Фосфорит Фосфатные породы

Минеральный и химический состав

К фосфоритам относятся обычно породы, содержащие 12—40% Р₂О₅; иногда значительный практический интерес представляют и породы с содержанием Р₂О₅ в количестве всего 5—6%. Главную роль в них, по Г. И. Бушминскому, играют высокодисперсные минералы группы апатита. Сюда относятся: фторапатит Са₅ (PO₄)₃F, карбонатапатит, франколит Са₁₀(РO₄)₆•[F₂(ОН)₂•(CO₃)•О] и курскит Са₈(РO₄)₄ • (СаO₃)F₂. Эти минералы наряду с гидроксилапатитом Ca₅(РO₄)₃ОН, слагающим кости животных, наиболее широко распространены в обычных желвакообразных формах. В конкреционных фосфоритах радиально-лучистого строения присутствует подолит Са₁₀(РO₄)₆(СО₃), а в пластовых  — франколит и фторапатит.

Гидроксилапатит со временем превращается в апатит, на этом основан фторовый метод определения возраста костей из четвертичных отложений.

Качественное определение фосфора проще всего производить одним из следующих способов.

Фосфатные минералы присутствуют в породе или в виде конкреций и цемента, скрепляющего обломочные зерна кварца, глауконита и других минералов, или слагают почти всю породу. В последнем случае содержание фосфорнокислого кальция составляет до 95% от веса всей породы. Одновременно с этим изменяется и общий характер фосфоритовых залежей.

В первом случае они залегают в виде конкреционных желваков, иногда сливающихся между собой и образующих фосфоритовую плиту. Подобные залежи характерны для платформенных областей. Во втором случае залегают в виде выдержанных однородных пластов, встречающихся главным образом в геосинклинальных областях.

Среди четвертичных болотных отложений встречаются вивианиты в виде землистых скоплений. Свежий вивианит имеет светло-серую окраску. При выветривании становится синим.

Химического состав конкреционных и пластовых фосфатных образований колеблется в широких пределах. Обычно их пластовые разновидности характеризуются значительно большим содержанием фосфора, чем желваковые.

Главные типы Фосфатных пород

Среди фосфатных отложений наиболее широко распространены морские фосфориты конкреционного и пластового типа.

Конкреционные

Конкреционные фосфориты залегают в песчано-глинистых или карбонатных породах. Макроскопически представляют скопление обособленных или частично слившихся между собой конкреций, иногда образующих ноздреватую плиту. Нередко наблюдаются переотложенные конкреции, иногда прекрасно окатанные, с гладкой полированной поверхностью. Подобной же как бы лакированной верхней поверхностью характеризуется иногда и фосфоритовая плита, образованная за счет слияния конкреций. Поверхность желваков может быть матовая, шероховатая или бугорчатая. Поперечник их обычно равен нескольким сантиметрам, значительно реже 10—20 см. Некоторые песчанистые желваки имеют снаружи углубления, напоминающие следы действия сверлящих организмов. Иногда в центре желваков присутствуют кристаллы сульфидов цинка и свинца.

Фосфат кальция имеет белый цвет. Фосфориты же благодаря наличию примеси, главным образом органического вещества, окрашены от светло-желтого, буроватого или зеленоватого цвета до черного. Наиболее часто наблюдаются буровато-серые или темно-бурые тона, в особенности среди песчано-глинистых пород. В меловых породах Фосфатные образования часто характеризуются светлой окраской.

Среди конкреционных фосфоритов по внутреннему строению выделяют радиально-лучистые и желвакообразные; последние встречаются значительно чаще.

В желваковых конкрециях часто встречаются куски костей и фосфатизированной древесины, псевдоморфозы по некоторым органическим остаткам (раковины гастропод, некоторых пелеципод и кремнистых губок). Иногда присутствуют также фосфатизированные копролиты. Часто наблюдается замещение фосфатами известкового вещества окружающей породы. Это замещение начинается с наиболее мелких зерен и постепенно распространяется на более крупные частицы, в частности на органические остатки.

Пластовые

По внешнему виду пластовые фосфориты менее типичны и похожи на известняки, песчаники и некоторые разновидности кремнистых пород. Поэтому для определения их требуется химическое и микроскопическое исследование. Среди пластовых пород встречаются белые, очень мелкозернистые, иногда мягкие, реже — плотно сцементированные с раковистым изломом разновидности, иногда почти не отличимые по внешнему виду от мела, мергелей и светлых опок (Вольские фосфориты).

