ОСАДОЧНЫЕ ПОРОДЫ

Стратиграфия. Литология

Стратиграфия

В пермское время площадь современного фосфоритоносного поля была покрыта морем. Главная часть этого моря располагалась в Кордильерской геосинклинали в западной части района, однако его мелководная часть распространялась на большое расстояние к востоку в пределы платформы; эта часть морского бассейна известна под названием Вайоминг- ского шельфа. фосфоритоносное поле тяготеет к петлеобразному изгибу границы между геосинклиналью и платформой. Как и следовало ожидать для подобной обстановки, пермские отложения претерпевают значительные изменения по мощности и составу в пределах региона в широтном направлении. В южной части центрального Айдахо эти отложения имеют мощность более 1300 футов и состоят из переслаивающихся пластов кремнистых пород, углистых аргиллитов и фосфоритов. К востоку мощность этой толщи уменьшается до 300 футов, и она фациально замещается карбонатными породами в южной части платформы и песчаниками — в северной.

Фациальные переходы носят постепенный характер и в разрезах наблюдаются многочисленные взаимные проникновения осадков, соответствующих разным фациям. область распространения фосфоритов в платформенной части представлена апофизой геосинклинальной фации, прогрессивно уменьшающейся в мощности в восточном направлении вплоть до полного исчезновения в восточной части центрального Вайоминга.

Исчерпывающее описание этих отложений и их региональных взаимоотношений опубликовано Мак-Келви и др. (McKel- vey et al., 1956). Эти исследователи, назвали кремнистые, углистые и фосфатные осадки геосинклинальной фации формацией Фосфория, карбонатные породы платформенной фации — формацией Парк-Сити, а платформенные песчаники этой толщи — песчаниковой формацией Шедхорн. Всего выделено 11 горизонтов. Все три формации залегают на осадках пенсильванского возраста и в пределах большей части района перекрываются глинистыми сланцами формации Динвуди триасового возраста.

Несмотря на региональные изменения фациального состава, достоверно установлена непрерывность распространения в горизонтальном направлении толщи формации Фосфория. Три горизонта формации, присутствующие в юго-восточном Айдахо, где формация была впервые описана, без труда прослеживаются в пределах обширной территории остальной части штата Айдахо и смежных частей штатов Вайоминг и Юта. В некоторых частях этого региона пласты мощностью всего Лишь один-два фута прослеживаются на десятки миль.

Литология

По данным Мак-Келви и др. (McKelvey et al., 1956), формация Фосфория состоит из продуктов смешения материалов трех типов: 1) обломочного вещества, преимущественно пели- товых и алевритовых частиц кварца, слюды и полевого шпата; 2) химически осажденного вещества, главным образом кремня, кальцита, доломита и карбонат-фторапатита (коллофана), и 3) углистого вещества, обусловливающего преобладающую темно-бурую и черную окраску пород формации. Поскольку породы формации представляют собой смеси всех трех перечисленных выше типов вещества и отлагались в однородной обстановке, их внешний облик сходен и они слабо отличаются друг от друга. Действительно, «в большинстве случаев полевые определения пород пересматривались и видоизменялись после проведения микроскопических исследований и химических анализов» (McKelvey et al., 1956, стр. 4). Иначе говоря, наиболее важное свойство всех этих пород — их состав; полевые определения имеют значение лишь до получения данных лабораторных исследований. Так, буровато-черная мягкая зернистая порода в зависимости от содержания Р2О5 может оказаться фосфоритом или простым фосфатистым аргиллитом.

Пласты фосфоритов наибольшей мощности и наиболее высокого качества установлены в районе реки Бэр в юго-восточной части штата Айдахо, вблизи городов Монтпилрер и Сода» Спрингс. Здесь формация Фосфория состоит из трех горизонтов. Нижний горизонт Мид-Пик мощностью 175—200 футов сложен фосфатистыми глинистыми сланцами; средний горизонт Рекс мощностью около 240 футов представлен кремни* стыми отложениями; верхний, обычно плохо обнаженный, горизонт мощностью до 50 футов состоит из кремнистых глинистых сланцев. Промышленные пласты фосфоритов приурочены к горизонту Мид-Пик.

