Основные и косвенные виды агрохимического сырья

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные и косвенные виды агрохимического сырья



Вы будете изучать

· Понятие и определение агрономических агроруд и других видов нетрадиционного сырья используемого в сельском хозяйстве

· Объект и предмет представленного курса

· Исторический аспект использования агрономических руд

· Происхождение, состав и свойства агроруд, основные месторождения, запасы в мире и России

· Основные виды агрохимического сырья (Азотные, фосфорные, калийные)

· Кальцийсодержащие (карбонатные) агрономические агроруды

· Магнезиальное сырье

· Нетрадиционные виды минерального сырья

· Основы использования агроруд

Цели модуля

· Изучить классификацию основных агрономических руд (азотных, фосфорных, калийных, природных органических)

· Умение выделять агрономические руды из огромной массы горных пород и минералов

· Изучить классификацию косвенных агрономических руд ( карбонатных, магнезиальных и др.)

После изучения модуля вы сможете

· Определять все в виды агроруд, используемые в сельском хозяйстве

· Знать основные способы использования агроруд в сельском хозяйстве

· Определять основные виды агроруд применяемых в сельском хозяйстве среди других горных пород и минералов

· Оценить местные минеральные ресурсы с точки зрения использования в сельском хозяйстве

Основная литература

1. «Агроруды и другие виды минерального сырья» (Учебное пособие) Гришин П.Н., Кравченко В.В. Изд-во СГУ, 2010, с.5-56

2. Бондарев В.П. Геология.: М. ФОРУМ-ИНФРА-М, 2007.-218с.

3. Бондарев В.П. Практикум: М. ФОРУМ-ИНФРА-М, 2002.-с. 34-43.

4. Борголов И.Б. Курс геологии. - М.: Агропромиздат, 1989. - 216 с.

Ключевые слова и термины

Агроруды, минерально-сырьевая база агрохимии, стратегически важные сырьевые материалы, селитры, гуано, мочевина, калиевые соли, глауконит, нефелин, сыннерит, фосфорит, вивианит, торфовивианит, «болотные фосфаты», сапропель, торф



1. Введение в предмет. История изучения и использования агроруд

Известно много примеров, когда богатые, тучные земли, которые кормили десятки и сотни тысяч человек, быстро превращаются в бесплодные пустыни. Вредители и болезни сельскохозяйственных растений, - ещё одна беда. Они могут уничтожить весь выращенный урожай. На протяжении тысячелетий земледелец настойчиво борется с этими главными невзгодами -- истощением почв и вредителями и болезнями.

Чтобы обеспечить себя продовольствием, человек издавна использовал особые виды минерального сырья, так называемые агрономические руды. Они применяются как удобрения и минеральные добавки в корм домашнему скоту. Кроме того, руды, содержащие мышьяк, фтор, барий, серу, используют для изготовления ядохимикатов, средств борьбы против вредителей и болезней.

В настоящее время только для нужд сельского хозяйства добывается несколько миллиардов тонн различных руд, а в XXI века требуется вдвое больше. Расходы на перевозку руд огромны. Поэтому геологи ищут месторождения как можно ближе к потребителям, т.к. перевозка именно этого сырья, как никакого другого, увеличивает его стоимость.

Уже первые земледельцы удобряли свои поля навозом, птичьим помётом (гуано), костной мукой, золой. В древности и средние века крестьянам часто приходилось покидать обжитые земли из-за их истощения и осваивать новые территории. Для этого выжигали большие участки лесов, на которых непродолжительное время получали более богатые урожаи. Однако земля истощалась снова и снова. Сельское хозяйство могло так развиваться до тех пор, пока планета мало населена и пригодных для земледелия территорий хватало всем. Но население росло, сокращались неосвоенные площади и над человеке нависала реальная угроза голода. Появились гипотезы, предвещавшие гибель всего населения земли из-за нехватки продуктов питания. Например, концепция английского экономиста Томаса Роберта Мальтуса (1766-1834), согласно которой народонаселение увеличивается в геометрической прогрессии, а продовольствие -- в арифметической. Немецкий биолог Оскар Гертвиг вывел закон убывающего плодородия почвы. Он утверждал, что обрабатываемые почвы постепенно теряют своё плодородие. Поэтому количество продовольствия в мире год от года уменьшается, и человечеству в ближайшем будущем грозит неминуемый голод. К началу XIX века в мире сложилась поистине драматическая ситуация. Волны голода прокатывались каждые 3--5 лет почти по всем континентам. Несмотря на частые засухи, наводнения и похолодания, главной причиной невысоких урожаев было всё-таки истощение почв и вредители сельского хозяйства.

Это положение вряд ли смогла бы изменить какая-либо общественно-политическая система, будь то феодальная, капиталистическая или социалистическая. Подобная задача не могла решиться без геологической науки. Именно геологам предстояло открыть источники жизненно важных для человечества минеральных ресурсов.

С середины XIX в. началось производство первых удобрений из фосфоритовых руд. В учебных центрах мира (в Англии, Германии, Франции) стали возникать специальные научные направления по использованию минерального сырья для агрономических целей. Не обошли эту проблему и в Российском государстве.

Передовые умы России интересовались минеральными удобрениями с давних времен. На рубеже XVIII-XIX вв. первые русские агрономы - А. Т. Болотов, М. И. Афонин, И. М. Комов - вслед за англичанами и немцами (а иногда опережая их) отмечали положительное действие золы, размолотых костей, мела и извести на урожаи зерновых. В середине XIX в. многих вдохновлял знаменитый немецкий химик Юстус Либих и его теория минерального питания растений, и «закон минимума». Питание и удобрение растений стали центральной проблемой агрохимии - науки, среди основателей которой называют Ж. Б. Бусенго, Х. Дэви, А. Теэра и, разумеется, Ю. Либиха. По Либиху, плодородие почвы неуклонно убывает; для его поддержания в почву необходимо возвращать в качестве минеральных солей все те химические элементы, которые теряются с каждым урожаем, оказываются в минимуме. Главные элементы, требующие постоянного восполнения, - азот, фосфор и калий. Следуя рекомендациям Либиха, российские помещики пореформенной поры стали завозить на свои поля самые популярные в то время виды азотных, фосфорных и калийных удобрений - чилийскую селитру, костяную и фосфоритную муку, каинит и поташ. В России занялись и «проверкой Либиха» - постановкой собственных опытов с удобрениями. Особую активность проявляли профессора-химики. В отличие от своих германских коллег, считавших агрохимию лабораторным занятием, российские химики приступили к настоящим полевым исследованиям в своих поместьях.

