Витватерсранд ( Великобритания : / wɪtˈwɔːtərzrænd , -rɑːnd / , США также / ˈwɪtwɔːtərz- / ; [ 1 ] произношение на африкаанс: [ˌvətˌvɑːtəɾsˈɾant] ; местно Ранд или , реже, Риф ) — 56 - километровый ( 35 миль ) обращённый на север уступ в Южной Африке . Он состоит из твёрдой, устойчивой к эрозии кварцитовой метаморфической породы , над которой несколько текущих на север рек образуют водопады , что объясняет название Витватерсранд , что на африкаанс означает «хребет белой воды» . [2] Этот эскарп, идущий с востока на запад, можно проследить только с одним коротким промежутком, от Бедфордвью (примерно в 10 км [6,2 мили] к западу от международного аэропорта имени О. Р. Тамбо ) на востоке, через Йоханнесбург и Рудепурт , до Крюгерсдорпа на западе (см. схему слева ниже). [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 Хайвелда . Ряд живописных пригородов Йоханнесбурга, включая Обсерваторию , Линксфилд-Ридж и Аппер-Хоутон, расположены вдоль уступа, возвышаясь над остальной частью северного Йоханнесбурга с видами до Магалисбурга [ 4] (хотя местные жители называют сегменты уступа, используя специфические для данной местности названия, такие как Линксфилд-Ридж , Парктаун-Ридж или Обсерваторский хребет ). [5] [6] Вся платообразная структура также часто называется Витватерсранд. Высота плато над уровнем моря составляет от 1700 до 1800 метров (5600–5900 футов).
Плато Витватерсранд образует континентальный водораздел , при этом сток на север впадает в Индийский океан через реки Крокодил и Лимпопо , а сток на юг впадает через реку Вааль в реку Оранжевая и в конечном итоге в Атлантический океан . [3] [7] [8]
Из-за огромного количества золота , добытого в Витватерсранде, в 1961 году после провозглашения республики южноафриканская валюта получила название рэнд .
Витватерсранд и Рэнд — названия конурбации , которая развивалась вдоль хребта , хотя эти термины выходят из употребления [ требуется ссылка ] и Витватерсранд был «W» в PWV (Претория-Витватерсранд-Феринигинг), первоначальном названии провинции Гаутенг . В этом контексте он дал свое название учреждениям, включая Университет Витватерсранда (Университет Витса) и несуществующий Университет Африкаанс Рэнд (RAU, теперь часть Университета Йоханнесбурга ), а также городам и регионам, таким как Ист-Рэнд , Вест-Рэнд и Рэндбург .
Плато Витватерсранд состоит из слоя в основном осадочных пород толщиной от 5000 до 7000 метров ( 3,1–4,3 мили), отложившихся 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 морских лавовых отложений, перемежающихся с более мягкими, более легко размываемыми тиллитами , аргиллитами и конгломератами . Самые старые породы (отложившиеся 2,97 миллиарда лет назад) образуют северный уступ плато Витватерсранда; самые молодые (отложившиеся 2,71 миллиарда лет назад) образуют южный край плато.
Золото находится в конгломератных слоях более молодых членов Супергруппы, которые местные называют banket . Обилие этого золота не имеет себе равных в природе нигде в мире. Более 40 000 тонн (44 000 коротких тонн) было добыто из этих пород с тех пор, как этот драгоценный металл был впервые обнаружен здесь в 1886 году. Это составляет примерно 22% всего золота, которое учитывается сегодня. [3]
Не все конгломераты содержат золото, а в тех, которые содержат его (известных шахтерам как «рифы»), золото не распределено равномерно по всему слою, а имеет тенденцию встречаться в полосах, где галька, из которой состоит конгломерат, крупнее, чем в других местах. Здесь золото связано с другими минералами, особенно с железным колчеданом и уранинитом , а также с богатыми углеродом материалами, такими как кероген или битум , который встречается в небольших шариках размером менее 1 мм (0,04 дюйма), называемых «углеродными спеками», или в виде непрерывных слоев толщиной около 10–20 мм (0,4–0,8 дюйма). [2] [9] Золотоносные конгломераты встречаются в основном в верхних, более молодых слоях супергруппы пород Витватерсранда, на южной стороне плато Витватерсранда.
