Общая характеристика позднедокембрийских-кембрийских фосфоритов

Фосфору принадлежит особое место в жизни всех организмов как носителю и преобразователю энергии, а также как регулятору физиологических функций. В этом смысле фосфор — уникальный элемент. Известно, что нефть можно заменить каменным углем или расщепляющими материалами, металлы — различными синтетическими материалами, но для фосфора при всех достижениях современной науки и технологии никакой замены не найдено. Все страны нуждаются в фосфорных удобрениях, но далеко не все из них обладают соответствующими сырьевыми ресурсами. Так, на импортируемом фосфатном сырье или готовой продукции живут практически все государства Западной Европы и многие развивающиеся страны. В связи с естественным истощением сельскохозяйственных угодий в результате многолетнего использования и с ростом народонаселения потребность в фосфоре непрерывно растет.

Основным природным видом сырья для производства удобрений являются фосфориты, за счет которых удовлетворяется не менее 90% мировой потребности в фосфоре. Большая часть добычи приходится на верхнемезозойские — кайнозойские месторождения Северной Атлантики и Средиземного моря. Запасы меловых, палеогеновых и неогеновых месторождений во Флориде, Марокко, Мавритании, Испанской Сахаре, Алжире, Иордании и других странах огромны, но постепенно они истощаются. В поисках новых источников фосфора все чаще и чаще обращаются к древним отложениям, особенно в тех странах, где позднемезозойская—кайнозойская эпоха фосфоритонакопления не проявилась.

До недавнего времени древние (позднедокембрийские—кембрийские) фосфориты разрабатывались лишь в двух странах — России и Китае — и древние отложения в целом считались неперспективными в отношении фосфоритоносности. А.Л. Яншин был одним из первых ученых, который, основываясь на тогда еще незначительных проявлениях древних фосфоритов в Сибири, выделил вендско-кембрийскую эпоху фосфатонакопления. За последнее десятилетие древние фосфориты были обнаружены на различных континентах, в частности в Северной Австралии (штат Квинсленд), Западной Африке (Нигерия, Верхняя Вольта, Бенин и др.) и Центральной Азии (МНР). В этих регионах уже разведаны крупнейшие месторождения фосфоритов с запасами, достигающими многих сотен миллионов тонн. Эти открытия позволяют считать древние фосфориты в качестве вполне вероятного источника фосфора не только для тех стран, где они уже давно добываются, но и для ряда других стран. По содержанию фосфора древние фосфориты в целом не уступают широко эксплуатирующимся ныне верхнемезозойским — кайнозойским, но зачастую они более трудно обогатимы по сравнению с последними.

Рассматриваемые в данной статье фосфориты относятся к самым верхам докембрия (венду) и кембрию. Нижний возрастной предел находится на уровне 650—700 млн. лет, т. е. в основании венда или в верхах рифея. Верхний предел, по всей видимости, располагается где-то в середине кембрия (рис. 1). По сравнению с чрезвычайно многочисленными крупными и широко распространенными месторождениями фосфоритов, заключенными в очерченном возрастном интервале, более молодые (палеозойские) отложения вмещают лишь спорадические залежи фосфоритов. Единственным, но, правда, чрезвычайно весомым исключением являются уникальные по масштабу скопления пермских фосфоритов в Скалистых горах США.

Столь же редки фосфориты в более древних рифейских толщах, к числу которых можно отнести проявления в центральных районах европейской части России (район КМА), некоторых районах Сибири, Центральной Австралии (Рам Джангл) и, вероятно, в Раджастане (Индия). Что касается более древних докембрийских отложений — протерозойских и архейских, то нигде в составе их сколько-нибудь крупных скоплений фосфоритов нет. Высокометаморфизованные гнейсовые комплексы фундамента древних платформ зачастую включают серии кальцифиров, к которым бывают приурочены различные апатитсодержащие кристаллические породы с диопсидом, скаполитом, флогопитом, волластонитом. Однако апатитовая минерализация имеет здесь чрезвычайно рассеянный характер и, очевидно, метаморфогенную природу. Таким образом, древнее фосфатонакопление приурочено к самому позднему докембрию — началу кембрия.

Фосфориты рассматриваемой эпохи располагаются на древних платформах или континентах, по большей части в пределах окраин континентов. В одних случаях фосфоритоносные отложения залегают непосредственно в основании чехла древних платформ (Северная Австралия, Западная Африка); в других они отделены от фундамента мощными кластическими толщами (Монголия, Китай).