В начале 19 века в университетах Москвы, Казани и Харькова стали открываться кафедры минералогии и сельского хозяйства, позднее преобразованные в кафедры земледелия или грунтоведения. Становлению агрохимической науки способствовали теоретические работы таких учёных, как Василий Михайлович Севергин (1765-1826), Яков Владимирович Самойлов «Агрономические руды или доставляют вещества, необходимые для произростания растений, или же, благоприятно изменяя свойства почвы, ее структуру воздушный и водный режимы,может быть ее биологию, улучшают общие условия питания растений» Самойлов Я.В. Агрономические руды. М., 1921. С.3 (1870-1925) первый давший научное определение агроруд, Александр Николаевич Энгельгардт (1832-1893), Дмитрий Иванович Менделеев (1834 -1907), Николай Семёнович Курнаков (1860 -1941), Владимир Иванович Вернадский (1863-1945), Дмитрий Николаевич Прянишников (1865-1948), Александр Евгеньевич Ферсман (1883 -1945).

Одним из первых минеральных удобрений, широко изученных в России, была фосфоритная мука, полученная при размоле природных агроруд - фосфоритов.

В 1880-е гг. известный химик А. Н. Энгельгардт на основании опытов с фосфорными удобрениями в своем имении Батищево Смоленской губернии пришел к выводу: «Чудеса делает фосфоритная мука». Из года в год в Батищеве получали значительные прибавки к урожаю ржи при добавлении фосфоритной муки, приготовленной из отечественных фосфоритов. С фосфоритами ученый был знаком не понаслышке: в 1860-е гг. по поручению Департамента земледелия тогдашнего Министерства государственных имуществ, Энгельгардт возглавлял первые экспедиции по обследованию залежей этого сырья в губерниях Центральной России. Особое место в истории исследования и изучении агрономических руд пренадлежит заведующему кафедрой геологии Петровской (Тимирязевской) академии, профессору Я.В. Савмойлову, который по праву считается основоположником учения об агрономических рудах России, их распостранении, генезисе и применении.

В те же годы в университетах, сельскохозяйственных и политехнических институтах появились первые курсы и кафедры, связанные с изучением агроруд и минеральных удобрений. В Москве в Сельскохозяйственном институте (МСХИ, бывшая Петровская земледельческая академия) с середины 1890-х гг. профессор Д. Н. Прянишников начал чтение специального курса и организовал лабораторию для исследований удобрений. Он же впервые в России ввел летние практические занятия для студентов-агрономов, где были начаты программные вегетационные опыты по изучению действия туков. В Петербурге профессор Лесного института П. С. Коссович в 1897 г. возглавил химическую лабораторию Министерства земледелия (расположенную в Лесном институте), в число задач которой вошли исследования удобрений и почв. В 1910 г. в Рижском политехническом институте Э. В. Брицке создал первую в России кафедру технологии минеральных веществ, готовившую специалистов-технологов в области производства туков.

Низкосортные и труднообогатимые фосфатные руды, содержащие малое количество действующего вещества, за рубежом используют преимущественно для местных нужд в сыромолотом виде. В мировой практике «сырые» химически непереработанные фосфаты, непосредственно вносимые в почву, именуются как phosphate rocks (фосфатные породы), или indigenous phosphate (местные фосфаты). По существу, они являются аналогом российской фосфоритной муки. В США проблема дефицита фосудобрений решена во многом за счет широкого применения именно сыромолотых фосфоритов.

Какую роль сыграли агрохимические руды в жизни общества? Можно утверждать, что они в XX веке в буквальном смысле спасли человечество от угрозы неминуемого голода. Представьте, что эти руды вдруг исчезли с нашей планеты. В ближайшие десять лет урожаи сельскохозяйственных культур сократятся по крайней мере на 30%. А это значит, что голодать будет не только население в странах Центральной Африки и Азии, но и в ныне процветающих странах Европы и Северной Америки. За прошлое столетие население Земли увеличилось с полутора до шести миллиардов человек, и предполагается, что к 2020 году оно достигнит восьми миллиардов! Поиски пропитания для такого количества - наиболее важная проблема, возникшая перед человечеством. Если в 2000 году при населении 6,1 миллиарда человек размер посевных площадей составлял 0,25 гектара на каждого, то в 2020 году прогнозируется рост численности населения и уменьшение посевных площадей до 0,15 гектара, что требует повышения урожайности продукции растениеводства на 70 процентов.

Количество вносимых в почву удобрений незамедлительно сказывается на урожайности полей. В определенных случаях, когда вносят слишком много удобрений без учёта биологических возможностей растений, в них накапливаются некоторые вредные для здоровья человека вещества в слишком высоких концентрациях. Появились понятия «нитратные овощи» (т.е. овощи, в которых накопилось много нитратов, нитритов, N- нитрозаминов) и «экологически безопасная продукция (ЭБП)». В последние годы широкое распостранение получают альтернативные системы земледелия, в том числе и применяемые в США и западных странах биодинамическое, органическое земледелие, при которых исключается или существенно сокращается использование минеральных удобрений и пестицидов. Однако эти системы наряду с положительными моментами (экологически чистая продукция, эффективное использование природной энергии и др.) имеют и существенные недостатки как, увеличение затрат рабочий силы (на 12-20%), снижение производительности труда (на 22-95%), снижение урожайности (до 43%) и как следствие повышение стоимости продукции (до 23%). Поэтому глобальное решение проблемы недостатка продовольствия не в отказе от удобрений. Для человечества это самоубийственный путь, который неминуемо заведёт в тупик. Продовольственную проблему можно решить, только развивая минерально-сырьевую базу агрохимии, научно и обоснованно применяя удобрения, как основу ландшафтно-экологических систем земледелия, используя для повышения плодородия почв нетрадиционные виды минерального сырья. Особенность нетрадиционных ресурсов в том, что непосредственный интерес они представляют для более или менее отдаленного будущего. При этом определяющими факторами получения высокорентабельной продукции растениеводства с низкой себестоимостью должны быть наукоемкие технологии (нанотехнологии), основанные на фундаментальных исследованиях в области агрохимии, почвоведения, физиологии растений, биологии, почвенной микробиологии и токсикологии.

