Фосфориты

Фосфориты — это осадочные горные породы, состоящие преимущественно из фосфатных минералов (главным образом из группы апатита), в которых содержание оксида фосфора (P₂O₅) составляет не менее 5–8 %. Фосфориты являются одним из основных источников фосфора для производства минеральных удобрений, фосфорной кислоты и других химических продуктов. Отличаются от апатитовых руд магматического происхождения более низким содержанием P₂O₅ и сложным минеральным составом, включающим примеси карбонатов, кремнезёма, глинистых минералов и органического вещества.

История изучения и использования

Фосфориты известны человечеству с древности, но их промышленное освоение началось в XIX веке. В 1840-х годах немецкий химик Юстус фон Либих доказал, что фосфор является необходимым элементом для роста растений, что стимулировало поиск природных источников фосфатов. Первые крупные месторождения фосфоритов были открыты в Великобритании (Кембриджшир, 1847), а затем в США (Флорида, 1880-е годы) и Северной Африке (Тунис, Алжир, Марокко, конец XIX века).

В России систематическое изучение фосфоритов началось в конце XIX — начале XX века. В 1915 году геолог Александр Ферсман организовал экспедиции на Кольский полуостров, что привело к открытию Хибинских апатитовых месторождений (магматического типа), однако фосфориты осадочного происхождения в России долгое время оставались малоизученными. Крупнейшие разведанные запасы фосфоритов в СССР были сосредоточены в Казахстане (Каратау), Эстонии (Маарду) и на территории современной России (Егорьевское месторождение в Московской области, Вятско-Камское месторождение в Кировской области).

В XX веке фосфориты стали основным сырьём для производства фосфорных удобрений, что способствовало «зелёной революции» и росту урожайности сельскохозяйственных культур. В настоящее время мировые запасы фосфоритов оцениваются в десятки миллиардов тонн, при этом более 70 % разведанных ресурсов сосредоточено в Марокко и Западной Сахаре.

Классификация фосфоритов

Фосфориты классифицируют по нескольким признакам: происхождению, минеральному составу, текстурно-структурным особенностям и содержанию P₂O₅.

По происхождению

• Морские фосфориты — образуются на континентальном шельфе в зонах апвеллинга (подъёма глубинных вод, богатых фосфором). Наиболее распространённый тип, к которому относятся месторождения Марокко, Флориды, Каратау. Формируются в виде пластов, конкреций, желваков.
• Континентальные фосфориты — образуются в условиях гумидного климата в озёрах, болотах, речных долинах. Менее распространены, часто имеют низкое содержание P₂O₅. Примеры: месторождения в бассейне реки Волги (Россия).
• Органогенные фосфориты — связаны с накоплением фосфатных остатков организмов (костей, зубов, раковин). Встречаются редко, имеют локальное значение.

По текстурно-структурным особенностям

• Пластовые фосфориты — залегают в виде выдержанных по простиранию пластов мощностью от нескольких сантиметров до десятков метров. Характерны для крупных промышленных месторождений.
• Желваковые (конкреционные) фосфориты — представлены стяжениями (конкрециями) размером от 1–2 см до 20–30 см, рассеянными в песчано-глинистой или карбонатной породе. Типичны для месторождений Подмосковья (Егорьевское).
• Галечные и брекчиевидные фосфориты — образуются в результате переотложения фосфатного материала.

По содержанию P₂O₅

• Богатые — содержание P₂O₅ более 25 %.
• Средние — 15–25 %.
• Бедные — 5–15 %.

Состав и свойства

Фосфориты состоят из фосфатных минералов, главным образом из группы апатита: фторапатита (Ca₅(PO₄)₃F), гидроксилапатита (Ca₅(PO₄)₃OH) и карбонатапатита (Ca₁₀(PO₄)₆CO₃). В качестве примесей присутствуют кварц, кальцит, доломит, глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит), глауконит, пирит, органическое вещество.

Основные физические свойства:

• Цвет: от светло-серого, жёлтого до тёмно-серого, коричневого, чёрного (зависит от примесей органики).
• Твёрдость по шкале Мооса: 3–5.
• Плотность: 2,5–3,0 г/см³.
• Растворимость: плохо растворимы в воде, но хорошо — в сильных кислотах (серной, азотной, соляной).

Химический состав варьирует в широких пределах. Помимо P₂O₅ (5–40 %), в фосфоритах содержатся CaO, CO₂, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, F, а также редкоземельные элементы (лантан, церий, иттрий) и уран.

Месторождения и добыча

Крупнейшие месторождения мира

• Марокко (Хурибга, Бен-Герир, Юсуфия) — более 70 % мировых запасов. Содержание P₂O₅ — 25–35 %. Разрабатываются открытым способом.
• США (Флорида, Северная Каролина, Айдахо) — запасы около 1 млрд тонн. Содержание P₂O₅ — 20–30 %.
• Китай (провинции Юньнань, Гуйчжоу, Хубэй) — запасы около 3 млрд тонн. Содержание P₂O₅ — 15–25 %.
• Россия — запасы фосфоритов оцениваются в 1,5 млрд тонн (в пересчёте на P₂O₅). Основные месторождения: Егорьевское (Московская область), Вятско-Камское (Кировская область), Кингисеппское (Ленинградская область), месторождения в бассейне реки Волги. Содержание P₂O₅ — 5–18 %.
• Казахстан (Каратау) — запасы около 1,5 млрд тонн. Содержание P₂O₅ — 18–25 %.
• Иордания, Израиль, Сирия, Египет — значительные запасы в бассейне Мёртвого моря и Восточного Средиземноморья.