Горизонт Мид-Пик состоит из фосфатистых аргиллитов и фосфоритов, перемежающихся с тонкими прослоями известняков. Фосфатное вещество представлено коллофаном, главным образом в виде эллипсоидальных стяжений и желваков, наибольший диаметр которых 0,05—3 см (McKelvey et al., 1953, стр. 52). В большинстве случаев выделения фосфата бесструктурны, но у стяжений средних размеров обнаруживается концентрическая полосчатость. Многие более крупные желваки представляют собой сцементированные мелкие фосфатные стяжения. В некоторых немногочисленных слоях коллофан присутствует в виде фосфатизированных раковин брахиопод и чешуек рыб.

Фосфориты обычно хорошо сцементированы коллофаном, глинистым или углистым веществом, кремнеземом или карбонатами, причем может преобладать любой из этих видов цемента. Мощность отдельных слоев фосфоритов достигает 15 футов, однако в большинстве случаев их толщина не превышает дюйма и они переслаиваются с аргиллитами или карбонатными осадками. Косая слоистость в фосфоритах наблюдается редко, а знаки ряби отсутствуют.

Содержание PjOs может достигать 38%, но, как это показано на  6.7, в пластах рентабельной мощности количество Р2О5 не превышает 32%. На этой же фигуре можно видеть, что горизонт Мид-Пик симметричен в разрезе: верхняя и нижняя его половины представляют собой почти зеркальное отражение относительно середины. Таким образом, этот горизонт соответствует полному циклу осадконакопления. Нижний пласт фосфоритов — главный продуктивный пласт в юго-восточной части штата Айдахо, но верхний пласт также местами разрабатывается.

Налегающая на продуктивный горизонт толща Рекс сложена различными кремнистыми породами, изменяющимися от стекловатых и просвечивающих до тусклых и непрозрачных. В этой толще также присутствуют прослои аргиллитов и кремнистых карбонатных пород. Мощность пластов толщи колеблется от долей дюйма до двух футов и более; слоистость ровная, волнистая или линзовидная. Кроме того, в толще Рекс встречаются крупные линзы грубозернистых светло-серых известняков мощностью до 50 футов и протяженностью до мили.

В 1953 г. Мак-Келви, Свэнсон и Шелдон (McKelvey, Swan- son, Sheldon, 1953, стр. 54—62) изложили хорошо обосневан- ные взгляды на происхождение формации Фосфория и подчиненных ей фосфоритных отложений. Они широко использовали в своих построениях общую гипотезу происхождения фосфоритов, опубликованную за несколько лет перед этим Казаковым (Kazakov, 1937), значительно дополнив ее доказательствами, почерпнутыми из собственных наблюдений. Здесь можно рассмотреть лишь главнейшие их выводы.

Один из фактов, который необходимо объяснить при рассмотрении генезиса фосфоритов Запада США, — огромное количество фосфата, сконцентрировавшегося в формации Фосфория, в пять раз превышающее суммарное содержание Р2О5 в современном океане. Мак-Келви и его соавторы пришли к выводу, что важнейшим фактором при формировании фосфоритов и других химически осажденных осадков была циркуляция океанических вод и что формация Фосфория в течение длительного периода была местом концентрации главной части ресурсов пермского океана. Эти исследователи отметили отсутствие в осадках формации заметного количества кла- стического материала, который лишь несколько разубоживает фосфориты. Второй факт, нуждающийся в рассмотрении, — присутствие в фосфоритах фтора. Мансфилд (Mansfield, 1940) предположил, 4to фтор мог выделяться в процессе вулканической деятельности, проявлявшейся западнее фосфори- тоносного бассейна, и по существу развил вулканическую гипотезу происхождения фосфоритов, признав фтор агентом, способствовавшим осаждению фосфата, а в послепермское время обеспечившим сохранность фосфоритов в нерастворимом состоянии. Однако в современной морской воде содержится значительно больше фтора, чем фосфата, и, таким образом, можно полагать, что для объяснения присутствия фтора в фосфоритах нет надобности привлекать какой-либо необычный источник. Третья специфическая особенность формации Фосфория — присутствие в ней небольших количеств малых металлов, например урана, ванадия и селена (стр.268). По Мак-Келви и его соавторам, эта ассоциация элементов собственно аналогична наблюдающейся в современной морской воде, и, более того, морская вода — единственный источник, который мог бы обусловить концентрации таких элементов в осадках.

