Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Постановка проблемы
Глава 2. Обзор современных представлений о генезисе фосфоритов
2.1. Основные гипотезы
2.2. Эволюция фосфогенеза в истории Земли
2.3. Тринадцать наиболее важных, нерешенных проблем фосфогенеза
Глава 3. Обзор «Экологические проблемы разработки фосфоритов»
3.1. Глубина переработки фосфоритов
3.2. Токсичные элементы в фосфоритах
3.3. Радиоактивность фосфоритов
3.4. Нарушения ландшафтов
3.5. Другие экологические проблемы
Глава 4. Терминологические пояснения
Часть II. Геология и геохимия
Глава 5. История геологического изучения месторождения
Глава 6. Стратиграфия
Глава 7. Тектоника
Глава 8. Полезные ископаемые
8.1. Фосфориты
8.2. Кварцевоево-глауконитовые пески
8.3. Цементное и другое сырье
8.4. Формовочные и стекольные пески
8. 5. Месторождения глин
8. 8.6. Техногенные месторождения - отходы производства Глава Характеристика фосфоритной толщи
Глава 10. Геохимия фосфоритов Егорьевского месторождения
10.1. Токсичные химические элементы в Егорьевском месторождении
10.2. Геохимия радионуклидов в фосфоритной серии Егорьевского месторождения
10.3. Редкие земли в фосфоритах Егорьевского месторождения
Глава 11.Прежние представления о генезис месторождения
Часть III. Генезис Егорьевских фосфоритов
Глава 12. Региональная палеогеографическая и палеофациальная обстановка
Глава 13. Палеогеоморфологические условия
Глава 14. Палеоклиматическая обстановка
Глава 15. Палеотектоническая обстановка
Глава 16. Коры выветривания на Русской платформе на рубеже юры и мела Глава 17. Генезис Егорьевских фосфоритов
Часть IV. Экологические проблемы
Глава 18. Экологические проблемы разработки Егорьевских фосфоритов
Глава 19. Токсичные химические элементы в фосфоритах
Глава 20. Радиационная безопасность
Глава 21. Воздействие на подземные и поверхностные воды
Глава 22. Попутное уничтожение других минеральных месторождений
Глава 23. Нарушение ландшафта
Заключение
Литература
Список использованых сокращений
- Тринадцать наиболее важных, нерешенных проблем фосфогенеза
- Радиоактивность фосфоритов
- Кварцевоево-глауконитовые пески
- Геохимия радионуклидов в фосфоритной серии Егорьевского месторождения
Тринадцать наиболее важных, нерешенных проблем фосфогенеза
На рубеже двух веков заметно оживилась дискуссия о генезисе фосфоритов. В ней приняли участие крупнейшие российские литологи Г.Н. Батурин, Ю.Н. Занин, Э.А. Еганов, А.С. Соколов, В.Н. Холодов, АЛ. Яншин, К.М. Седаева и др. [Батурин, 2001, 2002; Батурин, Коченов, 2001; Еганов, Школьник., 2004; Занин Ю.Н., 2001; Седаева, 1994; Седаева, Чика, Николаев, 1994; Соколов, 1996; Соколов, Еганов, Краснов, Школьник, 2001; Соколов, Фролов, 1998; Соколов, Фролов, Белов, 2001; Холодов,, 2002; Холодов, 2003; Холодов, Пауль, 2001; Школьник, Еганов 2001; Яншин, 1993]. Но «ко всеобщему согласию» данная дискуссия не привела.
Разные исследователи признают разное количество гипотез образования морских фосфоритов. Многие соглашаются с тем, что можно выделить шесть основных гипотез: биогенную, микробиологическую, хемогенную, вулканогенную, биохимическую и метасоматическую.
Биогенная гипотеза является самой ранней. Исходя из океанологической обстановки нахождения фосфоритов, Дж. Мюррей и А. Ренард предположили [Murrey, Renard, 1981; цитируется по работе Соколова, Егалова, Краснова, Школьника, 2001], что основной причиной образования фосфоритов являются массовые заморы ихтиофауны в зонах активного взаимодействия теплых и холодных морских течений. Погибшие организмы осаждались на дно, где за счет содержащегося в организмах фосфора диагенетически образовывались фосфориты.
