Витватерсранд ( Великобритания : / w ɪ t ˈ w ɔː t ər z r æ n d , - r ɑː n d / , США также / ˈ w ɪ t w ɔː t ər z -/ ; [1] произношение на языке африкаанс: [ˌvətˌvɑːtəɾsˈɾant ] ; локально Рэнд или, реже, Риф ) представляет собой уступ длиной 56 километров (35 миль), обращенный на север, в Южной Африке . Он состоит из твердой, устойчивой к эрозии кварцитовой метаморфической породы, над которой несколько рек, текущих на север, образуют водопады, отсюда и название Витватерсранд, что на языке африкаанс означает «хребет белой воды» . [2] Этот уступ, идущий с востока на запад, можно проследить только с одним коротким промежутком: от Бедфордвью (около 10 км [6 миль] к западу от международного аэропорта О. Р. Тамбо ) на востоке, через Йоханнесбург и Рудепорт , до Крюгерсдорпа на западе. (см. схему слева внизу). [3]
Уступ образует северный край плато (или хребта) шириной от 7 до 10 километров (4–6 миль), которое возвышается примерно на 200 м (660 футов) над окружающими равнинами Хайвельда . Ряд живописных пригородов Йоханнесбурга, в том числе Обсерватория , Линксфилд-Ридж и Аппер-Хоутон, расположены вдоль уступа, откуда открывается вид на остальную часть северного Йоханнесбурга вплоть до Магалисбурга [4] (хотя местные жители называют сегменты уступа, используя названия, специфичные для района). , такие как Линксфилд-Ридж , Парктаун-Ридж или Обсерватория-Ридж ). [5] [6] Всю платообразную структуру также часто называют Витватерсрандом. Высота плато над уровнем моря составляет от 1700 до 1800 метров (5600–5900 футов).
Плато Витватерсранд образует континентальный водораздел : сток на север впадает в Индийский океан через реки Крокодил и Лимпопо , а сток на юг стекает через Ваал в Оранжевую реку и в конечном итоге в Атлантический океан. . [3] [7] [8]
Из-за огромного количества золота , добытого из скал Витватерсранда, в 1961 году после провозглашения республики южноафриканская валюта была названа рандом .
Витватерсранд и Рэнд - это названия агломерации , которая развивалась вдоль хребта , хотя эти термины выходят из употребления [ нужна ссылка ] , а Витватерсранд был буквой W в PWV (Претория-Витватерсранд-Фереенигинг), первоначальном названии провинции Гаутенг . В этом контексте он дал свое название таким учреждениям, как Университет Витватерсранда (Университет Витса) и несуществующий Университет Рэнда Африкаанс (RAU, ныне часть Йоханнесбургского университета ), а также городам и регионам, таким как Ист-Рэнд , Вест-Рэнд и Рандбург .
Плато Витватерсранд состоит из слоя толщиной от 5 000 до 7 000 метров (3,1–4,3 мили), состоящего в основном из осадочных пород, образовавшихся в течение периода около 260 миллионов лет, начиная примерно 2,97 миллиарда лет назад. [9] Вся серия пород, известная как «Супергруппа Витватерсранда», состоит из очень твердых, устойчивых к эрозии кварцитов , полосчатых железняков и некоторых отложений морской лавы , перемежающихся с более мягкими, более легко поддающимися эрозии тиллитами , аргиллитами и конгломератами . Древнейшие породы (заложенные 2,97 миллиарда лет назад) образуют северный уступ плато Витватерсранд; самые молодые (заложенные 2,71 миллиарда лет назад) — те, что образуют южный край плато.