Способы добычи

Основной способ — открытая разработка (карьеры). Вскрышные породы удаляются, затем фосфоритовая руда извлекается экскаваторами, бульдозерами или драглайнами. В некоторых случаях (например, в Китае) применяется подземная добыча. После извлечения руда подвергается обогащению: дроблению, измельчению, флотации, магнитной сепарации, промывке для удаления примесей.

Применение

Производство удобрений

Основное направление использования фосфоритов (около 80–85 % мировой добычи) — производство фосфорных минеральных удобрений. Из фосфоритов получают:

• Суперфосфат простой (Ca(H₂PO₄)₂ + CaSO₄) — получают обработкой фосфоритов серной кислотой. Содержание P₂O₅ — 14–20 %.
• Суперфосфат двойной (Ca(H₂PO₄)₂) — получают обработкой фосфоритов фосфорной кислотой. Содержание P₂O₅ — 40–50 %.
• Аммофос (NH₄H₂PO₄) — смесь моноаммонийфосфата и диаммонийфосфата.
• Фосфоритная мука — тонкоизмельчённый фосфорит, применяемый на кислых почвах (содержание P₂O₅ — 20–25 %).

Химическая промышленность

Фосфориты служат сырьём для получения:

• Фосфорной кислоты (H₃PO₄) — экстракционным (сернокислотным) или термическим способом. Фосфорная кислота используется в производстве удобрений, кормовых фосфатов, моющих средств, пищевых добавок (E338).
• Элементарного фосфора (P₄) — путём восстановления фосфоритов углеродом в электропечах. Элементарный фосфор применяется в производстве фосфорорганических соединений, спичек, зажигательных смесей, полупроводников.
• Фосфатов натрия, калия, аммония — для моющих средств, буферных растворов, огнезащитных составов.

Другие области

• Металлургия — фосфориты используются как флюсы при выплавке стали (для удаления серы и фосфора).
• Строительство — фосфогипс (отход производства фосфорной кислоты) применяется в производстве строительных материалов (гипсокартон, цемент).
• Сельское хозяйство — кормовые фосфаты (дикальцийфосфат, трикальцийфосфат) для подкормки животных.
• Медицина — фосфаты кальция используются в стоматологии (цементы, имплантаты), а также в производстве биосовместимых материалов.

Экологические аспекты

Добыча и переработка фосфоритов связаны с рядом экологических проблем:

• Нарушение земель — открытые карьеры занимают большие площади, требуют рекультивации.
• Загрязнение вод — стоки с фосфоритовых месторождений содержат фосфор, фтор, кадмий, уран, что приводит к эвтрофикации водоёмов и токсическому загрязнению.
• Радиоактивность — фосфориты часто содержат уран и торий, что создаёт радиационную опасность при добыче и переработке.
• Отходы — при производстве фосфорной кислоты образуется фосфогипс (до 5 тонн на 1 тонну P₂O₅), который содержит радиоактивные примеси и плохо утилизируется.

В ряде стран (США, страны ЕС) действуют ограничения на содержание кадмия и других токсичных элементов в фосфорных удобрениях. Ведутся исследования по разработке технологий извлечения редкоземельных элементов и урана из фосфоритов, что может снизить экологическую нагрузку.

Экономическое значение

Фосфориты являются стратегическим сырьём, поскольку фосфор — незаменимый элемент для сельского хозяйства. Мировые цены на фосфориты подвержены колебаниям в зависимости от спроса на удобрения, политической ситуации в странах-экспортёрах (Марокко, Китай) и транспортных издержек. По данным Международной ассоциации производителей удобрений (IFA), мировое потребление фосфорных удобрений в 2022 году составило около 45 млн тонн P₂O₅, при этом более 60 % приходится на Китай, Индию, Бразилию и США.

Россия занимает 5–6-е место в мире по добыче фосфоритов (около 10–12 млн тонн руды в год), однако значительная часть потребностей в фосфорных удобрениях покрывается за счёт переработки апатитового концентрата с Кольского полуострова (Хибинские месторождения). Фосфориты осадочного типа в России используются в основном для производства фосфоритной муки и суперфосфата.

Источники

• Геологический словарь. — М.: Недра, 1978.
• Фосфориты России / под ред. В. В. Архангельского. — М.: Геоинформмарк, 1999.
• Справочник по геологии фосфоритов / под ред. А. С. Соколова. — Л.: Недра, 1984.
• Доклад Международной ассоциации производителей удобрений (IFA) «Мировой рынок фосфорных удобрений», 2023.
• Данные Геологической службы США (USGS) «Mineral Commodity Summaries 2024: Phosphate Rock».