Микробиологическая гипотеза, по сути, является вариантом биогенной. В пей в процессе фосфоритообразовапия решающая роль также отводится биогенному фактору. Она была впервые предложена Н.Г. Кассиным, одним из первых обнаружившим в фосфоритах остатки бактерий. На основании аналогичных находок этой точки зрения придерживался ряд других исследователей. Иногда говорят о бактериальной природе фосфоритов, а иногда о микробиальной [Седаева, 1994]. Хемогенная гипотеза А.В. Казакова [1937] отличается стройностью, изяществом и понятностью. По этой гипотезе глубинные океанические воды, обогащенные фосфором, апвеллингом поднимались вверх на шельф. При этом снижалось парциальное давление СОг, и увеличивалась температура воды, морская вода становилась пересыщенной относительно фосфата кальция, и он выпадал в осадок. В этой схеме многое правильно: апвеллинг присутствует; холодные глубинные воды выдаются на шельф; многократно доказана приуроченность подавляющей части фосфоритовых месторождений к кромке шельфа. Но до сих пор никто не сумел доказать, что фосфаты могут вьшадать в осадок непосредственно из морской воды.
Вулканогенная гипотеза была предложена Шатским [1955], предположившим, что формирование крупных залежей фосфоритов связано с поступлением фосфора в океан при вулканических извержениях. Данная гипотеза предлагает в качестве главного источника фосфора вулканические эксгаляции.
Биохимическая гипотеза, автором которой считается Г.И. Бупшпский [1966], также признает доминирование биогенного фактора в процессе фосфоритообразования. Основное отличие данной гипотезы от биогенной и микробиологической заключается в том, что в ней основная роль в первичном осаждении фосфора отводится не ихтиофауне и микроорганизмам, а морскому фито- и зооїшанктону.
Метасоматическая гипотеза обращает внимание па широкую распространенность ассоциации карбонатных и фосфатных пород в океане. Она трактует фосфоритообразование как замещение фосфатами карбонатных осадков дна при их контакте с морской водой.
При ближайшем рассмотрении, основные положения биогенной, биохимической и микробиологической-гипотез оказываются очень близкими. В каждой из них основным в процессе морского фосфоритообразования считается биогенный фактор. На этом основании их можно условно объединить в единую группу. Еще не окончательно похоронена хемогенная гипотеза А.В. Казакова. Напомним, что многочисленные исследования подтвердили определяющую роль восходящих глубинных течений в создании геохимической обстановки, благоприятной для фосфоритообразования, но вопрос о перенасыщенности морской воды в районах апвеллингов фосфатом кальция остается до сих пор дискуссионным.
Вулканогенная и метасоматическая гипотезы в настоящее время считаются наименее доказанными. Первая совершенно не учитывает тот факт, что в осадках океанских шельфов концентрирование фосфора происходит совершенно независимо от вулканических процессов. Против данной гипотезы свидетельствует и тот факт, что как в высоко-, так и в низкотемпературных гидротермах рифтовых зон содержания растворенного фосфора не превышают его концентраций в придонных водах. Сторонники метасоматической гипотезы не учитывают того, что как в океане, так и в осадочных отложениях па суше, ассоциация карбонатных и фосфатных пород, являясь обычной, довольно часто отсутствует.
Радиоактивность фосфоритов
Непосредственное использование руды в качестве удобрения без всякой переработки относится, вообще говоря, не к самой фосфоритной руде верхнего и нижнего фосфоритных слоев (фосслоев), а к разделяющему их горизонту кварцево-глауконитовых песков. Кварцево-глауконитовые пески содержат в среднем от 4 до 8% Р2О5. Это в 3-5 раз меньше, чем в фосмуке, но благодаря тому, что желвачки фосфатов в песке мелкие (в среднем 0,5-1 мм), они, во-первых, не требуют дополнительного дробления, а во-вторых, хорошо растворяются в кислых почвах. Лабораторными и полевыми исследованиями (Голоскоков, 1991), доказано, что по эффективности эти «удобрения» очень близки фосмуке. У них даже есть преимущество перед фосмукой. В кварцево-глауконитовых песках содержится от 1,5 до 3% К. Благодаря этому они относятся к комбинированным калийно-фосфорным удобрениям, правда слабым, но зато «долгоиграющим», то есть действующим долгое время. К сожалению, глубокие исследования по использованию кварцево-глауконитовых песков в качестве удобрений не были завершены вовремя.
