Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

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=""><>
  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="">
    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.

Геохимические закономерности распределения Р2O5 в гидросфере и земной коре (по В.Н. Холодову, 1996). 1 – гидросфера; 2 – стратисфера; 3 – залежи фосфоритов; 4 – гранитно-метаморфическая оболочка; 5 – базальтовая оболочка; 6 – мантия. Содержание Р2O5 (%): в стратисфере – 0,14; в гранитно-метаморфической оболочке – 0,87; в базальтовой оболочке – 0,15, в том числе в габбро – 0,24; в периодитах – 0,05; в щелочных периодитах – 0,38.

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).

Схема химического осаждения фосфата кальция в результате подъема глубинных вод (апвеллинга) на шельф (по А.В. Казакову, 1937)

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. 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.

    Вопросы для самопроверки

    1. Каковы главные фосфатные минералы фосфоритов?
    2. Как различают фосфориты по примесям?
    3. Каковы формы залегания фосфоритов?
    4. Какие условия благоприятствуют накоплению фосфоритов?
    5. Где располагаются наиболее крупные залежи фосфоритов?
    6. Каково практическое применение фосфоритов?