Золото находится в пластах конгломератов младших членов Супергруппы, называемых местными банкетами . Обилие этого золота не имеет аналогов нигде в мире. С тех пор, как этот драгоценный металл был впервые обнаружен здесь в 1886 году, из этих пород было добыто более 40 000 тонн (44 000 коротких тонн). Это составляет примерно 22% всего золота, которое приходится на сегодняшний день. [3]
Не все конгломераты содержат золото, а в тех, которые содержат золото (известные горняками как «рифы»), золото не распределено равномерно по всему слою, а имеет тенденцию встречаться полосами, где галька, составляющая конгломерат, крупнее. чем где-либо еще. Здесь золото связано с другими минералами, особенно с железным пиритом и уранинитом , а также с материалами, богатыми углеродом, такими как кероген или битум , который встречается в небольших шариках размером менее 1 мм (0,04 дюйма), называемых «углеродом-мухой». или в виде непрерывных слоев толщиной около 10–20 мм (0,4–0,8 дюйма). [2] [9] Золотоносные конгломераты встречаются главным образом в верхних, более молодых слоях супергруппы пород Витватерсранд, на южной стороне плато Витватерсранд.
Пласты супергруппы Витватерсранда, достигающие поверхности в Йоханнесбурге, падают вниз на юг под углом около 30°. [3] С этого момента они почти повсюду, за очень немногими исключениями (см. ниже), покрыты более молодыми породами. [10] Добыча золота в этих погребенных частях супергруппы Витватерсранда иногда осуществляется на глубине 4 километров (2,5 мили) под поверхностью. [9] [11]
Бассейн Витватерсранда представляет собой преимущественно подземное геологическое образование, которое выходит на поверхность в Витватерсранде. Он обладает крупнейшими в мире известными запасами золота и добыл более 40 000 тонн (1,3 × 10 9 унций), что составляет около 22% всего золота, находящегося на поверхности. [3] Бассейн охватывает старые провинции Трансвааль и Оранжевое Свободное Государство и состоит из слоя архейских пород толщиной 5000–7000 м , в основном осадочных пород, отложенных в течение периода около 260 миллионов лет, начиная примерно с 3000 миллионов лет назад. . [9] Вся серия пород, известная как «Супергруппа Витватерсранда», состоит из кварцитов , полосчатых железняков , аргиллитов , тиллитов , конгломератов и некоторых отложений морской лавы . Большая часть бассейна глубоко погребена под более молодыми породами, но обнажения встречаются в Гаутенге , Свободном государстве , а также в некоторых прилегающих провинциях. Обнажение в Гаутенге образует хребет Витватерсранд, от которого бассейн и его скалы получили свое название. Именно в южной части этого хребта золото было впервые обнаружено на ферме Ланглаагте в 1886 году, в 5 км к западу от Йоханнесбурга . [3] [2] Поскольку это золото было заключено в конгломерат, сначала предполагалось, что это россыпное золото в старом русле реки, которое было наклонено в результате движений земли. [3] [2] Однако, когда было обнаружено, что, прослеженный вниз по падению , конгломерат не просто развивался на узкой ширине реки, но и продолжался в глубину, пришло осознание того, что эта конгломератная зона была частью осадочной последовательности. . [2] Конгломерат был быстро прослежен на восток и запад на общее непрерывное расстояние в 50 км (31 милю), чтобы определить то, что стало известно как «Центральное золотое месторождение Рэнда».