По существующей технологии добычи фосфоритов кварцево-глауконитовые пески используются в качестве дополнительного фосфатного мелиоранта, которым накрываются отвалы смешанных грунтов вскрьппных пород. На таких мелиорированных грунтах хорошо приживаются и быстро растут лесные посадки.
Так как в «удобрения» уходят все добытые кварцево-глауконитовые пески, никаких особых экологических проблем, связанных с переработкой, не возникает. В виде фосмуки
Получение фосмуки подразумевает следующие стадии: добыча -» обогащение -» сушка - дробление -» расфасовка в мешки. Средняя полоса европейской части России отличается повышенной кислотностью почв. Именно в таких почвах эффективно использование фосмуки в качестве фосфорного удобрения. Почвенные кислоты достаточно быстро растворяют фосфаты, и фосфор становится доступен растениям. Само Егорьевское месторождение расположено в средней полосе, что заметно снижает транспортные расходы и делает фосмуку местным, сравнительно дешевым удобрением.
Производство фосмуки подразумевает обогащение. Оно делается методом мокрого грохочения с попутным дроблением. Раньше (до 1980-х годов) в концентрат уходила вся фракция +0,5 мм. Все остальное (-0,5 мм) уходило в хвосты - эфели. Выяснилось, что в эфелях содержание Р2О5 оставалось достаточно высоким 8-12%. Поэтому на обогатительных фабриках (поселки Лопатинский и Фосфоритный) добавились участки флотационного обогащения. За счет этой процедуры удалось снизить остаточное содержание Р2О5 в два раза до 4-6%. При производстве фосмуки по сравнению с предьщущим способом использования горной породы в качестве удобрения без переработки, естественно, нарастает количество экологических проблем. К проблемам, связанным с работой добычных карьеров, добавляются проблемы связанные с обогащением. В концентрат извлекается 35% фосфоритной руды, 65% горных пород уходит в хвосты. Значит, из 100 т руды будет получено 35 т фосмуки и 65 т эфелей. Хвосты нужно будет где-то хранить, заняв под них достаточно большую площадь. Для мокрого грохочения непрерывно нужна вода. Нужно будет организовать водозабор, отстойники, возвратное, замкнутое водоснабжение. Нужно следить, чтобы сбросовые воды были очищены от мути. Использование при обогащении флотации подразумевает продуманную систему защиты сбрасываемых вод от попадания поверхностно активных веществ (ПАВ). Необходимость сушки и пересьшания материала требуют мер по предупреждению запыленности рабочих помещений и исключения выбросов пыли вентиляционными системами.
Фосмука, конечно, подходит в качестве удобрения кислых почв, но легко растворимые фосфатные удобрения - всякого рода суперфосфаты, несомненно, действуют намного эффективнее. Производству суперфосфатов из егорьевских фосфоритов препятствуют несколько обстоятельств. Максимальное содержание Р2О5 в концентрате едва превышает 25%. В апатитовом концентрате содержание Р2О5 доходит до 40%. И, конечно, суперфосфат выгоднее делать из него. В фосфатном концентрате большая доля (до 30%) падает на «нерастворимый остаток», то есть на ту часть, которая нерастворима в кислотах, например, кварц. Достаточно много в егорьевских фосфоритах полуторных окислов (БегОз, АЬОз). Концентрация каждого из них, вроде бы, находится в допустимых пределах, но все это вместе удорожает производство суперфосфатов, так как требует дополнительного расхода кислот.
Вообще-то известны удачные попытки разработать технологию, например, получения димонофосфата кальция из бедных желваковых фосфоритов [Ангелов и др., 1996]. Димонофосфат по своим качествам практически не уступает суперфосфатам, но эта технология появилась уже после того, как добыча егорьевских фосфоритов была прекращена.
