Биохимические месторождения

К биохимическим относятся месторождения фосфоритов, кремнистых, карбонатных пород, сапропеля, торфа, лигнита, каменного угля и горючих сланцев. Они имеют большое экономическое значение, т. к. являются важнейшими энергетическими источниками, обеспечивают сырьем химическую промышленность и производство фосфорных удобрений. Кроме того, биохимические процессы представляются важными при образовании некоторых осадочных месторождений урана, редких земель, иттрия, скандия, меди, серебра, полиметаллов, платиноидов и ванадия.

Для образования месторождений этого типа определяющее значение имеют климатические, ландшафтные и историко-геологические факторы.

Месторождения фосфоритов

Фосфоритами называются породы с экзогенными концентрациями скрыто- или микрокристаллического апатита. Нижний предел таких концентраций состав составляет 5— 12%, верхний — 35% Р₂0₅. Г. И. Бушинский предложил считать фосфоритами породы с содержанием пятиокиси фосфора более 5%, породы, содержащие P₂O_s от 0,5 до 5%, — фосфатсодержащими. А. С. Михайлов предлагает нижний предел принимать в 12% Р₂0₅. Фосфориты могут формироваться в корах выветривания, рассмотренных выше, и осадочным путем. В мировом балансе фосфатного сырья осадочные фосфориты составляют около 80%.

По особенностям состава выделяют три типа осадочных фосфоритовых месторождений: желваковые, ракушечные и зернистые. Последние включают микрозернистые и собственно зернистые разности.

Общие особенности месторождений Характерными чертами геологического строения рассматриваемых месторождений являются: — приуроченность к континентальным осадкам, отложениям древних шельфов и внутриконтинентальных морей, отличавшихся высокой биопродуктивностью и проявлениями глубинных течений; ассоциация фосфоритов с кремнисто-карбонатными, карбонатными, сероцветным терригенными песчано-глинистыми и черносланцевыми формациями;

наличие эпох фосфатонакопления, главными из которых являются венд-кембрийская, пермская и мел-палеогеновая;

связь оруденения с депрессионными зонами, осложненными конседиментационными поднятиями и впадинами;

пластовая форма рудных залежей; седиментационно-обломочные, конкреционные, зернистые, слоистые и биогенные текстуры руд;

повышенные концентрации ряда элементов (уран, стронций, редкие земли, фтор и др.).

Перечисленные особенности имеют свое выражение для каждого их выделенных типов месторождений.

В мире известно более 20 крупных фосфоритоносных бассейнов с запасами пятиокиси фосфора более 100 млн т., которые располагаются в пределах шести фосфоритовых провинций. Характерно положение этих провинций вблизи современных или древних краевых частей континентов. Это связано с мелководно-морским осадконакоплением, отличающимся высокой биологической продуктивностью и привносом растворенных соединений фосфора с континентов или донными океаническими течениями.

Фосфориты могут накапливаться и в континентальных условиях. В этих случаях они представлены: образованиями кор выветривания; аллювиальными скоплениями фосфатизированных остатков ископаемых позвоночных; концентрациями экскрементов летучих мышей и птиц (гуано). В последнем случае они представляют собой возобновляемые источники высококачественных фосфатных удобрений.

Формирование фосфоритов определяется ландшафтными условиями. Так, для желваковых фосфоритов характерна локализация в понижениях дна мелководных частей бассейнов. Зернистые фосфориты локализуются в краевых частях широкого мелководного (глубины до 250 м) шельфа в зонах влияния восходящих глубинных океанических течений. Ракушечные фосфориты формируются в местах массового развития, отмирания и захоронения ископаемых моллюсков или рыб. Последние представляются мелководными лагунами (иловыми впадинами) с сероводородным заражением. Гуано накапливается в пещерах и на островах птичьих базаров. Скопления фосфатизированных костей позвоночных находятся в долинах рек в районах массового развития и захоронения животных.

Фосфор входит в состав белков, органических кислот, липидов, костной ткани и других органических соединений. Он слагает протоплазму фитопланктона, хорошо усваивается животными и накапливается в раковинах плеченогих моллюсков и костной ткани позвоночных. В этой связи закономерно, что во всех случаях современного и древнего фосфатонакопления устанавливается активное участие биоса. Это очевидно для ракушечных и континентальных фосфоритов. В желваковых фосфоритах установлены онколиты, микрофоссилии и копролиты. Микробиальное происхождение зернистых фосфоритов установлено работами российских палеонтологов. Их рассматривают в качестве нитчатых и трубочных образований циано-бактерий.

Фосфориты и вмещающие их фосфатоносные толщи встречаются в разрезах как платформенного чехла, так и складчатых областей. На платформах они связаны: с кварцевыми песками и песчаниками, обогащенными фосфатизированными остатками брахиопод (ракушечниковые фосфориты ордовика северо-запада Русской платформы); песчано-глинистыми содержащими глауконит отложениями (желваковые фосфориты юры и мела центральных частей Русской платформы); глинистыми горизонтами, обогащенными детритом ископаемых рыб и органическим веществом (олигоценовые ракушечные фосфориты восточного Прикаспия). Во всех разрезах фосфатоносные толщи ассоциируют с сероцветными терригенными формациями.

