Желваковые фосфориты представляют собой скопление конкреций. Насыщенность ими породы различна; встречаются также куски костей и фосфатизированных органических остатков: древесин, раковин моллюсков и т. д. Иногда присутствуют и фосфатизированные копролиты.
Ракушечные фосфориты встречаются главным образом в отложениях ордовика. Это песчаники или конгломераты, переполненные раковинами мелких беззамковых брахиопод. Характерным примером являются так называемые оболовые песчаники Эстонии и Ленинградской области мощностью до 11 м, включающие в себя остатки Obolus и Schmidtia.
Довольно редким типом фосфоритов являются костяные брекчии - пористые породы желто-бурых тонов, состоящие из обломков скелетов рыб или пещерных позвоночных. Наконец, завершает список типов фосфоритов гуано - огромные скопления (мощностью до 35 м) экскрементов морских птиц (на островах и океанских побережьях) или летучих мышей (в пещерах). На островах Чинча, расположенных у берегов Латинской Америки, ежегодно накапливается слой гуано мощностью 8 см.
Таковы наиболее характерные типы фосфоритов. Происхождение их обсуждается уже много лет. Трудность проблемы заключается в том, что в фосфоритах редко сохраняются остатки сформировавших их организмов (костяные брекчии и оболовые песчаники представляют собой редкое исключение). Вместе с тем имеются убедительные доказательства того, что в круговороте фосфора живое вещество играет важную роль (рис. 15).
Рис. 15. Схема биогеохимического цикла фосфора (по Дювиньо, 1974): 1 - накопление фосфора высшими растениями; 2 - разложение необиогенного органического вещества; 3 - экскременты; 4 - эрозия; 5 - поступление в океан; 6 - вулканический апатит; 7 - осаждение на небольшой глубине; 8 - осаждение на значительных глубинах; 9 - переход в ископаемое состояние; 10 - вовлечение в биотический круговорот диатомовыми водорослями
Американский ученый Д. Мак-Коннел насчитал 76 фосфорсодержащих минералов, образующихся, скорее всего, в результате деятельности живого вещества. Кости позвоночных содержат до 60% фосфата кальция. Еще больше его в раковинах беззамковых брахиопод (помимо Obolus и Schmidtia, к ним относится и ныне живущая Lingula). В планктоне в целом двуокиси фосфора содержится в 1000 раз больше, чем в морской воде. Богаты фосфором также чешуя и скелеты рыб. До 50% фосфата кальция содержат панцири ракообразных.
Концентрируется окись фосфора и в экскрементах. Так, в экскрементах морских животных содержание окиси фосфора в 3 раза выше, чем во вмещающих донных осадках. Важной "уликой" участия живого вещества в формировании фосфоритов является и высокий процент органики (до 36%) во многих фосфоритах. Залежи оболовых фосфоритов из-за высокого содержания органики имеют настолько темный цвет, что похожи на угольные пласты.
В конце XIX - начале XX в. была выдвинута гипотеза об образовании фосфоритов в результате массовой гибели организмов (Дж. Меррей, Р. Ренар и Л. Кайе, А. Д. Архангельский). Весомым аргументом в пользу этой гипотезы являются костяные брекчии. В современных морях на некоторых участках морское дно покрыто слоем мертвых рыб и других животных по 2 м толщиной. Гипотеза Дж. Меррея долгое время подвергалась критике, однако сейчас показано, что в зонах апвеллинга массовые заморы рыбы происходят систематически с интервалом в несколько лет. Они-то и могли привести к накоплению костяных брекчий.
Активным сторонником и пропагандистом идеи биогенного происхождения фосфоритов был Я. В. Самойлов. "Все месторождения фосфоритов, за самым небольшим исключением, органического происхождения, заключенный в них фосфор прошел через тело животного", - писал он. Действительно, копролиты часто встречаются в фосфоритах. Наиболее распространены мелкие копролиты, имеющие 0,2-1,0 мм в диаметре, но изредка попадаются и фосфатизированные копролиты крупных животных, например ихтиозавров.
Много нового в познание генезиса фосфоритов внесло исследование известным геохимиком, доктором геолого-минералогических наук Глебом Николаевичем Батуриным современных фосфоритовых конкреций, обнаруженных в конце 60‑х - начале 70‑х годов на шельфах Юго-Западной Африки, Чили и Перу. Оказалось, что современное фосфоритообразование в океанах локализовано главным образом в зонах апвеллингов (впервые догадку об этом высказал в 30‑е годы ученик Вернадского геохимик А. В. Казаков). Довольно четко при этом прослеживается зависимость интенсивности фосфатонакопления от биологической продуктивности. Основным первичным концентратором фосфора из морской воды является фитопланктон, а в осадок фосфор попадает главным образом в виде фекальных пеллет зоопланктона. Осадки в ходе диагенеза дегидратируются и постепенно преобразуются в плотные фосфатные зерна и желваки. Это явление, впервые описанное Г. Н. Батуриным, в 1984 г. было признано открытием и получило название "эффект Батурина".