Допустим, что технология димонофосфата кальция окажется экономически выгодной. Что нас ожидает в этом случае? Одно правило неукоснительно выполняется в геоэкологии - чем глубже переработка сырья, тем большие экологические проблемы нас ожидают. Какие сложности могут возникнуть, можно судить по работам группы исследователей [Горбунов, Онищенко и др., 1991, 2001], подробнейшим образом исследовавших воздействие производства фосфорных удобрений на окружающую среду и человека. Только один пример. В процессе производства суперфосфата освобождается фтор - химический элемент I класса токсической опасности. Это угрожает не только здоровью работников предприятия, но и всей окружающей среде и населению из-за выбросов в атмосферу и в поверхностные воды.
Эфели, другими словами, хвосты обогащения фосфоритов отличаются повышенными содержаниями Р2О5. Еще в 1960-е годы задумывались о том, нельзя ли использовать эфели в качестве слабого, но полезного фосфатного удобрения (Лев, 1961). Позже даже пытались подсчитать запасы эфелей [Голоскоков, 1992]. Но эти несколько попыток почему-то затухали, не достигнув конечного результата.
Кварцевоево-глауконитовые пески
Выше залегает фосфоритный слой, представленный кварцево-глауконитовыми и глауконитовыми желваками фосфоритов, сгруженными в кварцево-глауконитовом песке. Песок темнозеленый и зеленоватосерый, мелкозернистый, глинистый, слабо слюдистый, иногда сцементирован в рыхлый фосфатизированный песчаник. Мощность слоя 0,1-0,3 м. Верхнюю часть зоны слагают кварцево-глауконитовые пески, темно-зеленые до черных, мелкозернистые, слюдистые, глинистые, местами переходящие в песчанистую глину. Встречаются редкие конкреции фосфоритов кварцево-глауконитового типа и единичные гальки черных крепких "чистых" фосфоритов. Местами, в нижней части слоя, в 0,2-0,4 м от подошвы, наблюдается скопления рыхлых глауконитовых фосфоритовых сростков, образующих маломощные (около 0,1 м) невыдержанные прослои. Мощность слоя 0,6-2,3 м. Нередко нижний слой Virgatites virgatus размыт и фосфоритные горизонты нижней и средней зон среднетитонского подъяруса сливаются в единый фосфоритный слой, в котором наблюдается смешение фауны обеих описанных выше зон. Фосфоритные слои этих двух зон образуют нижний фосфоритный слой продуктивной толщи Егорьевского месторождения (среднетитонский). Местами фосфоритный слой представлен конгломератовидной плитой, сцементировапной фосфато-кальцитовым цементом. Зона Epivirgatites nikitini
Верхняя зона среднетитонского подъяруса представлена отложениями, литологически сходными с подстилающими отложениями верхней части зоны Virgatites virgatus и покрывающими породами нижней части верхнетитонекого подъяруса. Выделение этой зоны возможно лишь там, где слои палеонтологически охарактеризованы. Отложения зоны Epivirgatites nikitini установлены в южной части месторождения, где они представлены песками кварцево-глауконитовыми, зеленовато черными, мелкозернистыми, слюдистыми, сильно глинистыми. Их мощность 0,3 -1,5 м. Общая мощность отложений среднетитонского подъяруса обычно 1,5-Зм, в северо-западной части она возрастает до 4-6 м. ВерХПеТИТОНСКИЙ ПОДЪЯРУС (Jitti)
Верхнетитонские отложения с размывом ложатся на среднетитонские. Площади их распространения несколько меньше, по сравнению с среднетитонскими, так как они в большей степени подверглись размыву в третичное и четвертичное время. В составе верхнетитонских отложений выделяется три зоны (снизу вверх): 1. Зона Kashpurites fulgens; 2. Зона Craspedites subditus; 3. Зона Craspedites nodiger. Зона Kashpurites fulgens Отложения этой зоны представлены кварце во-глауконитовыми песками, темно-серыми, зеленовато-серыми, буровато-зелеными, тонко и мелкозернистыми, глинистыми, слюдистыми, с редкими конкрециями кварцево-глауконитовых фосфоритов. Мощность зоны обычно 0,8-1,5 м.
