Фосфатное сырье. 
Геология и месторождения полезных ископаемых

Содержание фосфора в земной коре 0,12% по массе или 0,25% Р₂0₅. Максимальные содержания отмечаются в магматических щелочных породах.

Фосфор является жизненно важным элементом для всех организмов. Наличие его в каждой живой клетке обусловливает существование растительного и животного мира. Фосфатное сырье представлено апатитовыми и фосфоритовыми рудами, в первых апатит образует явнокристаллический агрегат, во-вторых — фосфаты кальция из группы апатита представлены скрытои микрокристаллическими образованиями. Около 90% добытого фосфатного сырья используется в сельском хозяйстве в виде фосфорных (суперфосфата) и комбинированных удобрений; часть фосфоритов с содержанием Р₂0₅ более 28% измельчается с получением фосфоритовой муки. В химической промышленности фосфатное сырье используется для получения желтого фосфора, фосфорной кислоты, синтетических моющих средств. В черной металлургии фосфор применяется для получения феррофосфора (для изготовления некоторых сортов чугуна и стали), а также как сырье для получения F, Sr, Ti, TR. Используется фосфор и в медицине (лекарственные препараты), при производстве спичек, инсектицидов, матовых стекол, фарфора, огнезащитной пропитки; в качестве подкормок в рационе животных и птиц.

Мировые запасы фосфатного сырья оцениваются в 63 067 млн т, в том числе апатита 5260 млн т. Основные запасы фосфоритовых руд сосредоточены в Марокко, США, Казахстане. Запасы фосфатного сырья в России составляют 4827 млн т, в том числе апатита 3410 млн т.

Мировое потребление фосфатного сырья около 43 млн т Р₂0₅ в год.

Апатитовые руды имеют магматический, карбонатитовый, метаморфогенный генезис. Качество руд определяется содержанием Р₂0₅, которое должно быть не менее 8% при подземной отработке и 6% при открытой добыче.

К весьма крупным по запасам относятся месторождения, содержащие более 100, к крупным — 100—50, средним 50—10, мелким — 10—1 млн т Р₂0₅.

Магматические месторождения апатита связаны с магматическими горными породами щелочного и основного состава и подразделяются на ряд групп:

• 1. Апатитовые руды, приуроченные к габбро-сиенитовым интрузивным массивам платформенных щитов, где апатит является породообразующим минералом, и вещественный состав руд будет определяться минералами, слагающими горную породу. Содержание Р₂0₅ — 2—6% (Ошурковское месторождение в Бурятии).
• 2. Апатит-нефелиновые руды, пространственно и генетически связанные с крупными многофазными интрузиями нефелиновых сиенитов и ийолит-уртитов, развитых на щитах и краевых зонах платформ. Рудные зоны имеют протяженность до 2—4 км, по падению прослеживаются на 1—2 км, мощность 100—200 м. Содержание Р₂0₅ в рудах — 13—19% (месторождения Хибинского массива).
• 3. Комплексные руды апатита, связанные с габбро-сиенитовыми, габбро-пироксенит-дунитовыми и габбро-анортозитовыми комплексами. Выделяют апатит-титано-магнетитовые руды (месторождение Волковское на Урале), апатит-магнетитовые руды (Кирунавара в Швеции), апатит-нефелин-редкометалльные руды (Ловозерский массив Кольского полуострова). Среднее содержание Р₂0₅ — 3—5%.

Месторождения Хибинского массива щелочных пород находятся на Кольском полуострове. Вмещающие породы представлены на севере и востоке архейскими гнейсами, на юге и на западе зеленокаменными протерозойскими породами. В разрезе форма массива воронкообразная, в плане массив имеет концентрически-зональное строение, обусловленное последовательным расположением колец, сложенных от периферии к центру: хибинитами, фояитами, рисчорритами, ийолит-уртитами (см. рис. 7.2). Перечисленные породы кроме ийолитуртитов принадлежат к группе нефелиновых сиенитов. Они близки по минеральному и химическому составу, отличаются по текстурноструктурным особенностям. В восточной части массива установлен карбонатитовый шток размером 700 м в поперечнике.

Апатит-нефелиновые месторождения массива пространственно и генетически связаны с коническим интрузивом ийолит-уртитов, вытянутым в длину на 75 км при максимальной мощности около 2 км. По морфологии, размерам, условиям залегания рудных тел, качеству руд выделяются пологопадающие апатит-нефелиновые залежи, мощностью 100—200 м и протяженностью несколько километров (Кукисвумчорр, Расвумчорр, Юкспор) и сложнопостроенные многоярусные рудные зоны, образованные крутопадающими согласными линзами или горизонтами брекчиевых руд (Олений ручей, Коашва, Ньюркпахк).

Выделяются руды апатит-нефелиновые и сфен-апатитовые. Состав хибинских апатит-нефелиновых руд в процентах: апатит — 43,2; нефелин — 37,9; эгирин — 8,9; сфен — 2,5; титаномагнетит — 2,2; полевые шпаты — 2,8; слюды и другие минералы — 2,5. Текстура руд пятнистая, пятнисто-полосчатая, линзовидно-полосчатая, массивная, брекчиевая, сетчатая.