Не случайно промышленно развитые страны мира постоянно увеличивают производство удобрений, импортируя сырье из других стран, в том числе и из России. Отдельные виды минерального сырья, жизненно важные для благосостояния и обороноспособности государства, относят к категории стратегических, и добыча их строго контролируется правительством.

В России 1 июня 1993 г. Президент страны издал специальный указ, согласно которому агрономические руды и минеральные удобрения теперь находятся в списке стратегически важных сырьевых материалов.

· Чем был вызван интерес к агрономическим рудам в 18-19 веках?

· Какую роль сыграли агрохимические руды в жизни общества?

· Кто является основоположником учения об агрорудах?

· Может ли человечество в дальнейшем обойтись без минеральных удобрений?

· В чем преимущества и недостатки альтернативных систем земледелия?

· Почему агрономические руды относятся к стратегически важным сырьевым материалам?

2. Азотное сырье

Д.Н. Прянишников на основе исследования практики земледелия в Европе отмечал, что главным условием, определяющим среднюю высоту урожая в разные эпохи, была степень обеспеченности сельскохозяйственных растений азотом.

Азот почвы пополняется тремя путями:

1) азот воздуха связывается почвенными бактериями и бобовыми растениями;

2) его вносят в виде минералов, добытых в земных недрах;

3) он попадает в почву в виде соединений, изготовленных промышленным синтетическим способом (аммиак, сульфат аммония и др.).

Азот исключительно подвижный химический элемент. В почвах образует два типа соединений -- нитратные и аммонийные. Нитраты легко растворяются и выносятся водой, а аммиак просто испаряется в атмосферу. Поэтому можно сказать, что азота в почве всегда не хватает.

Основная масса азотных удобрений (около 80 млн.т) получают синтетическим способом из азота, содержащегося в воздухе.

С бактериями и растениями в почву поступает до 400 млн т в год. На долю природного минерального сырья приходится не более 15-20 млн. т.

Природа не наделила недра Земли достаточным количеством азотных полезных ископаемых.

Азотное минеральное сырьё представлено селитрами, гуано, мочевиной.

Наибольшее значение имеют месторождения селитры в Южной Америке, Северном Чили и Южном Перу (в пустынях Сечура и Атакама). Именно отсюда поступала на мировой рынок знаменитая чилийская селитра. Имеется также бесчисленное множество мелких и мельчайших скоплений селитры (селитренников), расположенных в других пустынях и полупустынях на нашей планете.

Для накопления соединений азота необходимы особые условия:

- сухой жаркий климат;

- отсутствие пышной растительности, которая энергично их поглощает.

Селитра накапливается на буграх, холмах и пологих грядах, образуя на них корки, линзы, налёты (выцветы) толщиной всего несколько сантиметров, где содержание селитры около 5-- 8%. Однако роль этих минеральных карликов в жизни земледельцев была исключительно велика. Прежде всего, на протяжении тысячелетий они служили важным источником удобрений для местных садов и виноградников, бахчевых и овощных культур.

Селитренники формируются в результате циркуляции растворов, обогащенных нитратами, образующимися при окислении органического вещества. В пустынях рассолы поднимаются вверх по тончайшим капиллярам в глинистых породах. На холмах и других возвышенных участках местности испарение воды усиливается, и из растворов выпадают различные золи. Нитраты, как наиболее растворимые соединения, осаждаются последними. При новом поступлении влаги нитраты опять растворяются и продолжают своё движение. Поэтому селитренники обладают одним замечательным свойством: в отличие от других видов месторождений они восстанавливаются. Собранные корки, выцветы и налёты достаточно быстро восполняются.

Натриевая (чилийская) селитра - это смесь минералов: нитронатрита (NаNO3) - 8,5-27,0%; нитрокалита (КNОз) - 1,5-2,5%; сульфата натрия -12,0% и сульфата магния - 11,0%. Важной примесью является йод, составляющий 0,03-0,4%.

До Первой мировой войны Чили было основным поставщиком селитры на мировой рынок. Селитра использовалась для изготовления азотных и калийно-азотных удобрений и в производстве чёрного пороха. В последующие годы в связи с развитием технологий получения синтетической селитры и искусственных удобрений значение чилийской селитры для мировой экономики уменьшилось.

Согласно существующим представлениям, азот первоначально накапливается в рыхлых отложениях в результате разрядов атмосферного электричества, деятельности организмов или поступает из горячих вулканических источников. В условиях Чили и Перу нитраты сначала образовывались в высокогорьях Анд. Затем они подземными водотоками выносились в предгорья. Здесь под воздействием капиллярного подсасывания на глубинах 1--2 м под слоем глин и песков возникала руда. Её месторождения расположены, как правило, около небольших пологих возвышенностей, обрамляющих крупные солончаки.

Образование селитры связано с процессами нитрификации, энергично идущими в жарких безводных климатических условиях. Материалом для нитрификации, по представлениям некоторых ученых, служили залежи гуано, или морские водоросли, скопившиеся на побережье, по мнению других-- азот поступал при извержениях вулканов в Андах или из атмосферы -- при грозовых разрядах и осаждался на поверхность Земли туманами; предполагается также возможность скопления селитры за счет азотистых соединений, вымытых из почвы, в специфических климатических условиях этой местности.

Калиевая (индийская) селитра. Минерал нитрокалит KNO3, как и нитронатрит, образуется в условиях сухого жаркого климата. Источником азота являются органические вещества, возникающие в результате почвообразования или при разложении трупов животных и птиц, а также их помета (обычно в пещерах). Возможна фиксация азота непосредственно из воздуха под действием грозовых разрядов.

Месторождения калиевой селитры часто встречаются в пещерах (Индия, Шри-Ланка, некоторые штаты США, Крым). Сбор селитры в отдельных пещерах Шри-Ланки достигает 10...20 т в год. В середине прошлого века из Индии ежегодно вывозили 20...30 тыс. т нитрокалита (эти месторождения сейчас уже выработаны).

Залежи селитры связаны иногда с местами древних городов, крепостей, скотопрогонных дворов и т. п. Такие месторождения «курганной» селитры известны в окрестностях Ашхабата, Куня-Ургенча, в Мервском оазисе и других районах Средней Азии. В этих же местах встречаются скопления нитрата калия на буграх и холмах, не имеющих следов древних поселений. Эти поверхности лучше всего прогреваются солнцем, и капиллярная подпитка их пересохших почв растворами, содержащими нитраты, идет особенно интенсивно. Обычны здесь выделения нитрокалита и на некоторых карбонатных почвах.