Степень дислоцированности отложений, вмещающих фосфориты, и самих фосфоритовых пластов определяется, видимо, их удаленностью от края континента. На примере Хубсугульского фосфоритоносного бассейна Северной Монголии, который представляет типичный окраинно-континентальный прогиб, эта зависимость четко выражена в пределах 400-километрового латерального профиля. В западной части профиля дислокации вендско-кембрийских толщ чрезвычайно интенсивные. Здесь наблюдаются сжатые складки, запрокинутые иногда довольно резко в сторону центральной части континента; в этой же зоне фиксируются надвиговые перемещения. Тектоническая нарушенность сохраняется и к востоку, на удалении от края континента; однако она выражается здесь обилием различных сбросов, которые разделяют область развития вендско-кембрийских отложений на отдельные блоки. В пределах этих автономных блоков слои наклонены довольно незначительно, но из-за того, что в данном регионе фосфориты концентрируются в наиболее удаленной от края древнего континента зоне, дислокации их местами бывают довольно слабыми.

Аналогичным образом меняется степень метаморфических преобразований древних фосфоритов. Располагаясь в окраинных частях древних континентов, но, как правило, на значительном удалении от тех зон, где взаимодействие плит континентальной и океанической природы привело к появлению поясов высокого метаморфизма, фосфориты обычно слабо метаморфизованы. В большинстве случаев фосфориты практически не подверглись метаморфическим преобразованиям; в них хорошо сохранились органические остатки, различные первичные структурные и текстурные особенности. Исключение составляет Лаокайский бассейн во Вьетнаме, где породы, вмещающие фосфориты, метаморфизованы в фации зеленых сланцев, а сами фосфориты преобразованы в апатитоносные метаморфические породы.

В литолого-фациальном отношении разрезы древних фосфатоносных толщ довольно разнообразны. По большей части они заключены в карбонатных шельфовых отложениях, но часто как в самих продуктивных пачках, так и в отложениях, вмещающих эти пачки, существенную роль играют кремни, аргиллиты, глинистые сланцы, а местами алевролиты и песчаники. В Хубсугульском бассейне Монголии и во многих бассейнах Китая фосфориты подстилаются и перекрываются только карбонатными породами. В Каратауском бассейне Казахстане сохраняется подобная же карбонатная среда, но в разрезах самой продуктивной пачки существенную роль играют глинисто-алевролитовые породы, содержащие ту или иную примесь фосфатного материала. В Австралии роль кремнисто-глинистых пород еще более значительна, хотя по-прежнему в целом в составе нижнепалеозойских толщ господствуют карбонатные фации. В Западной Африке фосфориты заключены преимущественно в терригенных отложениях.

Продуктивные фосфоритоносные пачки зачастую содержат залежи марганцевых (карбонатных и окисных) и железных (гематитовых) руд; с ними ассоциируются также и стратиформные проявления полиметаллического оруденения. В одном регионе (юг Сибири — север Монголии) устанавливаются довольно тесные связи с залежами бокситов. Однако все перечисленные ассоциации, видимо, не обусловлены непосредственно генетическим единством, так как залежи фосфоритов в той или иной мере удалены от перечисленных рудных скоплений других элементов по разрезу и (или) в латеральном направлении.

Среди фосфатоносных бассейнов, представляющих вендско-кембрийскую эпоху, так же как и в случае более молодых эпох фосфатонакопления, выделяются внутри- и окраинно-континентальные. Примером их могут служить позднедокембрийские — кембрийские желваковые фосфориты Подолии. В гораздо больших масштабах фосфатонакопление происходило в окраинно-континентальных бассейнах, которые и являются предметом дальнейшего рассмотрения.

В латеральном профиле, пересекающем древнюю континентальную окраину, фосфоритам отвечают прибрежные фации. В зависимости от морфологии дна шельфового моря может формироваться одна или несколько зон фосфатных фаций. Например, на профиле через южную окраину Сибирского континента в пределах уже упоминавшегося Хубсугульского бассейна выделяются две зоны фосфатных фаций; одна контролируется береговой линией, вторая — поднятием дна моря, находившегося в 80—100 км от берега. Ширина каждой из зон фосфатных фаций не более первых десятков километров (рис. 2).

Фосфориты, заключенные в прибрежных отложениях древних щельфовых морей, как правило, ассоциируются с доломитами. В сторону моря по мере выклинивания продуктивных отложений доломиты замещаются известняками. Доломиты, как это установлено на восточном и западном побережьях Северной Америки, в Монголии, Сибири, существенно отличаются от известняков меньшими содержаниями натрия и особенно стронция. Принято считать, что такого рода доломитовые толщи являются продуктом длительных диагенетических изменений первичных осадков, состоящих из протодоломита или слабомагнезиального кальцита, причем агентом таких изменений были пресные воды, формировавшиеся на континенте, перемещавшиеся на длительные расстояния как грунтовые воды и смешивавшиеся с солеными поровыми (интерстициальными) водами карбонатных илов. Разбавление их и формирование солоноватых и слабосоленых вод стимулировали образование доломита с его очень сложной, тонко упорядоченной кристаллографической структурой.

