Классификация фосфатных пород

Минеральный состав. Породообразующими минералами являются гидроксилапатит – Ca₅[PO₄]₃(OH,F), карбонатапатит – Ca₁₀[PO₄]₆CO₃, даллит (подолит), курскит, штаффелит (франколит), коллофанит (аморфные фосфаты), кальцит, магнезит, сидерит, анкерит, кварц, халцедон, опал. Фосфатные минералы присутствуют в породе в виде основной части минерального вещества, в составе цемента или конкреций. В разрезах четвертичных болотных осадков встречаются прослои вивианитового состава, имеющие землистое строение.

В свежем состоянии вивианит отличается светло-серой окраской, однако при выветривании становится синим.

Второстепенными минералами являются глауконит, сульфиды (пирит, марказит, халькопирит и др.), органическое вещество, глинистые минералы и др.

Химический состав. В наиболее богатых рудах содержание Р₂О₅ может достигать 40%. Однако пятиокись фосфора и окись кальция (химическая основа фосфатных минералов) далеко не всегда являются преобладающими компонентами фосфатных пород. Часто преобладает кремнезем (в обломочных породах с фосфатным цементом), в заметном количестве присутствуют оксиды железа, глинозем. Обычно пластовые фосфориты содержат больше фосфора, чем желваково-конкреционные. Характерными элементами-примесями в фосфатных породах являются редкие земли и торий, особенно в костяных брекчиях (табл. 15).

Таблица 15

Химический состав фосфатных пород, мас.%

Примечания: 1 – Подолия, кембрий; 2 – Костромская область, верхняя юра; 3 – Волгоградская область, нижний мел; 4 – Воронежская область, верхний мел; 5 – г. Брянск, кварцево-песчанистые; 6 – р. Вятка, глауконито-глинистые; 7 – Каратау, кембрий; 8 – Приуралье, нижняя пермь; 9 – Саратовская область, верхний мел; *сульфидное железо (пирит), ** нерастворимый остаток.

Текстура. Обычно встречаются слоистые, конкреционные, желваковые, массивные, брекчиевидные текстуры.

Структура. Распространены оолитовые, псевдоолитовые, сферолитовые, органогенные, реликтово-органогенные, обломочные, зернистые структуры.

Диагностические признаки. Окраска фосфатных пород весьма разнообразна: белая, серая, темно-серая до черной, зеленовато-серая, буровато-серая. Нередко фосфатные минералы слагают только цемент породы, по основному составу это может быть конгломерат, гравелит, кварцевый или глауконитовый песчаник. Фосфатные породы отличаются средней плотностью, матовым блеском. Характерной качественной реакцией на фосфор является использование молибденовокислого аммония и концентрированной азотной кислоты. В результате на породе появляется ярко-желтый осадок.

Основные типы пород. Наиболее распространенным типом осадочных фосфатных пород на Земле являются фосфориты. Среди них можно выделить два основных вида: пластовые и желваково-конкреционные.

Пластовые фосфориты образуются в морских обстановках. Они залегают в виде пластов мощностью от нескольких сантиметров до 15-17 м. По окраске (темные тона) и характеру залегания напоминают кремни, яшмы и песчаники. В составе пород присутствует аморфное вещество фосфатного состава в виде комочков размером от сотых до десятых долей миллиметра. В целом эти комочки имеют псевдоолитовое строение и сцементированы аморфным фосфатом в монолитную породу. Особенностью их минерального состава является почти полное отсутствие глауконита и небольшая примесь обломочного материала. В химическом составе нередко отмечается присутствие урана.

Желваково-конкреционные фосфориты залегают среди песчано-глинистых или карбонатных толщ на платформах. Макроскопически представляют собой скопления изолированных или сросшихся конкреций (желваков), часто формирующих линзы типа ноздреватых плит. Желваки имеют матовую, шероховатую или бугорчатую поверхность. Переотложенные конкреции нередко шарообразной формы с гладкой полированной поверхностью. Размеры конкреций обычно несколько сантиметров, реже до 20 см. Иногда песчанистые желваки снаружи имеют характерные углубления. В центре желваков присутствуют различные инородные образования – кости, кусочки древесины, псевдоморфозы по органическим остаткам (раковинам, губкам и др.), кристаллы сфалерита, галенита и т.д.

Окраска этих фосфоритов определяется примесями. В частности, при наличии значительного количества органического вещества они имеют буроватую или зеленовато-черную окраску, часто фосфориты светлоокрашены. По минеральному составу данные фосфориты подразделяются на кварцево-песчаные, кварцево-алевритовые и глауконито-песчаные. По внутреннему строению различают радиально-лучистые и желвакообразные.

Достаточно часто встречаются ракушечниковые фосфориты, которые по морфологии напоминают известняки – ракушечники, но отличаются от них не только минеральным и химическим составом, но и тёмной окраской.