Текстура сфен-апатитовых руд массивная. Среднее содержание Р₂0₅ — 13—19%, а в наиболее богатых пятнистых и пятнисто-полосчатых рудах — 29%.

На месторождениях Хибин получают концентраты: апатитовый (руда на фосфор), нефелиновый (руда на алюминий), сфеновый, титано-магнетитовый, пироксеновый с последующим извлечением из них основных и некоторых попутных компонентов. Сфен может использоваться в лакокрасочном производстве, а эгирин — в керамической промышленности для изготовления глазурей. Интерес представляют Та, Nb, Sr, F, редкие земли, находящиеся в лопарите.

Утвержденные балансовые запасы апатит-нефелиновых руд по 10 разведанным месторождениям составили на 01.01.99 3,4 млрд т при среднем содержании в руде Р₂0₅ — 13,7%. Наибольшими запасами из разрабатываемых месторождений обладает Коашвинское — 669 млн т.

Месторождения Хибинского массива обеспечивают 86% добычи апатита в Российской Федерации.

Карбонатитовые месторождения сложены апатит-магнетитовыми, апатит-флогопитовыми и апатит-редкометалльными рудами.

Апатитовые тела на карбонатитовых месторождениях имеют формы кольцевых и конических даек, линзовидных, серповидных и линейно вытянутых крутопадающих тел, трубок взрыва, штоков. Содержание Р₂0₅ в рудах 5—10%. Руды труднообогатимые. Запасы Р₂0₅ до первых сотен миллионов тонн. Сопутствующие апатиту полезные ископаемые — флогопит, нефелин, редкометалльные минералы, магнетит, фосфаты, флюорит, сульфиды меди, свинца и цинка.

Примеры месторождений: Палабора в ЮАР, Якупиранга в Бразилии, Ковдор на Кольском полуострове, Маймеча-Котуйская провинция в северной части Сибирской платформы.

На апатитсодержащих карбонатитах развивается кора выветривания мощностью до 30 м с содержанием Р₂0₅ от 4 до 14% (Белая Зима, Ковдор).

Метаморфогенные месторождения образовались в результате регионального и контактового метаморфизма фосфоритов. Рудные залежи преимущественно пластовые, мощностью от 1 до 15 м. Иногда апатитовые руды по простиранию переходят в слабометаморфизованные фосфориты. Содержание Р₂0₅ — от 5,4 до 20—24%.

К метаморфогенным относятся месторождения Слюдянское (Южное Прибайкалье), Хайчжоу (КНР).

Фосфоритовые руды по генезису разделяются на осадочные, выветривания и метаморфогенные (метаморфизованные и метаморфические). Они могут быть обогащены U, Sr, редкими землями, реже V, Ti, Zr, Au и др.

Отрабатываются фосфориты при легкой обогатимости с содержанием Р₂0₅ более 3%. Вредные примеси MgO, Fe₂0₃, С0₂, А1₂0₃.

По структурно-текстурным признакам различают фосфориты микрозернистые, зернистые, желваковые (конкреционные), галечные и конгломератовые, ракушечниковые, рыхлые, каменистые. По содержанию фосфора выделяют собственно фосфориты, фосфатные пески, мергели, известняки.

К крупным по запасам относятся месторождения, содержащие более 200, к средним 200—50, мелким — до 50 млн т Р₂0₅.

Осадочные месторождения фосфоритов содержат 88% разведанных запасов и обеспечивают 95% добычи Р₂0₅. Месторождения являются морскими и образуются либо путем накопления богатых фосфором раковин (биохемогенные), либо выпадением фосфата из раствора (хемогенные), либо при механическом разрушении ранее образованных фосфоритов, их переносе и отложении в виде фосфоритовых галечников и конгломератов (переотложенные).

Хемогенные фосфориты в основном микрозернистые, содержание Р₂0₅ от 10 до 30%. Например, месторождения бассейнов Каратау (Казахстан), Актюбинский (Приуралье), Горной Шории, Русской платформы.

Биохемогенные — это ракушечниковые фосфориты с содержанием Р₂0₅ от 3 до 12%. Месторождения: Кингисеппское (Ленинградская область) и месторождения Прибалтики.

Переотложенные фосфориты представляют отдельные горизонты галечников и конгломератов на месторождениях хемогенного типа (например, Актюбинский фосфоритовый бассейн).

Среди морских осадочных месторождений по геотектонической обстановке выделяются месторождения геосинклинального, платформенного и переходного типов. Геосинклинальные осадочные месторождения фосфоритов характеризуются линейной вытянутостью на сотни километров и шириной в десятки км. В их пределах развиты кремнисто-карбонатные фосфоритовые отложения мощностью до 100 м, которые содержат до 10 пластов микрозернистых руд, суммарной мощностью до 40 м. Руды богатые, содержание Р₂0₅до 36%. Фосфоритоносные толщи отличаются сложным складчатым залеганием, осложненным разрывным нарушениями. К этому типу относятся месторождения фосфоритоносных бассейнов Казахстана (Каратау), Монголии, Австрии, США.