Таким образом, ассоциация фосфоритов с доломитами может рассматриваться как доказательство прибрежного положения последних. Более того, можно полагать, что опреснение поровых вод могло способствовать и диагенетическому замещению карбонатных илов фосфатом.

Продуктивные пачки, помимо фосфоритов, включают карбонатные породы (преимущественно доломиты), кремни, аргиллиты, алевролиты. Очень часто во всех породах наблюдаются брекчиевые разности. Пласты фосфоритов достигают мощности 10—15 м, а число их — 3—5. По простиранию сами пласты не выдержаны, но все пачки в целом протягиваются на многие десятки километров. Местами отдельные пласты могут сливаться в один весьма мощный, измеряемый многими десятками метров, местами, наоборот, пласты расщепляются на множество тонких пропластков. Установлено, что при диагенезе фосфат, выпавший в осадок, претерпевает многократное растворение и повторную седиментацию, сопровождаемые значительной миграцией, что и может служить объяснением невыдержанности строения продуктивных пачек. При этом, однако, фосфор вряд ли уходил за пределы продуктивных пачек.

В текстурно-минералогическом отношении древние фосфориты представлены двумя основными разновидностями — микрофосфоритами и пеллетовыми. В первых наблюдается чередование 3—5-сантиметровых прослоев, сложенных практически фосфатом с миллиметровыми просечками доломита. Такие разности характерны для фосфоритов Монголии и Китая. Чаще подобного рода упорядоченное переслаивание фосфатных и нефосфатных компонентов уступает место брекчиевидным текстурам.

Пеллетовые, или микрозернистые, фосфориты распространены во всех бассейнах и особенно характерны для месторождений Западно-Африканской фосфатоносной провинции. Здесь выделяются простые и сложные пеллеты. Первые представляют собой округлые, бесструктурные, реже концентрически-слоистые (оолитовые) образования размером в среднем около 0,1 мм. Значительно более разнообразные по размеру и форме сложные пеллеты могут формироваться как путем агломерации простых, так и путем переноса, перекатывания и цементации мелких пеллет фосфатным или другим материалом.

В Западной Африке, Монголии и других регионах существенным компонентом фосфоритов являются кварцевые зерна. Степень окатанности их коррелируется со степенью сложности пеллет: в случае простых пеллет кварцевые зерна мелкие, их мало, они хорошо сортированы и угловаты. При появлении сложных фосфатных пеллет увеличивается разнообразие форм и состава кварцевых зерен.

Электронно-микроскопические исследования австралийских, монгольских и западноафриканских фосфоритов показали, что микрофосфориты сравнительно с пеллетовыми разностями характеризуются более высокой степенью кристалличности. Они сложены кристаллитами апатита размером 0,6—1 мк, с характерным гексагональным поперечным и призматическим продольным сечением. В пеллетовых разностях видны пучковидные и радиально-лучистые агрегаты со структурой, напоминающей субколломорфную.

Предполагается, что микрофосфоритовые разности формировались в более спокойных гидродинамических условиях, нежели пеллетовые. Соответственно с этим раскриеталлизация фосфатного ила в микрофосфоритах приводит к образованию более кристаллически совершенных индивидуумов, тогда как в пеллетовых разностях сохраняются субколломорфные структуры. Такого рода объяснение гармонирует с характером распределения кварцевых зерен, отмеченным выше.

Химический состав древних фосфоритов принципиально не отличается от такового более молодых. Основными компонентами являются фосфат, кремнезем и карбонат, варьирующие в широких пределах. Обычно выделяются карбонатные и кремнистые разности фосфоритов. В первых содержание углекислоты превышает 6—8%, окиси магния доходит до 7—8%, а фосфатного ангидрида меняется от первых процентов до 30—32% (наиболее распространены разности с 20—25% Р2О5). Содержание кремнезема в кремнистых фосфоритах обычно находится в пределах 10—20%, в карбонатных оно падает до первых процентов. Глинозем и окислы железа обычно не играют существенной роли в составе фосфоритов. Встречающиеся иногда алюмофосфатные породы (в частности, в Мавритании и Казахстане), возможно, представляют продукты позднейших изменений древних фосфоритов в гумидных тропических условиях.

Минералогически фосфатное вещество в большинстве случаев представлено фтор-карбонат- или фтор-гидроксил-апатитом.