В связи с изложенными выше соображениями делается вывод, что фосфаты и ассоциирующие с ними вещества, вероятнее всего, выделились из нормальной морской воды, а не из каких-либо локальных и специфических источников.

Изучение палеогеографии позволяет считать, что бассейн, в котором отлагались осадки формации Фосфория, с запада, севера и востока был окружен низменной сушей, откуда поступало лишь незначительное количество обломочного материала. В южном и юго-восточном направлении этот бассейн был связан с открытым океаном. Наиболее глубокая часть бассейна располагалась в пределах южного Айдахо и западной Юты, отсюда во все стороны, за исключением южного направления, дно бассейна постепенно повышалось. Фосфаты отлагались в краевых шельфовых частях бассейна. Спокойная слоистость, отсутствие знаков ряби и почти полное отсутствие косой слоистости в фосфоритах свидетельствуют, что их отложение происходило ниже уровня действия волн. Основываясь частично на аналогии с условиями глубинности осаждения фосфоритов в современных морях, Мак- Келви и его соавторы полагают, что глубины накопления фосфоритов в фосфорийском море составляли от 200 до 1000 м.

Предполагается, что в фосфорийское море из океанического резервуара с юга и юго-запада проникали холодные обогащенные фосфатным веществом воды; по мере возрастания величины рН й температуры этих вод, а также с понижением парциального давления СОг из них химически осаждался фосфат. В зоне фотосинтеза обогащенные фосфатом воды вызывали бурное развитие взвешенной в воде растительности, в результате отмирания и разложения которой образовалось углистое вещество фосфоритоносных осадков. Труднее объяснить происхождение кремнистых осадков, однако и они могли накапливаться в виде остатков кремнеземистых взвешенных в воде микроорганизмов. Остаются невыясненными вопросы о значении мелких стяжений (pellet) фосфоритов и о причинах, контролировавших осаждение малых металлов.

Разработанная Мак-Келви и его сотрудниками гипотеза, кратко изложенная выше, убедительно объясняет многие особенности формации Фосфория и слагающих ее осадков. Однако возникают сами собой некоторые важные вопросы. Любое эпиконтинентальное море глубиной более 3000 футов представляет некоторый «специфический источник» осадков. Если при этом оказалось установленным, что фосфат и ассоциирующие с ним вещества отлагались в нормальной морской воде, то представляется весьма странным отсутствие других фосфоритоносных отложений, подобных формации Фосфория.

Структура

Западная часть региона, в пределах которого отлагалась формация Фосфория ( 6.6), расположена в провинции Бассейнов и Хребтов. Это область прерывистых складчатых поясов, частично образующих горы, разделенные широкими сбросовыми долинами, которые выполнены четвертичными осадками или лавами. Складки, в большинстве своем крупные и открытые, секутся многочисленными надвигами.

Несколько восточнее в пределах района, располагающегося в области геосинклинали поблизости от зоны смены фаций, показанной на  6.6, развита сжатая складчатость и надвиговые нарушения. Давление было направлено с запада. Лишь к этому складчатому поясу приурочены промышленные месторождения фосфоритов. Складчатый пояс представляет собой вытянутую горную область длиной 200 миль и шириной около 50 миль. Складчатость сжатая, часто изоклинальная и опрокинутая. Широко развиты крупные надвиги и мелкие секущие сбросы. «Редко удается обнаружить выхол осадочных пород протяженностью более мили, не разбитый тектоническим нарушением, и обычно выходы формации Фосфория настолько тектонически нарушены и раздавлены, что совершенно непригодны для эксплуатации» (McKelvey, 1949, стр. 272). Следовательно, геологическая структура в районе имеет чрезвычайно важное значение для развития эксплуатационных работ.

Только что охарактеризованный складчатый пояс и располагающийся восточнее шельфовый регион входят в систему Скалистых гор, однако структура шельфовой области значительно проще. Складки представляют собой крупные открытые своды, образующие такие горные цепи, как Уинта в северо-западном Колорадо и Уинд-Ривер в западном Вайоминге. Горные цепи разделяются широкими долинами, выполненными мощными третичными осадками.