Селитряные солончаки можно использовать как местное удобрение и в настоящее время.

Гуано (от испанского - «птичий помёт», удобрение») - руда для получения фосфора, калия и азота. В сухом жарком климате птичий помёт не разлагается. На островах, в прибрежной зоне морей и океанов, в местах обитания огромного количества птиц (на птичьих базарах) он скапливается в значительных количествах.

В конце XIX -- первой четверти XX вв. гуано использовалось в сельском хозяйстве в качестве удобрения, и в химической промышленности для изготовления спичек, фотореактивов и т.д. Позже нашли более крупные и распространённые источники фосфора. Промышленного значения гуано в последние годы практически не имеют. В настоящее время в Перу и Чили добываются незначительные объемы гуано, применяемые для местных нужд.

· Какое происхождение имеют природные азотнокислые агроруды?

· Какие условия необходимы для накопления природных соединений азота?

3. Калийное сырье

Калий - элемент, входящий в триаду жизни. Главным и единственным источником его получения являются калийные соли. Содержание калия в породах земной коры составляет довольно большую величину -- 2,6%, но чаще всего он связан очень прочными химическими связями в минералах, с трудом поддающихся разложению в почвенных условиях. Потребность в калии исключительно велика. В растениях он расходуется на рост, а также защищает от заболеваний, засух и морозов.

Издавна обычным калийным удобрением была зола, остающаяся после сжигания различных растений, торфа, горючих сланцев. Но она не могла восполнить потери почвенного калия. Нужно было найти новый источник получения калийных соединений с огромными резервами. Оказывается, он всегда был рядом. Это воды морей и океанов, а также подземные воды. Они обладают неисчерпаемыми запасами калийных солей. Нужно было научиться извлекать соли калия из вод. Решение задачи предложил нидерландский учёный Якоб Хендрик Вант-Гофф в 1896 г. Он установил порядок выпадения солей из рассолов. Его идеи воплотила в жизнь плеяда выдающихся учёных XX в., создав технологические системы. Эти работы позволили открыть «солнечный» путь кристаллизации солей из морской воды. В результате мир получил большое количество таких жизненно важных веществ, как хлориды и сульфаты натрия, калия, магния, кальция, карбонаты натрия, а также соединения йода и брома. Были построены крупные промышленные предприятия в заливе Кара-Богаз-Гол Каспийского моря (Казахстан) и Мёртвом море (Израиль, Иордания).

Теоретические разработки химиков и геологов вдохнули новую жизнь в поиски подземных месторождений так необходимых калийных солей. Блестящий прогноз Н.С.Курнакова привёл к открытию в 1925 г. крупнейших в мире скоплений калийных солей (площадь около 3,5 тыс. км2, запасы превышают 219 млрд т) в пределах известного гигантского (площадь более 8 тыс. км2) Верхнекаспийского соленосного бассейна, образовавшегося более 260 млн лет назад. Трудность заключалась в том, что калийные соли хорошо растворимы и легко уносятся водой. Поэтому в самоосадных соляных озёрах они встречаются крайне редко. На уже открытых месторождениях каменных солей калийные соли сложно распознать. Обычно они занимают ограниченные участки по центру соленосных площадей, где обволакиваются сверху и снизу мощными слоями обычной каменной соли.

Калийные соли широко используются в химической промышленности. Десятая часть калийных солей используется для производства едкого калия, поташа, калиевой селитры, бертолетовой соли, марганцевокислого калия, хромпика, бромистого и йодистого калия. Эти вещества широко применяются в электрометаллургии, стекольной, лакокрасочной, мыловаренной, химической, кожевенной промышленности, пиротехнике и медицине.

Источником сырья для получения калийных удобрений (туков и различных соединений калия) являются растворимые хлориды и сульфаты калия, минералы - сильвин, карналлит, каинит, лангбеинит, полигалит, шенит. Калийные руды обычно именуются по преобладанию в них того или иного калийного минерала (например, сильвинитовые, карналлитовые, каини-товые и др.). Название сильвин происходит от старого химического названия вещества «заль дигестивус сильвин» - соль пищеварительная Сильвие де ля-Баш (французкого физика и химика); каинит - от греческого «современный» (обычно имеет современное, т. е. вторичное, образование); полигалит - от греческих слов «поли» и «галит», означающих «много» и «соль», т. е. в составе присутствует несколько солей. Карналлит и лангбеинит названы в честь немецких ученых - горного инженера Р. фон Карналла и химика А. Лангбейна.

Месторождения калийных солей встречаются редко, представлены они либо в форме осадочных бассейнов, являющихся остатками древних высохших соленосных лагун (преобладающий тип), либо в виде современных водоемов, ресурсы которых возобновимы и практически неисчерпаемы (Мертвое море, оз. Серлс в США, оз. Индер в Казахстане и др.). Основные ресурсы калийных солей сосредоточены в позднепалеозойских, мезозойских и кайнозойских бассейнах.

Крупнейшими запасами калийных солей обладает Россия.

Большая часть запасов сосредоточена в Соликамском (Верхнекамском) бассейне в Пермской области (общие запасы калийных солей оцениваются в 21,5 млрд. т - в пересчете на оксид калия), занимающему площадь в 6,5 тыс. км2 в северной части Предуральского краевого прогиба, заложившегося в ранней перми. Вначале здесь накапливались грубообломочные морские молассовые отложения (3000 м), а в приплатформенном районе -- известняки, в том числе и барьерные рифы (300…800 м). К этим отложениям приурочены месторождения нефти и газа. В конце ранней перми в прогибе накапливаются уже соленосные отложения; в основании глины с ангидритами и гипсами (до 400 м), а в кровле - песчано-глинистый материал кунгурского яруса нижней перми с каменной, калийной и калийно-магниевой солями (галит, сильвин, карналлит), мощность которых превышает 600 м. Так возник самый крупный в мире Соликамский (Верхнекамский) соленосный бассейн.

