Литология верхнемеловых фосфоритоносных отложений северо-запада Воронежской антеклизы

ЦЧЭР, расположенный, в основном, на территории Воронежской антеклизы, является одной из важнейших житниц Российской Федерации, поэтому проблема повышения плодородия почв на его территории всегда актуальна. Главным средством увеличения урожайности полей считается внесение минеральных удобрений, в т. ч. фосфорных, выпускаемых в виде суперфосфата или фосфоритной муки.

К 1988 году производство фосфорных удобрений в России было доведено до 5,1 млн. т Р2О5, однако, последовавшая затем деструкция привела к резкому снижению их производства. В последние два-три года на 1га пашни приходится 5−6 кг Р2О5, тогда как в развитых странах, достигших высоких показателей плодородия почв, ежегодно вносится 150−180 кг. В результате в России около 43 млн. га пахотных земель содержат недостаточное количество подвижного фосфора в почвах, на которых немыслимо получение полноценных урожаев. Для выправления этой критической ситуации предусматривается реализовать целевую государственную программу «Повышение плородия почв России на 1996;2000 годы». Одной из главных ее задач является увеличение поставки минеральных удобрений до 13 млн. т, при этом объемы фосфоритования почв должны возрасти с 0,3 до 3,5 млн. га.

В основе производства фосфоудобрений лежит фосфатносырьевая база. Ее расширение должно осуществляться с опережением. Требуется незамедлительное возобновление и прогрессирующее развитие геологоразведочных работ на фосфориты, особенно поисковых, выявляющих новые месторождения и перспективные площади. В связи с этим теоретические и научно-практические проблемы фосфатной геологии приобретают особую актуальность.

В северо-западной части Воронежской антеклизы в верхнемеловых отложениях сосредоточены три месторождения фосфоритов: Полпинское и Подбужское желвакового типа и Унечское зернистого (россыпного) типа. На сырьевой базе первого месторождения работает Брянский фосфоритный завод, производящий 450 500 тыс. т фосфоритной муки в год, однако этого количества недостаточно даже для Нечерноземья.

История изучения и эксплуатации сеноманских фосфоритов насчитывает несколько десятилетий. Классической работой, опубликованной в 1954 году, является «Литология меловых отложений Днепровско-Донецкой впадины» Г. И.Бушинского[20]. Кроме этого, почти четверть века назад по проблеме фосфоритоносности сеномана Воронежской антеклизы В.И.Фоминским[53] была защищена кандидатская диссертация. Последующие работы были посвящены отдельным аспектам фосфоритоносности и затрагивали разрозненные участки Воронежской антеклизы. Вместе с тем, положение продуктивных отложений в стратиграфических разрезах, вопросы минералогии и кристаллохимии фосфоритов, условия их образования, особенно зернистых, изучены недостаточно глубоко, из-за слабого использования в то время прецизионных методов исследования.

Основной целью настоящей работы является установление закономерностей формирования фосфоритов и прогноз поисков их месторождений. Для достижения этой цели должны быть решены следующие задачи: 1. изучение распространения и фациальной принадлежности фасфатоносных отложений различных стратиграфических подразделений верхнего мела- 2. выявление основных морфологических и петрографических типов фосфоритов- 3. детальное изучение минералогического и химического состава фосфоритов- 4. установление основных факторов формирования фосфоритовых месторождений.

В результате проведения комплекса работ впервые на северо-западную часть Воронежской антеклизы составлены фациальные карты масштаба 1:200 ООО для сеноманских и нижнекампанских отложений, а также фациальная карта масштаба 1:50 ООО Унечского рудного поля. На эту же территорию построены структурные карты масштабов 1:200 000 и 1:100 000. Комплекс этих карт служит основой при прогнозах и поисках фосфоритовых месторождений. Впервые при изучении минералого-петрографических особенностей фосфоритов этого региона, помимо традиционных методов, использовалась растровая электронная микроскопия, а при исследовании химического их состава был применен микрозондовый анализ. Установлено, что фосфатное вещество в фосфоритах всех петрографических типов сложено одним минералом — курскитом, относящимся к группе фторкарбонатапатитоврассчитана его кристаллохимическая формула. Установлена ведущая роль фациального и, особенно, тектонического фактора в формировании месторождений фосфоритов. Впевые для изучаемого региона выявлена связь рудных залежей с конседиментационными поднятиями Ш порядка.

Материалы, полученные автором в ходе работ по теме диссертации (с 1983 года), неоднократно передавались в форме производственных, тематических научных отчетов, отдельных рекомендаций в Брянскую ГРП Юго-Западной экспедиции. Результаты работ позволили точно определить площадь для постановки геологической съемки масштаба 1:50 ООО с поисково-оценочными работами на фосфатоносные россыпи нижнего кампана. Была выявлена перспективность Унеча-Крапивенской рудной зоны на юго-западном фланге Унечского месторождения. Во всех этих работах диссертант принимал непосредственное участие, являясь ответственным исполнителем или соавтором отчетов.