Платформенные осадочные месторождения представлены изометричными и вытянутыми телами фосфоритов, горизонтально залегающими среди органогенно-обломочных пород. Обычно выделяются не более трех рабочих пластов ракушечниковых и желваковых фосфоритов. Мощность отдельных слоев от нескольких десятков см до 1 м. Руды бедные, содержания Р₂0₅ — 3—18%, требуют обогащения. Это месторождения Бельгии, Франции, Великобритании, России (ВятскоКамское, Егорьевское, Кингисеппское), Эстонии (Маарду).

Месторождения переходного типа сложены терригенно-карбонатными породами, мощностью до нескольких десятков метров, протяженностью сотни километров. Продуктивная толща включает до 8 рабочих пластов суммарной мощностью до 20 м. Залегание рудных тел и вмещающих пород почти горизонтальное. Руды богатые, содержание Р₂0₅ — 2А—35%. Месторождения находятся в Марокко, Алжире, Тунисе, Египте, Сирии, Ираке, Иране, Турции.

К современным морским месторождениям относятся фосфоритовые конкреции континентального шельфа с содержанием фосфата до 32%.

Фосфоритоносный бассейн Каратау приурочен к хребту Малый Каратау и насчитывает более 40 месторождений (рис. 8.12). Протяженность бассейна около 120 км, ширина 12—25 км. Длина по простиранию отдельных месторождений от 2—3 до 40 км, мощность фосфоритовых пластов до 50 м. Бассейн сложен известняками, доломитами, кремнистыми породами протерозоя, палеозоя и кайнозоя.

Рис. 8.12. Схема размещения выходов фосфоритового пласта в хр. Мал. Каратау (по Г. И. Бушинскому):

Мощность фосфоритового пласта с содержанием Р₂0₅ > 25% (м): 1 —до 1;

2— 1—5;3— >5.

Отложения нижнего палеозоя мощностью более 2100 м, представленные доломитами, известняками, фосфоритами, фосфатно-карбонатными и фосфатно-кремнистыми породами, смяты в крутые и сложные складки и осложнены дизъюнктивными нарушениями. Углы падения рудных тел от 0 до 90°. Основные месторождения бассейна — Чулактау (рис. 8.13), Тешиктас, Аксай, Тьесай, Джанатас и другие.

Фосфориты бассейна Каратау микрозернистые, темные и коричневые, сложенные в основном фосфатами, кварцем, халцедоном, доломитом, полевыми шпатами, гидрослюдой, силикатами магния и пиритом. В местах размыва микрозернистые руды сменяются фосфоритовыми конгломератами и гравелитами. На контакте фосфоритовых формаций с магматическими породами фосфориты перешли из скрытокристаллической в явнокристаллическую разность руд фосфора — апатит.

Элементы-примеси в рудах — стронций, редкие земли, ванадий.

Запасы месторождений Каратау огромны. Содержание Р₂0₅ в добываемых рудах: богатых — 28%, рядовых — 22—25%. Руды используются для переработки на концентрированные растворимые удобрения.

Рис. 8.13. Схематический геологический разрез центральной части месторожаения фосфора Чулуктау (по Б. М. Гиммельфарбу.

и А. С. Соколову):

1 — верхнедевонские конгломераты; 2,3 — среднекембрийские нижнесилурийские породы (2 — известняки и доломиты, 3 — «бурые» известняки); 4—7 — среднекембрийские породы (4 — фосфатная серия, главная фосфоритовая пачка; 5 — фосфатная серия, фосфатно-кремниевая и нижняя фосфоритовая пачки; 6 — фосфатная серия, кремниевая пачка; 7 — горизонт «нижних доломитов»); 8—9 — нижнекембрийские породы (8 — кремнистые породы; 9 — доломиты); 10 — разлом Остаточно-инфильтрационные месторождения выветривания обусловлены либо накоплением на месте выветривания нерастворимых фосфатов, либо выщелачиванием фосфатов и последующим метасоматическим замещением ими известняков. Руды представляют собой рыхлую породу различной зернистости, нередко заключающую каменистые разности фосфоритов. Характерна плащеобразная, чаще неправильная форма залежей. Мощность невыдержанная от 0,5 до 30 м. Среднее содержание Р₂0₅ в различных залежах от 11 до 22%. Месторождения имеются в США.

Метаморфогенные месторождения фосфоритов подразделяются на метаморфические и метаморфизованные.

Метаморфические месторождения фосфоритовых руд образуются при региональном метаморфизме микрозернистых фосфоритов геосинклинального типа. Фосфат перекристаллизован в апатит, а вмещающие карбонатные толщи в мраморы и кварц-диопсидовые породы. Рудные тела имеют сложную форму. Содержание в рудах от 3 до 14% (месторождение Слюдянское).

Метаморфизованные месторождения фосфоритов близки к месторождениям микрозернистых фосфоритовых руд геосинклинального типа и образовались в результате контактового метаморфизма последних (участки месторождения Чулактау).