Образование гипсов и солей обусловлено тем, что после отступления обширного открытого моря в связи с продолжающимися поднятиями в Предуралье здесь сохранилась самая крупная из известных в истории Земли лагуна. Вода в условиях, засушливого климата испарялась, а через пролив с севера соленая вода непрерывно поступала из океана. Лагуна все больше осолонялась, а затем при ее высыхании накапливались соли. Полагают, что с точки зрения геологической истории соленакопление происходило здесь очень быстро: на образование гипсово-ангидритовой толщи ушло «только» 200 тыс. лет, а для солей -- всего 15-17 тыс. лет. Добыча повареной соли в этом районе производилась с XV в., но калийные соли были открыты только в 1925 г. Сейчас бассейн обеспечивает большую часть добычи калийных солей (55%) в России.

В Германии имеется уникальное Стасфуртское месторождение калийных солей, расположенное неподалеку от Берлина, и бассейн Верра-Фульда.

Большая часть общих запасов сосредоточена в Канаде (более 10,5 млрд. т). Основные залежи здесь располагаются в Саскачеванском соленосном бассейне, открытом во время бурения на нефть в 1946 г. Крупные запасы калийных солей сосредоточены и в южной части бассейна Верра-Фульда, Ганноверском бассейне в Германии, в Делаверском бассейне и в Большом Соленом озере в США, а также в Мертвом море (Израиль и Иордания). На эти месторождения приходится более 95 % запасов калийных солей. Есть месторождения и в других странах, например, в Испании - Каталонский бассейн, во Франции - Эльзас, в Таиланде - Таиландский, в Бразилии -- бассейн Такари-Вассурас.

На первом месте по производству калийных солей находятся горнорудные районы Саскачеван и Нью-Брансуик в Канаде, где в 60--70-х гг. XX в. открыты грандиозные месторождения калийных и каменных солей, образовавшихся в древнем морском бассейне более 380 млн лет назад. Эти открытия вывели Канаду на первое место (1/3 мировой добычи).

Таким образом, в XX в. геологи совершили могучий рывок в разведке месторождений столь необходимой калийной соли. Лидерство в калийной индустрии прочно захватили пять стран: Канада, Германия, Россия, Франция и США. Сегодня на их долю приходится почти 85% мирового производства, составляющее с начала 90-х гг. XX в. 17-18 млн т К2О. Из них 90--95% идёт на изготовление удобрений. О росте добычи можно судить по данным о мировом производстве К2О (в млн т): 1913 г. -- 1,3; 1940 г. -- 3,0; 1950 г. -- 4,3; 1960 г. -- 8,0; 1970 г. -- 15,1; 1990 г. - 18,2.

Освоение неисчерпаемых подземных кладовых надёжно обеспечило сельское хозяйство развитых стран мира совершенно необходимым минеральным сырьём. И не случайно именно в странах Западной Европы и Северной Америки вот уже более четверти века получают устойчивые и высокие урожаи. Начиная с конца 80-х гг. XX в. рынок калийных удобрений в этих странах практически насытился, что привело к стабилизации спроса и постепенному сокращению производства на 2--4% ежегодно. В густонаселённых странах Южной и Восточной Азии, Южной Америки, наоборот, ощущается острый дефицит калиевых удобрений, несмотря на то что они закупают около половины добываемого в мире калиевого сырья. Особо ценятся сульфатные руды, удобрения из которых легко усваиваются растениями.

Из 160 соленосных толщ разных районов мира калийные соли известны в 24 бассейнах. Крупные залежи (около 60% прогнозных запасов) сосредоточены в Непском бассейне Восточной Сибири.

Месторождения разрабатываются в основном шахтным методом. Открытым способом - карьером - добывают руду только на единственном в мире месторождении - Калуш-Голынском (Ивано-Франковская область) Предкарпатского бассейна. Возможно извлечение калийных солей методом подземного растворения -- вода нагнетается в скважины, растворяет руду, а затем рассол откачивают наверх, выпаривают и получают продукцию.

Сильвиниты доступны для подземной добычи (в шахтах) на глубинах до 1200 м, при мощности пласта не менее 1,5 м и содержании КС1 --20...26% (18...15% К2О). В технологии переработки этой породы магний является нежелательной примесью, поэтому количество MgC1 не должно превышать 3...5%. Для подземного растворения пригоден сильвинит на глубинах до 2000 м при мощности пластов не менее 10 м (на глубинах до 1000 м -- не менее 5 м) при запасах более 500 млн т руды. Карналлитовые руды считаются кондиционными при содержании MgC1 не ниже 17%, очи доступны для подземной добычи до глубины 800 м. В сульфатных месторождениях окиси калия должно быть, как правило, более 9%. Для полигалитовых руд кондиционными считаются пласты мощностью не менее 1,5 м, содержащие свыше 50% полигалита.

В настоящее время в нашей стране добывается около 12 млн т К2О ежегодно, в основном на Верхнекамском месторождении. Около 90% добытой руды используют для производства калийных удобрений. Это один из немногих видов минерального сырья, запасы которого во много раз превышают потребности -- при современном уровне добычи их хватит почти на 3000 лет.

Кроме калийных агроруд - солей, альтернативными источниками калия могут служить глаукониты, нефелины, сыннериты.

· Какие горные породы можно использовать в качестве калийных удобрений?

· Какие минералы входят в состав калийных агроруд?

· Какими запасами калийных агроруд обладает Россия ?

· Назовите крупнейшие месторождения калийных солей в России и мире ?



4. Фосфатное сырье

«Причины особенного положения фосфатов в ряду других удобрений, - отмечал академик Д.Н.Прянишников, - лежат не только в том, что почвы, вообще говоря, бедны фосфорной кислотой; даже если взять почвы с одинаковой степенью первоначальной обеспеченности азотом, фосфором и калием, то все же потребность во внесении фосфатов скажется раньше и в дальнейшем будет выражена острее, чем потребность в удобрениях азотных и калийных».

Фосфориты и апатиты (фосфатное сырье) - дарующие плодородие. Примерно до 90--95 % мировой добычи фосфатного сырья используется для производства минеральных удобрений. Фосфатные, как и калийные, удобрения ускоряют рост и повышают урожайность сельскохозяйственных культур.

Разные почвы содержат неодинаковое количество фосфора:

- дерново-подзолистые -0,06-0,2;

- черноземы - 0,1-0,3;

- сероземы - 0,08-0,2;

- красноземы -0,06-0,2%.

Однако само по себе среднее содержание фосфора в почве еще не определяет его доступности для растений - важны увлажненность почвы, кислотность, щелочность почвенных вод, их подвижность, насыщенность органикой, микроорганизмами и многое другое.

