берегу температуры, рН и солености.

Первый этап от 90-х гг. XIX в. до начала 30-х гг. XX в. – господство гипотезы о биогенном происхождении фосфоритов.
Второй этап решения проблемы фосфатогенеза наступил в 30-х гг. XX в. А.В. Казаков отверг биогенную гипотезу, заменив ее хемогенной. Суть гипотезы А.В. Казакова: пассаты отгоняют от материков поверхностные океанские воды и вызывают компенсационные потоки глубинных вод вверх по континентальному склону на шельф (апвеллинг).

Г.И. Бушинский и Г.Н. Батурин вновь указали на роль фитопланктона как концентратора фосфора.
Г.Н. Батурин: «фосфориты не выпадают сразу же из воды на дно, а как бы «дозревают» в иловых водах внутри осадка на стадии диагенеза»

Во многих фосфоритах существенную роль играют черные халцедоновые породы, тоже содержащие органику. Там фосфатом замещаются кремневые остатки организмов, в частности губки.

Сам по себе биос, его отмершие остатки, их ОВ служат своего рода катализаторами и активизаторами осаждения фосфата из насыщенных им придонных вод.
Для генерации фосфатных руд необходим комплекс благоприятных условий:

• наличие мелководного шельфа на границе с литоралью, с широким развитием карбонатных осадков;
• тектоническая стабильность и равнинность соседней суши;
• режим морской трансгрессии;
• тепловодность;
• замедленные темпы седиментации;
• последующее обогащение в условиях активной гидродинамики.

Фосфатонакопление – очень сложный комплекс биохимических процессов и благоприятствующих им геологических условий. Они не всегда совпадают. В геологической истории Земли известно немного эпох фосфоритообразования.
По данным А.С.Соколова, современное распределение учтенных мировых запасов фосфоритов таково:

1. 26% в венд-кембрии,
2. 40% – в мел-палеогене;
3. 14,6% – в неогене,
4. 13% – в перми.

Фосфоритоносные бассейны рассредоточены по земному шару.
В венд-кембрийское время их было 10:

1. два – в Южной Америке,
2. один – в Африке (Верхняя Вольта),
3. один – на юге Казахстана (Каратау);
4. Предгималайский,
5. Алтае-Саянский,
6. Удско-Селенджинский;
7. Окино-Хубсугульский в Монголии,
8. Янцзынский и Лаокайский в КНР
9. и Дорджина в Австралии.

Практическое применение

Практическое значение фосфоритов огромно – это необходимые удобрения. Основными фосфоритдобывающими странами являются Марокко, Алжир, Тунис, США, Россия, Казахстан, Узбекистан, Египет, Австралия, Науру, Китай, Монголия. Мировые запасы фосфатов оцениваются в 65 миллионов тонн.

Фосфориты идут на производство фосфорной кислоты и элементарного фосфора. Фосфориты – концентраторы редких и рассеянных элементов (ванадия, урана и др.), и они могут добываться из них.

Выводы

1. Фосфоритами называют породы, больше чем на 50% сложенные фосфатными минералами.
2. Большинство фосфоритов имеют смешанный состав.
3. По структурным признакам выделяются 14 литотипов фосфоритов.
4. Все фосфориты залегают в наиболее маломощных платформенных формациях.
5. Богатые месторождения фосфоритов ассоциируются с эвапоритовыми или другими аридными формациями.
6. В образовании фосфоритов важнейшую роль играют апвеллинги.
7. Фосфатонакопление – очень сложный комплекс биохимических процессов и благоприятствующих им геологических условий.
8. Практическое значение фосфоритов огромно – это необходимые удобрения.