Артинские фосфориты Урала очень тонкослоисты. Темно-серые фосфатные слойки чередуются у них с более светлым карбонатным материалом

Кембрийские фосфориты Кара-Тау плотны, окрашены большей частью в темно-серый, почти черный цвет; иногда в них велика примесь доломита и кремнистых минералов. Часто наблюдается оолитовая структура. Состоящие из крупных оолитов, отслаивающиеся оболочки которых отливают перламутровым блеском, напоминают породы, богатые мелкими раковинами; иногда при ударе издают битуминозный запах.

Эоценовые каратагские фосфориты Таджикистана представляют собой породы стально-серого цвета, которые при выветривании становятся ржаво-бурыми. Они переслаиваются с карбонатными и кремнисто-глинистыми породами и состоят из мелких зерен фосфатов, погруженных в карбонатно-глинистый цемент. Подобные же зернистые образования известны и из эоценовых отложений Восточной Ферганы.

Геосинклинальные фосфориты, в отличие от платформенных, почти не содержат глауконита и примеси обломочных зерен.

Происхождение фосфоритов

Фосфоритовые породы образуются при выветривании более древних фосфоритовых пород, при эпигенетической инфильтрации фосфатов в другие породы и в особенности путем отложения осадков, богатых фосфором, на дне моря или на поверхности суши.

Месторождения их возникают во время выветривания за счет накопления фосфатов при выщелачивании фосфоритовых известняков или скоплений галек, образованных при размыве более древних фосфоритов.

Инфильтрационные месторождения образуются за счет проникновения растворенных фосфатов из вышележащих осадочных толщ и замещения ими других пород, обычно известняков. Таким образом возникли залежи фосфорсодержаших пород в коралловых известняках, под скоплениями гуано, и некоторые крупные месторождения.фосфоритов в древних осадочных породах.

Значительно шире распространены фосфориты, образованные при отложении осадков. Они редко возникают в континентальных условиях (залежи гуано, костяные брекчии) и представляют собой в большинстве случаев типично морские отложения. Они накапливаются главным образом в илистых осадках за счет химически выпавших из морской воды солей фосфора.

Конкреционные морские фосфаты возникают в еще не затвердевшем илу, благодаря стяжению соединений фосфора вокруг некоторых центров. Поэтому в желваках фосфоритов сохраняются недеформированные органические остатки, сильно сплюснутые в остальной породе, из-за уменьшения ее объема во время эпигенеза. Древесина иногда фосфатизируются до начала обугливания, т. е. вскоре после ее отложения. Реже морские образуются за счет скопления фосфатных органических остатков (например, оболовые фосфориты Эстонии).

Морские фосфориты возникают, по-видимому, только в воде с нормально соленостью, отсутствуя в отложениях лагун или пресноводных континентальных бассейнов.

Для платформенных фосфоритовых отложений наиболее характерны остатки пелеципод, кремневых губок, брахиопод и гастропод. Отсутствуют кораллы, жизнь которых в данном участке морского дна была невозможна благодаря обилию песчано-глинистой взвеси. Геосинклинальные характеризуются почти полным отсутствием остатков донных организмов.

Анализ петрографических и фаунистических особенностей указывает, на их формирование на глубинах около 100 ± 50 м. Отложение фосфатов здесь ассоциируется с накоплением тонкодисперсных химически выпавших карбонатов (доломита в древних и кальцита в молодых фосфоритах), а иногда и коллоидной кремнекислоты.

Фосфоритовые отложения, согласно А. В. Казакову, образуются ование следующим путем. После отмирания пелагических планктонных форм их остатки опускаются сквозь толщу океанической воды, и содержащийся в них фосфор переходит в раствор. Этому способствует также значительное количество растворенной углекислоты. При подъеме богатых углекислотой глубинных океанических вод в область шельфа происходит уменьшение содержания углекислоты. Благодаря этому выпадает на дно и некоторое количество фосфорнокислых солей, растворимость которых всецело определяется количеством растворенной углекислоты. Концентрация фосфора в образовавшихся осадках при прочих равных условиях определяется шириной шельфа: чем шире шельф, тем на большую площадь морского дна распределяются выпадающие из воды фосфаты и тем, следовательно, менее богаты фосфором донные отложения. Наоборот, на узком шельфе создаются условия для значительной концентрации солей фосфора, что и ведет к образованию фосфоритовых оолитов и пластовых залежей.