Жизнь без фосфора на Земле была бы невозможна.

Под влиянием антропогенного воздействия круговорот фосфора нарушился. Ежегодно с сельскохозяйственных угодий в зависимости от урожайности и сорта культур отчуждается от 700 до 1000 кг/км2 оксида фосфора. Ветровая и водная эрозия приводит к потере фосфора из почвы. В результате водной эрозии с 1 км поверхности ежегодно выносится 26-36 кг фосфора. Гидромелиорация усиливает этот процесс. Так, по данным С.В.Шульгина, при осушении болот и торфяников с 1 км с дренажными водами уносится до 2000 кг фосфора в год. Итак, в результате деятельности человека возрастает потеря фосфора биосферой и все в большей степени нарушается природный круговорот. Более 80% добытого из недр фосфора во всем мире возвращается в природный круговорот, так и не используясь культурными растениями и сельскохозяйственным животным.

Источником получения фосфора служит минерал апатит и горная порода - фосфорит (состоящая из фосфата, близкого по составу к апатиту, и ряда не фосфатных минералов).

Открытый в 1669 г. X. Брандтом фосфор (Германия) первоначально был назван «холодным огнем», а затем фосфором, что в переводе с греческого («фос» - свети и «фор» - несу) означает «светоносный» (светящееся в темноте вещество). Промышленное производство фосфора было организовано во второй половине XIX в.

Апатит имеет магматическое или метаморфическое происхождение, фосфориты - осадочные образования, среди них выделяются желваковые (конкреционные), ракушечниковые или пластовые (массивные) разности.

Наиболее простым видом фосфорных удобрений является фосфоритовая мука или тонко измельченный продукт желваковых и ракушечниковых фосфоритов (аморфный фосфат, легко растворимый в почвенных водах), содержат не менее 19 % пентоксида фосфора.

Апатиты и кристаллические фосфориты нерастворимы в воде, поэтому их перерабатывают с целью перевода нерастворимых соединений фосфора в хорошо растворимые и легко усваиваемые растениями. В результате получают минеральные удобрения: суперфосфат (в переводе «наилучший фосфат» содержит до 20 % усвояемого растениями пентоксида фосфора), двойной суперфосфат (до 48 %), преципитат (до 38 %), аммофос (47-52 % пентоксида фосфора и 11 % азота), нитрофос (азотно-фосфатные удобрения), нитрофоска (азотно-фосфатно-калийные удобрения). С помощью термических способов производят термофосфаты, плавленные или обесфторенные фосфаты.

Кроме производства удобрений, фосфатное сырье расходуются на получение элементарного фосфора, фосфорной кислоты и различных солей, применяемых в металлургии для антикоррозийного покрытия поверхностей стальных, алюминиевых и цинковых изделий и т. д. Соединения фосфора применяются в медицине и в фармакологии, химической и пищевой промышленности, в животноводстве и др.

Из апатитовых концентратов производят белый и красный фосфор. Белый фосфор бесцветен, светится в темноте. Он идет на изготовление спичек (смесь белого фосфора и серы), в военном деле для производства зажигательных снарядов и дымовых шашек. Способность белого фосфора светиться в темноте позволяет применять его в измерительных приборах, рентгеновской технике и т. д. Красный фосфор используется также для покрытия спичечных коробков (красный фосфор от трения и тепла переходит в белый и воспламеняется).

Месторождения фосфатного сырья имеются во многих странах мира. Но единственным уникальным апатиторудным районом мира является Хибинский на Кольском полуострове. Происхождение руд здесь связано со щелочными интрузивными породами, сформировавшимися в герцинском тектоническом цикле. Здесь, в пределах «Апатитовой дуги» Хибин, уже сегодня известно 11 апатит-нефелиновых месторождений (запасы 2,1 млрд. т), пять из них разрабатываются: Кукисвумчоррское, Юкспорское, Апатитовый цирк, Росвумчоррское, Коашивинское.

Залежи руды были открыты в Хибинах в 1921 --1926 гг. экспедицией АН СССР, возглавляемой академиком А.Е.Ферсманом и геологом А.И. Лабунцевым. С 1929 г. начал действовать рудник Кировский. Геологи открыли здесь ряд новых апатитовых залежей. Сырая апатитовая руда содержит 16 % пентоксида фосфора. На обогатительных фабриках производят концентрат с содержанием пентоксида фосфора до 35,4 %.

Апатитовые руды разрабатываются в условиях Заполярья. Ежегодно ОАО «Апатит» отправляет апатитовые концентраты на 25 суперфосфатных заводов страны и на экспорт. Производится здесь до 20 млн. т концентратов апатита. При таком уровне имеющиеся запасы обеспечивают деятельность предприятия на 80-90 лет.

Апатитовый концентрат активно вывозится из России в страны ближнего и дальнего зарубежья (около 90% от валового производства апатитового концентрата). Интерес к Российским агрорудам вызван тем, что наша страна имеет самое чистое минеральное сырье для производства фосфорных удобрений. Поэтому существенно ниже расходы на его переработку, а выпускаемые удобрения содержат меньшие количества элементов загрязнителей.

Содержание элементов-загрязнителей в агрорудах для производства фосфорных удобрений

Страны	Кадмий	Мышьяк
	г/т действующего вещества
Сенегал	240-260	-
Того	140-160	-
Марокко	35-80	13-16
Алжир	27-30	4-3
Тунис	86-220	3-5
США (Восток)	30-40	-
США (Запад)	140-160	-
Израиль	35-110	8-9
Сирия	10-60	5-8
Россия	0,2-1,0	1-2

В России известны месторождения средних размеров комплексных руд, где апатит -- попутный компонент: Ено-Ковдорское апатит-магнетитовых руд (Мурманская область), Волковское медно-магнетитовых руд (Свердловская область), Кручининское титано-магнетитовых руд (Читинская область), Ошурковское диоритовое с апатитом (район г. Улан-Удэ), и др.

Апатитовые месторождения известны в КНР (месторождение Хэйчжоу и Сусун) и СРВ (Маукон), а фосфоритовые также в КНР (уникальное месторождение Куньян на юге страны) и в Польше, Марокко Хурибга и Юсуфия (руды в этой стране отличаются высоким качеством: в среднем они содержат 32-34 % пентоксида фосфора), в США -Карибу, Ли-Крик, Поулк; в Западной Сахаре - Бу-Краа, в Иордании - Эль-Хаса, в Египте -Абу-Тундуб и др.; в Мексике - Санто-Доминго; в Тунисе - Гафса; в Алжире - Джебель Онк; в Перу - Байивар и др. Апатитовые месторождения расположены в Бразилии - Тапиро, Араша, в ЮАР Палабора и др.