Подобный путь фосфоритообразования, видимо, не является специфическим только для современной эпохи. Однако среди древних фосфоритов распространены и другие типы, несопоставимые с современными.
Важнейшей эпохой древнего фосфоритонакопления была позднепротерозойско-раннекембрийская. По мнению советских геологов А. Л. Яншина, А. В. Ильина, Э. А. Еганова и австралийских геологов П. Дж. Кука и Дж. Г. Шерголда, обстановки и условия фосфатонакопления того времени значительно отличались от современных. Содержание фосфора в морской воде было значительно выше, чем ныне. Среди живых организмов, обладающих скелетом, процент фосфатных организмов тогда был выше, чем когда-либо. Фосфатонакопление происходило на шельфах в пределах эвфотической зоны (об этом свидетельствуют остатки водорослей в фосфоритоносной толще) и, видимо, не было связано с апвеллингом.
При формировании фосфатных пород (в частности, фосфоритов) наиболее ярко проявляется концентрационная функция живого вещества. И если при сжигании горючих ископаемых человечество использует энергию, накопленную живым веществом миллионы лет назад, то, удобряя фосфоритами поля, оно возвращает в биотический круговорот фосфор обитателей древних морей. Транспортная функция живого вещества - перемещение необиогенного вещества из моря на континент - проявляется при накоплении гуано.
Следующими группами осадочных пород являются железистые и марганцевые. Поскольку при их формировании живое вещество выполняет сходные функции, мы рассмотрим их совместно.
Железистые осадочные породы залегают в виде пластов, линз или гнезд. В докембрийской части метабиосферы широко распространены своеобразные метаморфические породы - железистые кварциты, или джеспилиты. Они представляют собой яснослоистые породы, в которых чередуются тонкие прослойки, в различной степени обогащенные железом и кремнеземом. Возраст джеспилитов около 2 млрд. лет.
Образование осадочных железистых и марганцевых руд фанерозоя происходило в морской или озерно-болотной обстановке. "Вероятно, нет ни одного металла, в образовании больших скоплений которого жизнь играла бы такую роль, как для марганца, - сказал Вернадский в своем выступлении на Конференции по вопросам генезиса руд железа, марганца и алюминия в апреле 1935 г. - Для кальция и железа точно так же биогенные образования отвечают наибольшим их природным массам, но для них наряду с концентрациями такого происхождения известны не меньшие скопления, связанные с магматическими процессами, совершенно независимые от биосферы. Ничего подобного неизвестно для марганца".
Марганцевыми обычно называют породы с содержанием окиси марганца больше 10%. Как и железистые породы, они залегают в форме пластов мощностью до 20 м и пластообразных или линзовидных залежей. Основные минералы марганцевых пород - окислы и гидроокислы марганца. Один из этих минералов назван в честь Владимира Ивановича вернадитом.
Вопрос о роли жизни в формировании железистых и марганцевых пород волнует геологов уже больше 100 лет. И может быть, ни в каком другом вопросе науки об осадочных породах борьба мнений не принимала такие острые, подчас драматические формы.
К. Г. Эренберг (это имя мы уже упоминали) еще в 1836 г. выявил в так называемых болотных (или озерных) железных рудах микробиогенные структуры. Бактерии, концентрирующие железо, были открыты в конце прошлого века. Великий русский микробиолог С. Н. Виноградский предложил для них название "железобактерии".
В январе 1947 г. на сессии Отделения геолого-географических наук АН СССР выступил с докладом член-корреспондент АН СССР Александр Григорьевич Вологдин (1896-1971). Вологдин рассказал, что, следуя совету академика В. Л. Комарова поискать в горных породах остатки древних бактерий или следы их деятельности, оп предпринял микроскопическое исследование широкого круга геологических объектов. В противоположность ранее предпринимавшимся попыткам Г. Молиша, Я. В. Самойлова и В. С. Буткевича Вологдину посчастливилось найти оруднелые остатки железобактерий в железистых и марганцевых породах.
Доклад А. Г. Вологдина вызвал суровую критику собравшихся. Докладчика упрекали в бездоказательности основных положений, в излишнем увлечении микроскопированием, в неубедительности фотографий микроорганизмов… И лишь четверть века спустя эта работа получила иную оценку.