Ширина шельфа может быть различна. В геосинклинальных районах, в связи с сильной расчлененностью рельефа, ширина шельфа обычно ничтожна. Кроме того, шельфы геосинклинальных бассейнов полностью открыты для доступа глубинных океанических вод. Совокупность указанных причин и объясняет образование богатых фосфором отложений именно в этих районах. В платформенных районах ширина шельфа обычно очень значительна, в результате чего на них образуются бедные залежи.

Различие физико-географической обстановки образования фосфатных отложений в геосинклиналях и на платформах обусловливает разнообразие пород, ассоциирующихся с фосфоритами. Если в платформенных областях они приурочены к песчано-глинистым породам, трансгрессивно залегающим на более древних породах, то в геосинклинальных районах они ассоциируются обычно с карбонатными и кремнистыми отложениями.

Связь между образованием фосфоритов и трансгрессиями морей объясняется, по мнению А. В. Казакова, тем, что в эпохи трансгрессий создаются предпосылки для перемещения на шельф глубинных океанических вод, насыщенных фосфорнокислыми солями. Однако изложенная точка зрения на происхождение фосфоритов —не единственная. Несомненно, некоторую роль играют дующие с суши ветры. Они сгоняют поверхностную воду и обеспечивают подъем глубинных вод к шельфу.

Г. И. Бушинский отмечает, что теории Казакова противоречат малая, далекая от насыщения концентрация растворенных фосфатов в современной морской воде, отсутствие доломитов на шельфах океанов. Бушинский считает, что выпадение фосфатов в осадке происходит из иловой воды. Свои выводы он обосновывает тем, что концентрация растворенных фосфатов в морской воде равна 150—200 мг/м³, а в иловых растворах превышает 1000 мг/м³ воды.

Платформенные желвакообразные фосфориты, по-видимому, чаще возникали за счет фосфатов, принесенных с суши, а не из океана. Об этом свидетельствует их залегание непосредственно выше поверхностей размыва. Во время трансгрессий с прилежащей суши сносится много коллоидно-химических соединений, из которых в базальных горизонтах трансгрессивно лежащих толщ возникают скопления бокситов, железных и марганцовых руд, а возможно, и фосфоритов. Так, Б. М. Гиммельфарб указывает, что фосфатные породы нижней юры Северного Кавказа тесно связаны с сидеритами, а фосфориты нижнепалеозойских отложений в одном из районов переслаиваются с бокситоносными толщами. Часто они связаны с соединениями железа и марганца, а также, с ураново-ванадиевыми рудами (Северная Африка и Западные штаты США).

Геологическое распространение и месторождения фосфоритов

Фосфориты или Фосфатные породы встречаются в отложениях самого разного возраста, начиная с докембрия. К среднекембрийским породам приурочено крупное месторождение геосинклинального типа в Кара-Тау (Средняя Азия). В нижнем силуре формировались фосфориты Подолии, Прибалтики и востока Сибири, в нижнем карбоне — фосфориты Закавказья. В артинское время в Западном Приуралье образовались маломощные залежи геосинклинальной формации. Геосинклинальные образования широко распространены в пермских отложениях США (Скалистые Горы).

Юрские, меловые и в меньшей степени палеогеновые отложения европейской части России содержат в себе горизонты желвакообразных и отчасти пластовых (Вольск) фосфоритов. Большие месторождения фосфоритов известны в верхнемеловых и палеогеновых отложениях Северной Африки, которые относились ранее к геосинклинальным, однако Н. С. Шатский (1955) установил их платформенное происхождение. Древние образования часто приурочены к кремнисто-доломитовым толщам и ассоциируются с железными рудами.

Наиболее крупными эпохами фосфоритообразования являлись кембрийский, пермский и третичный периоды. Общая интенсивность процесса возрастала по мере перехода от древних к молодым отложениям.

Применение фосфоритов

Добыча фосфоритов идет открытым способом.

Большая часть их используется для производства минеральных удобрений, а также для получения фосфорной кислоты и элементарного фосфора. Хорошим удобрением является фосфоритовая мука, получаемая путем дробления и размола. Другой вид удобрений — суперфосфат — получается в результате разложения фосфатов серной кислотой.

Основным мерилом их качества  является содержание Р₂О₅, которое для изготовления фосфоритовой муки должно быть не менее 8%.

В фосфоритах, используемых для изготовления суперфосфата, содержание Р₂О₅ должно быть не ниже 28%. Желваковые образования пригодны при их обогащении путем промывки и грохочения. Вредными примесями являются соединения железа, алюминия и магния, так как они затрудняют получение рассыпчатого суперфосфата. В незначительном количестве они используются в металлургии.