Отложения этой зоны литологически сходны с залегающими ниже песками зоны Epivirgatites nikitini среднетитонского подъяруса. Это обычно затрудняет проведение границы между средним и верхним титонскими подъярусами. Поэтому, при отсутствии фаунистических находок, пески не расчленяются и индексируются как переходные ./3/6-5. Выше этих песков залегает верхний фосфоритный слой продуктивной толщи Егорьевского место рождения.
Мощность песков, разделяющих нижний и верхний фосфоритные слои, колеблется от 0,5-0,6 м до 6-7,8 м, чаще составляет 1,5-3 м. При этом наблюдается увеличение мощности разделяющих песков в направлении с юга на север. В южной части мощность их колеблется в пределах 0,8-2 м, а к северу возрастает до 6-7 м.
Зона Craspedites subditus Отложения этой зоны представлены кварцево-глауконитовым фосфатизировапным песчаником, черным, мелкозернистым, содержащим богатую фауну. В нижней части песчаник обычно переполнен раковинами пелеципод. Нередко де редко песчаник децементирован до песка, в котором содержатся стяжения фосфоритов с остатками фауны. Иногда встречаются маломощные (0,05 м) прослои глин. Мощность отложений зоны колеблется от 0,1 до 1,4 м, чаще составляя 0,5-1,0 м.
Зона Craspedites nodiger Отложения этой зоны встречаются на площадях с минимальными высотными отметками ложа титонских образований. Они представлены кварцево-глауконитовым фосфатизированным песчаником с неравномерно рассеяными мелкими железистыми оолитами. Местами песчаник децементирован и превращен в песок с обломками песчаника. Мощность отложений зоны 0,4-1,0 м.
Общая мощность верхнетитонских отложений варьирует от 0,2-0,4 до 2,0-2,5 м. На северо-западе района она возрастает до 4,9 м.
Отложения меловой системы представлены берриасским, валанжинским и нерасчлененным готериввским и барремским ярусами. На севере территории, похоже, присутствуют аптские образования. Меловые отложения представлены морскими песчано-глинистыми осадками, с размывом залегающими на различных горизонтах титонских отложений. Площади их распространения довольно значительны. Преимущественным развитием пользуются породы берриасского и валанжинского ярусов. Готерив-барремские образования занимают значительно меньшие площади и приурочены; -главным образом-,- к - северной-части - месторождения.- -Аптские- -породы имеют незначительное развитие. Они отмечены лишь на небольшой площади на севере района. Берриасский щус{КіЬ}— - — - Отложения беррисасского яруса, с размывом залегающие на титонских, распространены в тех же местах, что и титонские, но занимают меньшие площади. Раньше -эти--отложения-назывались-"рязанеким-горизонтом"; Они представлены серыми и темно-серыми тонкозернистыми песками и глинами с большим количеством желваков фосфоритов и железистыми оолитам Местами: желваки сцементиррмны в ллиту железисто-фосфатным-цементом;-Иногда над фосфоритовым слоем залегает слой серой оолитовой глины без фосфоритов или с отдельными желваками. Мощность берриаса (рязанского горизонта) 0,3-1,0 м, при_этом мощность верхнего слоя оолитовых глин-обычно-составляет 0,05-0,-1 м-,-редко-достигая-0,3 м
Геохимия радионуклидов в фосфоритной серии Егорьевского месторождения
Установленные закономерности распределения мощностей и содержаний Р2О5 на площади месторождения позволили разделить его по близости разведочных показателей на 3 площади. В Северную площадь попали участки: Новоселовский, Лидинский, северозападная часть Барано-Игнатьевского, юго-восточная часть Барано-Игнатьевского, Кладьковский. В Центральную площадь попали участки: Осташевский, Челоховский, Игнатьевский, Лопатинский, Воскресенский, Таракановский, Вострянский, Елкипский, Новочеркасский, Восточный. И последняя, Южная площадь включает участки: Семиславский, Мезенский, Даршценский, Раменковский и Парфентьевский.