Фосфориты - сложные комплексные соединения, главной составной частью которых является апатит: Ca5(PО4) 3(F, C1, ОН).

Грандиозные месторождения, в которых сосредоточено более 80% мировых запасов фосфатных руд, образовались на прибрежных мелководьях древних морей. 286-248 млн лет назад они находились на месте предгорий Скалистых гор в Северной Америке, 72--49 млн лет назад -- в пределах гигантского пояса, протягивающегося вдоль южного побережья Средиземного моря от Марокко до Израиля и далее на восток до Турции, Ирана, Саудовской Аравии, Ирака. Там, где располагался когда-то древний океан Тетис, возникли протяжённые, залежи фосфоритов, заключённые ныне в толщах известняков, глин и песков.

Существует также много небольших месторождений фосфоритов, образовавшихся в далёком прошлом на дне мелких (50-200 м) морей в условиях жаркого климата. Источником фосфора служили обогащенные фосфатами остатки организмов (скелеты, кости, раковины) и поступавшие в моря насыщенные фосфором речные и подземные воды. На дне образовывались округлые камешки-стяжения диаметром 1-3 см, так называемые «желваки». Они покрывали обширные пространства. Желваки на 40-60% состоят из фосфатного вещества, остальное - кварцевые песчинки и глина.

Проблема возникновения огромных подводных кладбищ фосфороносных организмов уже более столетия волнует умы крупнейших геологов мира. Палеонтолог А.П. Павлов считал, что подобное массовое вымирание живых существ, происходило из-за резкой смены климатических условий их обитания или из-за вспышек вулканической деятельности. В.И. Вернадский доказал, что эволюция органического мира в благоприятных условиях обилия пищи, света и тепла приводит к «взрывам жизни» - быстрому, лавинообразному размножению организмов. В такой обстановке распространение биохимической энергии жизни низшими организмами было близко к скорости звука. Вслед за подобными «взрывами жизни» при изменении условий существования в худшую сторону наступала массовая гибель организмов и возникали поля смерти. Вероятно, многие фосфоритовые месторождения, образовавшиеся в древних озёрах и мелководных морях, и есть древние «кладбища» разнообразных организмов. Во время бурного размножения они поглощали и скапливали фосфор, калий и азот в своих скелетах, костях, панцирях, раковинах. После того как в воде оказывались исчерпанными главные минеральные компоненты, наступало массовое вымирание. В дальнейшем костные остатки могли растворяться или переотлагаться, формируя руды.

На просторах Восточно-Европейской равнины от Балтийского моря до Уральского хребта разбросано много мелких фосфоритовых месторождений такого рода. Они расположены в Эстонии и Ленинградской области (месторождения Азери, Маарду, Кингисеппское), в Московской (Егорьевское месторождение), Пермской (Вятско-Камское), Брянской (Полпинское) и других областях России. На эти месторождения впервые обратил внимание ещё в начале XIX в. Василий Михайлович Севергин, опубликовавший в 1805-- 1809 гг. несколько работ об улучшающих почву фосфатных камнях из окрестностей Самары и Екатеринбурга. И с тех пор этот незаменимый камень плодородия добывают для нужд российского земледелия.

В настоящее время в мире ежегодно производят 140--150 млн т концентратов фосфорных руд, что соответствует 40--50 млн т Р2О5. Из них около 90% расходуется на удобрения. Более половины мировой добычи фосфорных руд приходится на долю США (34-40 млн т) и России (34-35 млн т). Крупными производителями и экспортёрами их являются также страны Северной Африки (Марокко, Тунис, Алжир, Египет), Ирак, Иран и острова Тихого океана (Науру, Ошен, остров Рождества). В странах с устойчивыми высокими урожаями на 1 га посевной площади фосфатные удобрения вносят в следующем количестве: в Швеции - 100 кг, Голландии - 50 кг, Германии - 45 кг; в странах СНГ - в 5-10 раз меньше.

Помимо фосфоритных и апатитовых месторождений для приготовления удобрений широко используют шлаки (отходы) металлургической переработки фосфористых железных и марганцевых руд. На поля Западной Европы ежегодно вносится 7-9 млн т таких шлаков.

Апатит - основное сырье для производства фосфорных удобрений в России. Минерал из класса фосфатов, наиболее распространен фтор-апатит Са5Р2[Р04]з, но фтор может изоморфно замещаться хлором или гидроксильной группой (хлор - гидроксилапатит). Название произошло от греческого apate -заблуждение. Апатит часто принимали за другие минераллы Содержание Р2О5 во фторапатите 42,3%; в хлорапатите - 41%. В качестве изоморфной примеси к кальцию могут присутствовать марганец, железо, стронций, магний, щелочи, алюминий, редкие земли, торий, а также элементы загрязнители (кадмий, хром, никель, мышьяк и др.).

Минерал имеет эндогенное происхождение, но является устойчивым и в поверхностных условиях, и может накапливаться в коре выветривания.

Магматические месторождения апатита связаны с различными глубинными магматическими породами- диоритами, сиенитами, габбро, часто с повышенным содержанием щелочных элементов, например с нефелиновыми сиенитами и др.

Метаморфические месторождения образовались при перекристаллизации магматических апатитсодержащих пород или осадочных пород-фосфоритов. Вмещающие породы для фосфатов - различные сланцы, гнейсы, мраморы и другие породы.

Магматически-метосоматические месторождения апатита приурочены к карбонатитам - горным породам, сложенным кальцитом, доломитом и другими карбонатными минералами, залегающими в виде жил и различных по форме интрузивных массивов (например, штоков). Карбонатиты пространственно и генетически связаны с ультраосновными щелочными магматическими породами и образуются в результате их метасоматоза под действием циркулирующих на глубине горячих водных растворов. Карбонатиты часто обогащены различными рудными минералами. Апатит из таких месторождений можно извлекать только попутно с другими компонентами (железом, ниобием, танталом, редкими землями и др.).