Пример описания

Фосфорит желваковый, окрашен в тёмно-серый цвет с буровато-коричневым оттенком, имеет форму неправильного стяжения и представлен мелкозернистым песчаником с отпечатками брахиопод, поверхность отпечатков гладкая. Порошок молибденовокислого аммония на поверхности образца окрашивается в ярко-жёлтый цвет при воздействии на него разбавленной азотной кислотой, что указывает на присутствие оксида фосфора.

Для континентальных обстановок (в частности, пещер) типичны костяные брекчии. Это пористые породы желтовато-серого, буровато-желтого цвета, довольно пористые и посему имеющие малую объемную массу. Основной составной частью в них являются позвонки рыб, кости других частей организмов, сцементированные карбонатным, песчано-глинистым или фосфатным же веществом цемента. При этом кости в минеральном отношении представлены гидроксилапатитом. Костяные брекчии обычно залегают в разрезах в виде сравнительно маломощных прослоев или линз в толщах обломочных или карбонатных пород.

Гуано представляет собой сложную смесь фосфатов, нитратов и карбонатов с различными органическими соединениями. Залежи гуано образуются на скалистых островах, часто посещаемых морскими птицами, причём наибольшие скопления обнаружены в зонах с постоянными сухими ветрами (Вест-Индия и острова восточной части Тихого океана). В процессе диагенетических изменений, включающих потерю растворимых, летучих и окисляющихся веществ и концентрацию трифосфата кальция, выщелачивающиеся растворимые фосфаты переносятся вниз и постепенно замещают подстилающие осадочные породы.

Генезис. Высказано несколько гипотез, объясняющих происхождение фосфоритов. Биогенная гипотеза Меррея, Кайе, Архангельского исходит из положения о том, что фосфориты образовались в морских водоемах в результате гибели и разложения организмов. Фосфор переходил в раствор и позднее выпадал в осадок химическим путем в виде фосфатных минералов. Основанием для такого заключения является обилие фосфоритов в местах массовой гибели организмов, в частности при встрече теплых и холодных течений.

Гипотеза Казакова - Бушинского основана на том факте, что поверхностные воды морей и океанов крайне обеднены фосфором. Однако его содержание заметно повышается с глубиной. Одновременно падает температура воды и возрастает давление. В этих условиях осаждения фосфатов не происходит. Однако при подъеме морских вод на шельф (глубина 50-200 м) падение давления обусловливает осаждение сначала карбонатов, а затем фосфатов. Источником фосфора в морской воде считается разложение планктонных организмов.

Однако многие ученые считают, что непосредственное осаждение фосфатных соединений из морской воды невозможно. Они начинают формироваться уже в осадке на этапе раннего диагенеза и выпадают из иловых растворов, где концентрация фосфора в 4-5 раз выше, чем в морской воде. Далее, на этапе позднего диагенеза, в процессе старения коллоидов непосредственно формируется фосфатная порода. Такие фосфориты образовались в результате роста конкреций в морских осадках, причем обломочные частицы и глауконит цементировались курскитом или подолитом в результате стяжения вещества вокруг центров роста. Глубины, на которых происходит образование фосфоритов, достигают 100 м, но наиболее интенсивный рост конкреций относится к глубинам 50-80 м. Зона фосфоритообразования протягивается вдоль морского берега, причем изолинии повышенного содержания фосфатов ориентированы почти параллельно береговой линии.

Иногда месторождения фосфоритов возникают в процессе выветривания за счет накопления фосфатов при выщелачивании фосфорсодержащих известняков. Инфильтрационные залежи формируются в результате миграции растворенных фосфатов из вышележащих осадочных толщ и замещения ими других пород (обычно известняков). Изредка образуются залежи вторичных фосфоритов, представляющие собой скопления конкреций, перенесенных водным потоком от места размыва более древних фосфоритов.

Месторождения. Наиболее крупные месторождения пластовых фосфоритов известны в кембрии Каратау (Казахстан), в пермских отложениях Скалистых гор (США), в мелу и палеогене Северной Африки. Конкреционные фосфориты встречаются значительно чаще. Они известны в Подолии, Донбассе, в Вятско-Камском бассейне, Днепровско-Донецкой впадине, Поволжье, Актюбинской области и т.д.

Применение. Фосфориты используются, прежде всего, для производства высококачественных удобрений. Хорошим удобрением является фосфоритовая мука, получаемая путем дробления и размола фосфоритов. Основным критерием качества фосфоритов при этом служит содержание Р₂О₅, которое должно превышать 8%. Другим видом удобрений является суперфосфат, который получают в процессе разложения фосфатов серной кислотой (содержание Р₂О₅ не ниже 28%). Частично они применяются в химической промышленности при получении фосфорной кислоты и элементарного фосфора, а также в металлургии.

Вопросы для самопроверки

1. Какие породы считаются фосфатными?

2. Каковы принципы классификации фосфоритов и их вещественный состав?

3. Перечислите структурно-текстурные признаки фосфоритов.

4. Назовите основные генотипы фосфоритов.

5. Что Вам известно о происхождении фосфоритов?

6. Какова область применения фосфоритов?