С тех пор было установлено, что скалы, составляющие хребет Витватерсранд, опускаются вниз и на юг, образуя в основном подземный «бассейн Витватерсранд», который покрывает эллиптическую область с главной осью длиной 300 км (190 миль) от Эвандера на северо-востоке. до Теуниссена на юго-западе и шириной 150 км (93 мили), простирающейся от Стейнсруса на юго-востоке до Колиньи на северо-западе, [2] с небольшим вспомогательным бассейном в Кинроссе . Золото встречается только вдоль северной и западной окраин этого бассейна, но не сплошной полосой. Золотоносные породы ограничены шестью участками, где архейские реки с севера и запада образовывали веерные дельты со множеством разветвленных каналов, прежде чем впасть в «море Витватерсранда» на юге, где более ранние отложения, образующие более древние породы Супергруппа Витватерсранда была депонирована. Некоторые из этих золотоносных веерных дельт сейчас находятся на глубине 4 км (2,5 мили) от поверхности. [3] [2] Хотя многие из старых рудников вокруг Йоханнесбурга в настоящее время почти исчерпаны, бассейн Витватерсранда по-прежнему производит большую часть золота Южной Африки и большую часть общего мирового производства. Серебро , уран и иридий извлекаются как побочные продукты переработки золота. [12]
Бассейн Витватерсранд был создан во время архейского эона и поэтому является одной из старейших геологических структур на Земле. Он закладывался в два этапа, в течение 260 миллионов лет, начиная чуть меньше 3 миллиардов лет назад. Первая фаза, длившаяся 60 миллионов лет, состояла из осадочных отложений в мелком море, удобно названном «морем Витватерсранда». Образовавшийся слой отложений толщиной 2500–4500 м получил название «группы Вест-Рэнд» пород Витватерсранда. Вторая фаза, продолжавшаяся 200 миллионов лет, последовала за первой фазой с отложениями на суше, возникшими в результате отступления моря Витватерсранда, оставив широкую, почти плоскую прибрежную равнину, по которой реки с севера образовали широкую разветвленную реку. дельты , в некоторых из которых были заложены богатые месторождения золота. Образовавшийся слой породы толщиной 2500 м получил название «Центральная группа Рэнд». «Группа Вест-Рэнд» и «Группа Центральный Рэнд» вместе образуют «Супергруппу Витватерсранда», полная горизонтальная протяженность которой называется бассейном Витватерсранда. [3] [9] [2]
На ранних стадиях архейского эона континентов не было, [14] но формировались островные дуги . Именно слияние нескольких таких островных дуг привело к образованию кратона Каапвааль , одного из первых микроконтинентов, образовавшихся на Земле около 3,9 миллиардов лет назад. [9] Его размер и положение относительно современной Южной Африки указаны на диаграмме слева. Около 3 миллиардов лет назад местное охлаждение подстилающей астеносферы вызвало опускание юго-восточной части этого микроконтинента ниже уровня моря. [9] Дно этого недавно образовавшегося «Витватерсрандского моря» состояло из гладко размытых гранитов . Песчаные отложения, принесенные реками с севера, начали откладываться на граните около 2,97 миллиарда лет назад. Этот песчаный слой в конечном итоге сжался, образовав кварцит Оранжевой рощи, самый нижний слой супергруппы Витватерсранда. Этот слой кварцита можно увидеть лежащим на его гранитном основании в Йоханнесбурге , где он образует 56-километровый хребет с востока на запад, по которому несколько рек, текущих на север, образуют водопады, что дало начало названию Витватерсранд, что на языке африкаанс означает «Хребет Белые воды».
Свободного кислорода в атмосфере Земли не было примерно 2 миллиарда лет назад, до появления и достаточного развития фотосинтезирующих цианобактерий . [13] Кислород, вырабатываемый этими микроорганизмами, быстро вступал в реакцию, среди прочего, с ионами Fe 2+ , растворенными в воде, осаждая нерастворимый красный оксид железа ( гематит ). По разным причинам на седиментацию мелкозернистого ила влияли циклические эпизоды с большим или меньшим выпадением оксидов железа. В результате образовались чередующиеся красные и бежевые слои грязи, которые при объединении превратились в полосатые железные камни . [13]