Гипергенные месторождения апатита (месторождения коры выветривания). На многих эндогенных месторождениях апатита установлена довольно мощная (до 150 м) древняя кора выветривания, в которой содержание апатита в 2...3 раза выше, чем в исходных рудах.

Богатые апатитовые руды содержат более 18% Р2О5, средние -18...8%, бедные - 8...5% и убогие - 5...3%. В большинстве случаев они сравнительно легко обогащаются (до 31...38% Р2О5). На хибинских месторождениях Кольского полуострова получают один из самых высококачественных концентратов в мире - он состоит на 96...97% из апатита (39,5% Р2О5), и в него попадает 95% апатита из руды (а на других месторождениях извлекаемость апатита составляет 60...80%). У большинства месторождений апатита -- комплексный характер.

Сыннырское месторождение в Забайкалье - единственное, где комплексность имеет сельскохозяйственную направленность. Особенность нефелиновых сиенитов этого месторождения (названных сынныритами)-повышенное содержание (до 20%) К2О и 2...4% Р2О5 (5...10% апатита). Месторождение может использоваться для получения фосфорных и калийных удобрений (а также других компонентов, например, глинозема для алюминиевой промышленности). Доказана агрохимическая эффективность сынныритов и при внесении в почву без предварительной химической переработки - в тонкоразмолотом виде.

В мировом производстве фосфатов на долю апатитовых руд приходится всего около 15%-остальное извлекается из фосфоритов. В России соотношение обратное - около 75% фосфатов добывают из апатита и 80% фосфорных удобрений получают из руды Кольского полуострова.

Во всех месторождениях апатита в мире выявлено около 8,3 млрд т Р2О5. В весьма крупных месторождениях содержится более 100 млн т Р2О5, в крупных-100...50 млн т, средних - 50... 10 млн т и в мелких - менее 10 млн т.

В настоящее время из 76 месторождений фосфатного сырья (апатиты, вивианиты, фосфориты) у нас разрабатывается 19, из них 5 - апатит-нефелиновых, 2 - железорудных, содержащих апатит. Суммарная добыча составляет около 9 млн т Р205.

Фосфорит- осадочная горная порода (песок, песчаник, алевролит, аргиллит, мергель, доломит, известняк), в которой от 4 до 36% Р2О5. Фосфор входит в состав минерала франколит-- водного фторфосфата кальция. В отличие от апатита часть тетраэдров [РО4]-3 (максимально -- четвертая часть) замещена группой [СОз]-2. Общая формула:

Са 10-n /2 (F, ОН) 2[РО4] 6-n [СО3] n * Н20,

где n - число атомов фосфора, замещенных углеродом.. Франколит представлен зернистыми и землистыми агрегатами, конкрециями и псевдоморфозами по органическим остаткам (раковинам моллюсков, древесине и др.).

Часть фосфоритов используется в сельском хозяйстве после механического измельчения в виде фосфоритной муки. Это удобрение, эффект от применения которого наблюдается в течение нескольких лет и в сумме часто не уступает воздействию водно-растворимых фосфорных удобрений. Большая доступность фосфора фосфоритов (по сравнению с апатитом) связана с особенностями кристаллической структуры франколита. При замещении группы [РО4] -3 на группу [СО3] -2 структура минерала частично деформируется, и эти микроискажения облегчают растениям извлечение фосфора. Повышается доступность Р2О5 (до 95%) и при сверхтонком измельчении фосфоритов, что также объясняется нарушением структуры франколита - увеличением ее дефектности. Таким же механическим способом - сверхтонким помолом - можно сделать доступным для растений фосфор даже из минерала апатит, что позволяет получать удобрения более дешевым и экологически чистым способом.

Образование фосфоритов связано с гибелью, разложением и дальнейшей химической переработкой остатков морских организмов.

По происхождению различают морские и континентальные фосфориты. В нашей стране резко преобладают морские фосфориты (97,3% запасов Р2О5 осадочного генезиса). По мнению большинства ученых, они образовались при непосредственном участии живых организмов (или за их счет). В одних гипотезах предполагается, что месторождения фосфоритов образуются за счет фосфора, имеющегося в океане (в воде и в живых организмах), в других, что концентрация фосфатов происходит только в местах усиленного поступления фосфора с континентов, в качестве возможного источника фосфора рассматриваются и вулканические извержения (в том числе подводные) щелочных магм.

Континентальные фосфориты образуются при выветривании морских фосфоритов или скоплений гуано.

Кроме происхождения, фосфориты различаются по особенностям структуры и состава. Среди морских выделяют микрозернистые, зернистые, желваковые, ракушечные. Среди континентальных - остаточные и инфильтрационные (островные и пещерные).

Микрозернистые фосфориты -- крепкие породы темно-серого, серого, реже других цветов, слоистые или массивные, иногда брекчиевидные. Фосфатное вещество афанитово-микрозернистое, микробиоморфное или других типов. Содержание фосфатных и нефосфатных минералов меняется в широких пределах. Встречаются в виде пластов, мощностью до 30 м, протяженностью до 10 км и более. Запасы Р2О5 в месторождениях достигают 150... 200 млн т, при содержании в руде 15...31%. Пласты фосфоритов залегают среди кремнисто-карбонатных и карбонатных пород разного возраста (от рифсйского до пермского), накопившихся в геосинклинальных и рифтогенных прогибах, а также в краевых участках платформ. Микрозеркистые фосфориты составляют около 52% всех запасов, они разрабатываются, в частности, в месторождениях Каратау.

Зернистые фосфориты по внешнему виду напоминают разнозернистые пески и песчаники. Они состоят из монофосфатных зерен размером от 0,1 до 3...10 мм, в различной степени сцементированных не фосфатным материалом. Фосфатные зерна представлены в основном псевдоморфозами по органическим остаткам, оолитами и копролитами. Зернистые фосфориты (Р2О5 - 4...33%) слагают пласты мощностью до 12 м, нередко в разрезе встречаются несколько пластов подряд суммарной мощностью до 60 м, пласты прослеживаются на расстоянии до 60 км. Месторождения с запасами до 100 млн т Р2О5 встречаются среди обломочных и карбонатных отложений верхнего мела и палеогена, а также среди диатомитов неогеновой системы и приурочены в основном к краевым частям платформ.

Зернистые фосфориты широко распространены в Северной Африке и на Ближнем Востоке. В них сосредоточено около 10 млрд т Р2О5, ежегодно добывают около 30 млн т, что составляет около 25% мировой продукции.