В геосинклинальных толщах встречаются лишь зернистые фосфориты, которые залегают в основании трансгрессивных карбонатных толщ. Они ассоциируют с карбонатными, углисто-глинистыми и кремнистыми породами. Характерны фациальные переходы фосфатоносных отложений в сторону берега в терригенные отложения, в сторону открытого моря — в черносланцевые и кремнистые. Для фосфоритовых месторождений характерна связь с определенными геологическими эпохами и эволюционная смена типов фосфоритов. Более 80% фосфоритовых руд сосредоточено в отложениях трех эпох: венд-кембрийской, пермской и поздний мел-палеогеновой. Существенные запасы отмечаются в неогеновых и ордовикских толщах.

Эволюция фосфатонакопления выражается в смене в геологическом времени микрозернистых фосфоритов зернистыми, затем ракушняковыми и, наконец, желваковыми, что установлено Н. А. Красильниковой и А. Л. Яншиным.

Следует отметить две палеотектонические особенности, обусловливающие формирование руд. Во-первых, необходимо проявление конседиментационных осложнений таких бассейнов в виде пологих поднятий и впадин. Именно во впадинах происходит преимущественная седиментация фосфатов, интенсивно перемываемых на палеоподнятиях. Во-вторых, необходим определенный режим конседиментационных опусканий. Это должны быть стабильные замедленные движения, во время которых биогенная седиментация не нарушается терригенной или хемогенной.

Залежи фосфоритов имеют пластовую и пластообразную форму и значительую площадь. Так область зернистых фосфоритов западно-казахстанской Каратауской провинции протягивается на 100 км при ширине 40 — 50 км. Фосфоритовые тела этих месторождений имеют крутое падение, протягиваются на многие километры и включают различные сорта и минеральные типы. Залежи желваковых и ракушняковых фосфоритов имеют мощности от дециметров до первых метров и прослеживаются на первые километры. Они залегают полого и отрабатываются неглубокими карьерами.

Фосфатное вещество встречается в виде желваков, галек, мелких зерен, оолитов, слойков, конкреционных, цементных и органогенных образований, распространенных внутри песчано-глинистых и карбонатных пород. Для желваковых фосфоритов типична ассоциация с сидеритом, глауконитом и гидроокислами железа. В ракушечных и зернистых фосфоритах характерны скопления тонкодисперсного органического вещества до первых процентов органического углерода.

Микрозернистые фосфориты представлены оолитово-микрозернистыми и афанитовыми образованиями и трудно обогащаются. Зернистые фосфориты часто несут примесь глинистого материала и пирита и обычно легко обогатимы. Ракушняковые фосфориты ордовикского возраста могут иметь примесь кварца, глинистых частиц и редких элементов и также хорошо обогащаются. Желваковые фосфориты обогащены окислами железа, имеют примеси кварца, глин и полезного компонента — глауконита и трудно обогатимы.

Представления о механизмах фосфатонакопления

Главными генетическими вопросами в геологии фосфоритов, по мнению А. С. Соколова, являются: источники фосфора в бассейнах осадконаколления; механизм осаждения и концентрации фосфоритов; причины глобальных эпох и эволюции фосфоритогенеза.

Фосфор в моря и океаны может поступать в результате сноса с континентов и вместе с продуктами вулканизма. По данным Г. Н. Батурина, Ж. Люка и других, в современных бассейнах седиментации основным источником фосфора является континентальный сток.

Основной механизм извлечения фосфора из растворов представляется биогенным. Он, по существу, двухстадийный. Сначала происходит биоассимиляция фосфора микроорганизмами планктона, затем — биоседиментация. Подчиненное значение имеет сорбция и соосаждение фосфора совместно с гидротермальными или терригенными гидроокислами железа. Кристаллизация фосфатов кальция происходит в диагенезе путем осаждения из поровых вод. Здесь также большая роль отводится деятельности микроорганизмов, в частности цианобактерий. Химическому осаждению фосфатов способствует более щелочная реакция среды.

Раньше считалось, что зернистые фосфориты имеют преимущественно хемогенное происхождение, а желваковые и ракушняковые — биогенное. Работами последних лет обосновано также микробиальное происхождение зернистых фосфоритов. При изучении микронных выделений микрозернистых фосфоритов венда, кембрия и перми не оказалось ни одного зерна, которое не имело бы признаков микробиального происхождения. В древних толщах распространены фосфатные образования сообществ цианобактерий и онколито-строматолитовые фосфориты, в пермских — спонголиты. Наибольшее биогенное осаждение фосфатов происходило в мелководных услових зоны сублиторали. Следует иметь в виду, что интенсивное накопление фосфатов цианобактериями происходит при его относительной концентрации (выше 18 мг/л) и постоянном привносе донными течениями.

Одной из причин глобальных эпох фосфоритообразования считают эндогенное поступление фосфора из мантии во время интенсивного рифтогенеза. Тогда глубинные расколы могли достигать примантийных зон, активизировали щелочно-базальтоидный магматизм и фосфорсодержащие эманации в зонах спрединга.