По мере углубления моря накапливались более мелкозернистые и мутные отложения. Изменение географических условий привело к накоплению самых разнообразных отложений, от ила до песка, гравия и полосчатых железняков . Отложения тиллита , датируемые 2,95 миллиарда лет назад, свидетельствуют о первых эпизодах оледенения на Земле. [9] [15] В течение 60 миллионов лет на гранитном основании накопилось до 4500 м отложений, которые стали «группой Вест-Рэнд» пород, которые составляют более 60% общей толщины супергруппы Витватерсранда. [3] [9] [15]
Поднятие северной части кратона Каапвааль, помимо орогенеза (горообразования), к концу отложения отложений «группы Вест-Рэнд» привело к отступлению моря Витватерсранда. Территория кратона, на вершине которого сейчас расположен Йоханнесбург, превратилась в обширную речную равнину, протянувшуюся вдоль всей северной и западной береговой линии высохшего моря, по дуге, простирающейся от Эвандера на востоке через Йоханнесбург, Карлтонвилл и затем на юг до Клерксдорпа и Велкома на юго-западе. Реки образовывали разветвленные дельты со множеством переплетающихся, медленно текущих русел, где откладывались все тяжелые материалы, принесенные с гор: крупная галька и тяжелые минералы, такие как золото , железный пирит , уранинит . Золото находилось в своей свободной элементарной форме. В этих богатых минералами водах в относительном изобилии росли цианобактерии. [3] [9] [15] Кероген , или битум , обнаруженный в месторождениях золота, почти наверняка представляет собой то , что осталось от этих архейских фотосинтезирующих микроорганизмов. [9]
Понятно, что в течение следующих 200 миллионов лет пойма неоднократно подвергалась затоплению, иногда эрозии и переотложению отложений. В результате образовался слой породы толщиной 2500 м, получивший название «Центральная группа Рэнд», которая вместе с «Группой Вест-Рэнд» образует «Супергруппу Витватерсранда». Именно более молодая группа Central Rand Group содержит большую часть золотоносных конгломератов, называемых местными банкетами , которые сегодня имеют большое экономическое значение.
«Группа Центрального Рэнда» внезапно прекратила свое существование в результате массивных излияний лавы, которые образовали лавы Вентерсдорпа, извергнутые 2,715 миллиарда лет назад. [9] Причина этих излияний лавы является предметом предположений. Это может быть связано со столкновением кратона Каапвааль с кратоном Зимбабве , которые в конечном итоге объединились и образовали единую континентальную единицу.
Последним событием, которое оказало серьезное влияние на геологию бассейна Витватерсранд и его обнажение в районе Йоханнесбурга, стало мощное падение метеорита в 110 км к юго-западу от Йоханнесбурга 2,02 миллиарда лет назад. [3] [9] Удар произошел недалеко от нынешней деревни Вредефорт, которая дала название геологическому остатку этого огромного события: Куполу Вредефорта. Остатки этого удара не только являются одними из старейших на Земле, но это также одно из крупнейших метеорных ударов, оставивших свой след в современной геологии Земли. [3] [9] Метеор диаметром 10–15 км создал кратер диаметром 300 км, исказив все слои горных пород внутри этого круга. Йоханнесбург находится прямо на внешнем краю этого ударного кратера. В непосредственной близости от удара все подземные пласты были подняты и перевернуты, так что породы Витватерсранда обнажаются по дуге в 25 км от центра удара. К сожалению, в этих обнажениях нет месторождений золота. Однако удар метеорита опустил бассейн Витватерсранда внутри кратера. Это защитило его от эрозии в дальнейшем; но, что, возможно, более важно, вынести его на поверхность недалеко от края кратера, недалеко от Йоханнесбурга. [9] Фактически, за исключением обнажений Витватерсранда (т.е. там, где эти породы выходят на поверхность) в непосредственной близости от купола Вредефорт, практически все остальные обнажения расположены по дуге примерно в 80–120 км от центра ударный кратер на западе, северо-западе, севере и северо-востоке. [10] Таким образом, возможно, что если бы не удар астероида Вредефорт 2 миллиарда лет назад, мы бы либо никогда не обнаружили богатые месторождения золота под поверхностью Южной Африки, либо они были бы размыты в ходе непрерывного удаление слоя отложений толщиной в несколько километров с поверхности Южно-Африканского нагорья в сравнительно недавнем геологическом прошлом: т.е. в последние 150 миллионов лет, но особенно в течение последних 20 миллионов лет. [9]