Как частные вопросы, так и основные положения диссертации ежегодно докладывались на научных конференциях Воронежского госуниверситета. Опубликовано 12 работ, из них одна коллективная и одна авторская монографии. Диссертант являлся участником Межвузовских конференций молодых ученых и специалистов (Ленинград, 1986 г.- Воронеж, 1987 г.) — Всесоюзных совещаний: по «Рентгенографии минерального сырья» (Тбилиси, 1986 г.), по «Проблемам геологии фосфоритов» (Таллин, 1988 г.) Международного симпозиума «Проблемы фосфатной геологии» (Москва, 1995 г.).

В основу представляемой работы положен фактический материал, полученный диссертантом в период проведения полевых и камеральных работ с 1983 по 1995 годы. При этом изучено и опробовано более 3200 пог. м керна буровых скважин и стенок обнажений. По полученным образцам фосфоритов и вмещающих пород проведено 366 гранулометрических, 184 минералогических, 345 петрографических, 372 палеонтологических, 93 химических, 437 рентгеноструктурных, 265 растровых электронномикроскопических, 279 спектральных, 10 микрозондовых анализов, в 199 образцах выделена тяжелая фракция, в 530 — глинистая составляющая, в 22 -электромагнитная фракция. Все петрографические и палеонтологические, рентгеновские, электронномикроскопические исследования, выделение электромагнитной фракции, большая часть гранулометрических, минералогических анализов, выделение тяжёлой и глинистой фракций проведено в лабораториях ВГУ. Минералогические, гранулометрические анализы, выделение тяжёлой и глинистой фракций были выполнены также в лабораториях ПГО «Воронежгеология», спектральные и большая часть химических анализов — в лабораториях ПГО «Архангельскгеология».

Цитохимические исследования вмещающих фосфориты песчано-глинистых пород проводились по методикам, разработанным Л. Б. Рухиным [43], Н. В. Логвиненко [32], М. Ф. Викуловой [22]. Фосфоритовые образования изучались по методам и классификациям Г. И. Бушинекого [20], Б. М. Гиммельфарба [24], А. П. Ясырева [61], В. З. Блисковского [12], Г. Н. Батурина [3]. Фациальные карты были составлены с учётом методических указаний «Атласа литолого-палеогеографических карт Русской платформы», а также собственных разработок.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы из 61 наименования. Текст изложен на 192 стр., 17 табл., при 47 иллюстр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Глобальная позднемеловая — эоценовая эпоха фосфатонакопления на северо-западе Воронежской антеклнзы особенно значимо проявилась на двух стратиграфических уровнях: сеноманском и раннекампанском. С отложениями сеномана связаны Полпинское и Подбужское месторождения желваковых фосфоритов, с нижнекампанскими — Унечское месторождение зернистых фосфоритов. В породах других стратиграфических подразделений фосфориты встречаются либо в виде рассеянных по всему разрезу желваков, либо в виде маломощных фосфоритовых горизонтов, неимеющих промышленного значения.

2. Новый фактический материал позволил составить комплекс карт: фациальныхмасштаба 1:500 ООО всей Воронежской антеклизы, масштаба 1:200 ООО её северозападной части, масштаба 1:100 000 площади рудного поля Полгашекого месторождения и структурной масштаба 1:100 000 (той же площади) — для сеноманского векафациальной и структурной — масштабов 1: 200 000 северозападной части Воронежской антеклизы, фациальной масштаба 1:50 000 Унечского рудного поля — для раннекампанского времени.

3. Фациалъный анализ верхнемеловых отложений северо-запада Воронежской антеклизы показал, что наиболее перспективными фосфоритоносными являются сеноманские карбонатно-глауконитово-кварцевые и нижнекампанские глауконитово-кварцевые с повышенным содержанием титан-циркониевых минералов. Формирование этих фосфоритоносных образований происходило в мелководно-морских условиях, контролировалось конседиментационными структурами III порядка и связано с зонами наибольшей активности гидродинамического режима: II А, Б, В — в сеномане и IIАБ-Б — в нижнем кампане.

4. На месторождениях, локализующихся в пределах конседиментационных поднятий, как в структурных ловушках, общая мощность фосфоритовой колонки сокращена, а сгруженность фосфоритов в продуктивные горизонты, наоборот, максимальна. За границами рудопроявлений в отрицательных конседиментационных структурах III порядка активность гидродинамического режима в бассейне седиментации ослабевала, происходило увеличение общей мощности толщи, разубоживание продуктивных горизонтов и их фациальное замещение песками.