Для каждого участка месторождения автором диссертационной работы были намечены условные «центры тяжести». По карте разведочных участков (рис. 4) были измерены координаты центров тяжести и добавлены в таблицу. Там же был еще введен столбец с расстоянием каждого участка от условного центра всего Подмосковного бассейна. Было принято, что он соответствует одному небольшому ранее отработанному участку месторождения. Вся совокупность данных была подвергнута статистическому анализу. Сначала считались различные описательные статистики, которые представлены в таблице 5, где приведен сокращенный перечень описательных статистик. Он легко мог быть расширен в 2 раза. Но к таким статистикам как асимметрия, эксцесс и их стандартным ошибкам обращаются при очень серьезных статистических исследованиях. Таблица 5. Описательные статистики основных параметров фосфоритной залежи Егорьевского месторождения (исходные данные см. табл. 3)
Одних описательных статистик недостаточно, чтобы охарактеризовать изучаемую статистическую совокупность. Анализ нужно сопровождать построением точечных графиков зависимости и гистограмм распределения каждой переменной. Мы пользовались программой Statistica, которая может строить, так называемые «матричные графики» (рис. 10). Матричные графики (или графические матрицы) удобны тем, что в обозримом виде дают представление о таких описательных статистических характеристиках, как гистограммы каждой переменной и взаимные корреляции каждой переменной друг с другом. Это достигается построением точечных графиков зависимости. Распределение Матрица графиков точечной зависимости основных параметров фосфоритной серии
Положительная значимая связь наблюдается между расстоянием и содержаниями Р2О5 в верхнем фосфоритном слое и в кварцево-глауконитовых песках. Значит, чем ближе берег, тем богаче руды. Любому непредвзятому геологу ясно, что это обозначает - откуда бьш снос материала, там его больше и оседало. Но пока подождем с выводами. И более внимательно рассмотрим наши данные.
О.А. Кириллин [1988] разделил всю территорию на три части (см. выше) по близости мощностей слоев и концентраций фосфора. В статистике давно используется один из методов автоматической группировки (кластер-анализ) - метод построения деревьев сходства или дендрограмм. Результаты такого анализа показаны на рис. 11.
Переменные в выборке измерены в разных единицах (м и %) и относятся к разным масштабам (0,2 м и 39000 м). Поэтому перед построением дендрограмм все переменные были стандартизованы. Из каждого текущего значения переменной вычитались соответствующие средние, и эта разность делилась на стандартное отклонение. После такой процедуры все переменные оказывались выраженными в одних единицах. По этим новым значениям и строились дендрограммы. В качестве меры сходства использовалось дополнение коэффициента корреляции (Пирсона) до единицы (1 - г).
Структура полученой дендрограммы - сложная и не дает повода выделить 3 группы участков. Значит, со статистической точки зрения упрощенное разбиение участков месторождения на три группы (Северная, Центральная и Южная), как это сделал О.А. Кириллин [1988], вряд ли, даст корректные результаты. Поэтому предлагается перейти на старый, испытанный способ анализа пространственной измеїїчивости геологических параметров - способ построения карт в изолиниях.
На рис. 12 приведена карта изолиний мощности нижнего фосфоритного слоя. Эта карта (как и все остальные, приведенные в этой главе) построена с использованием метода интерполяции - метода «наименьшей кривизны». Карта построена в интегрированном программном комплексе MicroMine. Рис. 12. Карта изменения мощностей нижнего фосфоритного слоя.
Получившуюся карту можно, образно выражаясь, сравнить с шахматной доской. На ней «в шахматном порядке» чередуются минимальные и максимальные мощности нижнего фосфоритного слоя. Яркая раскраска может произвести впечатление того, что мощность очень резко меняется от места к месту. Но, если взглянуть на значения мощностей, то вариации выглядят совсем не резкими. Например, около центра карты в одной точке мощность равна 27 см, а в «рядом расположенной» точке - 34 см. Разница - 7 см. Но на местности между этими точками (Осташевский и Игнатьевский участки) рсстояние 5,3 км. Получается, что на расстояние 1 км мощность прирастает всего на 1,5 см.