Подавляющее большинство земного золота и других тяжелых металлов заключено в земном ядре . Данные исследований изотопов вольфрама показывают, что большая часть золота в коре происходит из золота мантии , образовавшегося в результате метеоритной бомбардировки около 3900 миллионов лет назад (т.е. примерно в то время, когда образовался кратон Каапвааль ). События с золотосодержащим метеоритом произошли через миллионы лет после отделения ядра Земли. [16] Золото в районе бассейна Витватерсранда откладывалось в дельтах рек архейского периода , будучи смытым из окружающих богатых золотом зеленокаменных поясов на север и запад. Исследования изотопов рения и осмия показывают, что золото в этих месторождениях полезных ископаемых произошло из необычных мантийных интрузий возрастом 3 миллиарда лет, известных как коматиит , присутствующих в зеленокаменных поясах. [17]
Помимо очевидного вымывания пород под южным Йоханнесбургом, вызывающего непредсказуемые провалы, нестабильность поверхности и земные толчки, [18] вынос на поверхность камней, отложенных в бескислородных условиях, имел непредвиденные последствия. Железный пирит (FeS 2 ), которого сравнительно много в золотых рудах Витватерсранда, окисляется до нерастворимого оксида железа (Fe 2 O 3 ) и серной кислоты (H 2 SO 4 ). Таким образом, когда шахтные отходы вступают в контакт с насыщенной кислородом дождевой водой, в грунтовые воды выделяется серная кислота. Кислотный дренаж шахт , как называется это явление, стал серьезной экологической проблемой, поскольку он растворяет многие тяжелые элементы, такие как уран , кадмий , свинец , цинк , медь , мышьяк и ртуть , обнаруженные в отвалах шахт, облегчая их переход в поверхностные и грунтовые воды. [9] [18] [19] Хвостохранилища содержат в среднем 100 мг/кг U 3 O 8 , а уровень урана можно измерить в человеческих волосах. [20]
Серная кислота также разрушает бетонные и цементные конструкции, что приводит к повреждению конструкций зданий и мостов. [18] [19]
Хотя золото было обнаружено в различных местах Южной Африки, таких как Барбертон и Пилигримс Рест , а также в нескольких местах вблизи Витватерсранда, это были аллювиальные концентраты в современных реках или в кварцевых жилах в той форме, в которой золото всегда добывалось. найден в другом месте на Земле. Когда Джордж Харрисон, вероятно, в сопровождении Джорджа Уокера, в феврале 1886 года нашел золото на ферме Ланглаагте, в 5 км (3 милях) к западу от того, что впоследствии стало городом Йоханнесбург, в обнажении конгломератных пород, они предположили, что это аллювиальные породы. золото в старом русле реки, которое было наклонено в результате движения земли. [2] [3] Однако, когда было обнаружено, что, прослеженный вниз по падению, конгломерат не просто развивался на узкой ширине реки, но и продолжался в глубине, пришло осознание того, что эта конгломератная зона была частью осадочной последовательности. . [2] Харрисон наткнулся на конгломерат Главного рифа (часть скал «Йоханнесбургской подгруппы» — см. иллюстрацию выше). Конгломерат был быстро прослежен на восток и запад на общее непрерывное расстояние в 50 км (31 милю), чтобы определить то, что стало известно как «Центральное золотое месторождение Рэнда».
Харрисон заявил о своих претензиях тогдашнему правительству Африканской Республики (ZAR), а в сентябре 1886 года президент Пол Крюгер издал прокламацию, объявляющую, что с 20 сентября 1886 года на девяти фермах будут проводиться общественные горнодобывающие работы. [3] Это ознаменовало историческое открытие Witwatersrand Gold. Торопиться . Считается, что Харрисон продал свой иск менее чем за 10 фунтов стерлингов перед тем, как покинуть этот район, и больше о нем никто не слышал.
Оригинальный участок Харрисона Зукерс (по-английски: искатели или старатели) № 19 был объявлен национальным памятником в 1944 году и назван Парком Харрисона. [23] Парк находится на оживленной улице Мэйн-Риф-Роуд, сразу к западу от Насрек-Роуд. [3] В 1887 году Сесил Джон Роудс зарегистрировал в Лондоне «Золотые прииски Южной Африки», первую горнодобывающую компанию Южной Африки с капиталом в£250 000 . Его брат Томас был первым председателем. [3]