5. Сеноманские фосфоритовые образования, относящиеся к желваковому (конкреционному) генетическому типу, представлены: 1 — органогенно-литогенным (глинисто-алевритовым) — 2 — литогенным (песчанистым) — 3 — зоо-, фитогенным петрографическими типами. Первый распространён в виде хорошо окатанных галек, второй и третий типы — в виде желваков разнообразных размеров и форм. Нижнекампанские фосфориты являются новым генетическим типом, относятся к морским фосфатоносным россыпям и представлены, преимущественно, зернистым и плёночным йетрографическими типами. Морфологически они выражены в виде монофосфатных микроконкреций мелкозернистой фракции, либо в виде оболочек вокруг зёрен титан-циркониевых минералов.

6. Для органогенно-литогенных фосфоритов характерны базальный и базально-поровый типы цемента со скрытокристаллической (реже — микрозернистой) структурой фосфатного вещества. В конкрециях литогенного типа отмечается большое разнообразие как типов цемента (порово-плёночный, плёночный, крустификационный, поровый, реже — контактовый и базально-поровый), так и его структур (скрытокристаллическая, микрозернистая, радиально-лучистая). Для фосфоритов зоои фитогенного типа также характерны все три степени раскристаллизации фосфатного цемента. Фосфатное вещество россыпных фосфоритов зернистого и плёночного типов имеет скрытокристаллическую, режерадиально-лучистую структуру.

7. Фосфат всех верхнемеловых фосфоритов представлен минералом группы фторкарбонатапатита — курскитом, в молекулу которого углерод замещает от 1,24 до 1,51 атома фосфора, а отношение С02 к Р2О5 составляет 0,17−0,21.

8. Содержание фосфорного ангидрита в сеноманских конкрециях колеблется от 12 до 33% и закономерно возрастает от литогенных фосфоритов к литогенно-органогенным, достигая наибольших значений в биоморфозах зоогенного петрографического типа. Продуктивный пласт мелкозернистых песков нижнекампанского подъяруса, на 35 — 40% слагающийся зернистыми фосфоритами всех петрографических типов, содержит до 12 — 14% Р2О5.

9. Растровая электронная микроскопия позволила выявить 4 группы ультрамикроструктур фосфатного вещества: 1 — органогенные (бактериоморфная, губковая, диатомовая, мшанковая, фитогенная) — 2 — колломорфные (натечная, аморфная, колломорфно-зернистая) — 3 — кристалломорфные (изометрично-зернистая, гексагональная короткопризматическая, радиально-лучистая) — 4 — комбинированные (со структурными элементами 2 и 3 групп, а также друзовидная, глобулярная, глобулитовая).

10. В результате микрозондирования установлено, что фосфатное вещество с микрозернистой и радиально-лучистой структурой более зрелое, обогащено фосфором и резко обеднено кремнием, в сравнении со скрытокристалллической формой фторкарбонатапатита.

11. По генетическим и минералого-петрографическим признакам микроэлементы фосфоритов подразделяются на три группы: 1 — элементы, связанные с фосфатным веществом (Ва, Бг, Мп) — 2 — элементы вмещающих терригенных и аутигенных минералов (2х, Т1, V, Ве, Со, РЬ, Бп, Ag, Си, Мо, У) — 3 — элементы проблематичного генезиса (УЪ, 8с, Сг, №).

12. Образование фосфоритов и формирование их месторождений происходит в несколько стадий: 1 — поступление фосфора в бассейн седиментации- 2 — потребление и концентрация его биосом- 3 — отмирание и выпадение в осадок богатой фосфором органики- 4 — диагенетическое его перераспределение, образование конкреций- 5 -перемыв осадков и обогащение их (по принципу остаточной концентрации) фосфоритами различных петрографических типов. Первые четыре стадии обеспечивают образование единичных фосфоритов, последняя — контролирует формирование рудных тел.

13. Фациальный фактор играет важную роль при образовании фосфоритовых залежей: в мелководно-морских бассейнах сеноманского и раннекампанского веков возникали условия активизации их гидродинамических режимов, способствующие перемыву фосфоритоносных пород, выносу пелитово-псаммитовых фракций, остаточной концентрации фосфоритов, сгружению их в продуктивные слои. При низкой активности гидродинамического режима накапливались отложения с повышенными мощностями, наиболее тонкого гранулярного состава, с рассеяными по всей толще фосфоритами.

14. Ведущая роль в формировании фосфоритовых месторождений принадлежит тектоническому фактору. Месторождения обычно локализуются в пределах конседиментационных поднятий III порядка, определяющих фациальный контроль фосфатонакопления: концентрацию фосфоритов в зонах с повышенной активностью и их рассеяние в зонах с низкой активностью гидродинамики морской среды.