Пласты супергруппы Витватерсранда, которые достигают поверхности в Йоханнесбурге, падают вниз на юг под углом около 30°. [3] Оттуда они почти везде, за очень немногими исключениями (см. ниже), покрыты более молодыми породами. [10] Добыча золота в этих погребенных частях супергруппы Витватерсранда иногда ведется на глубине 4 километра (2,5 мили) под поверхностью. [9] [11]
Бассейн Витватерсранда — это в значительной степени подземное геологическое образование, которое выходит на поверхность в Витватерсранде. Он содержит крупнейшие в мире известные запасы золота и произвел более 40 000 тонн (1,3 × 10 9 унций), что составляет около 22% всего золота, учтенного над поверхностью. [3] Бассейн охватывает старые провинции Трансвааль и Оранжевое Свободное Государство и состоит из слоя архейских , в основном осадочных пород толщиной 5000–7000 м, отложившихся в течение периода около 260 миллионов лет, начиная с 3000 миллионов лет назад. [9] Вся серия пород, известная как «Супергруппа Витватерсранда», состоит из кварцитов , полосчатых железняков , аргиллитов , тиллитов , конгломератов и некоторых морских лавовых отложений. Большая часть бассейна глубоко погребена под более молодыми породами, но выходы встречаются в Гаутенге , Свободном государстве , а также в некоторых близлежащих провинциях. Выходы в Гаутенге образуют хребет Витватерсранд, от которого бассейн и его скалы получили свое название. Именно на южной части этого хребта в 1886 году на ферме Ланглаагте, в 5 км к западу от Йоханнесбурга , было впервые обнаружено золото . [3] [2] Поскольку это золото было заключено в конгломерате, сначала предполагалось, что это было россыпное золото в старом русле реки, которое было наклонено в результате движений земной коры. [3] [2] Однако, когда было обнаружено, что, прослеженное вниз по падению , конгломерат не просто развивался для узкой ширины реки, но и продолжался в глубину, пришло понимание, что эта конгломератная зона была частью осадочной последовательности . [2] Конгломерат был быстро прослежен в восточном и западном направлениях на общую непрерывную дистанцию в 50 км (31 милю), чтобы определить то, что стало известно как «Золотое месторождение Центрального Рэнда».
С тех пор было установлено, что породы, составляющие хребет Витватерсранд, падают вниз и на юг, образуя в основном подземный «бассейн Витватерсранда», который охватывает эллиптическую область с длинной главной осью 300 км (190 миль) от Эвандера на северо-востоке до Теуниссена на юго-западе и шириной 150 км (93 мили) от Стейнсруса на юго-востоке до Колиньи на северо-западе, [2] с небольшим дополнительным бассейном в Кинроссе . Золото встречается только вдоль северных и западных границ этого бассейна, но не в непрерывной полосе. Золотоносные породы ограничены шестью участками, где архейские реки с севера и запада образовывали веерные дельты со множеством разветвленных каналов, прежде чем впадать в «море Витватерсранда» на юге, где были отложены более ранние отложения, которые образуют более старые породы супергруппы Витватерсранда. Некоторые из этих золотоносных конусов выноса сейчас находятся на глубине 4 км (2,5 мили) под поверхностью. [3] [2] Хотя многие из старых шахт вокруг Йоханнесбурга сейчас почти истощены, 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 Витватерсранда был создан в архейский эон и, следовательно, является одной из древнейших геологических структур на Земле. Он был заложен в два этапа, в течение 260 миллионов лет, начиная с почти 3 миллиардов лет назад. Первая фаза, длившаяся 60 миллионов лет, состояла из осадочных отложений в мелководном море, удобно названном «морем Витватерсранда». Полученный слой осадков толщиной 2500–4500 м называется «группой Западного Рэнда» пород Витватерсранда. Вторая фаза, длившаяся 200 миллионов лет, последовала за первой фазой с отложениями на суше, возникшими в результате отступления моря Витватерсранда, оставив широкую почти плоскую прибрежную равнину, над которой реки с севера образовали широкие разветвленные речные дельты , в некоторых из которых отложились богатые месторождения золота. Полученный слой породы толщиной 2500 м называется «группой Центрального Рэнда». «Группа Западного Рэнда» и «Группа Центрального Рэнда» вместе образуют «Супергруппу Витватерсранда», полная горизонтальная протяженность которой называется бассейном Витватерсранда. [3] [9] [2]
На ранних стадиях архейского эона не было континентов, [14] но образовались островные дуги . Именно слияние нескольких из этих островных дуг привело к образованию кратона Каапвааль , одного из первых микроконтинентов, образовавшихся на Земле около 3,9 миллиарда лет назад. [9] Его размер и положение относительно Южной Африки сегодня указаны на диаграмме слева. Около 3 миллиардов лет назад локальное охлаждение подстилающей астеносферы вызвало опускание юго-восточной части этого микроконтинента ниже уровня моря. [9] Дно этого недавно образованного «моря Витватерсранда» состояло из плавно размытых гранитов . Песчаные осадки, принесенные реками с севера, начали откладываться на граните около 2,97 миллиарда лет назад. Этот песчаный слой в конечном итоге сжался, образовав кварцит Оранж-Гроув, самый нижний слой супергруппы Витватерсранда. Этот кварцитовый слой можно увидеть лежащим на гранитном основании в Йоханнесбурге , где он образует хребет длиной 56 км, протянувшийся с востока на запад, по которому несколько рек, текущих на север, образуют водопады, что и дало название Витватерсранд, что на языке африкаанс означает «Хребет белых вод».
В атмосфере Земли не было свободного кислорода до появления и достаточного развития фотосинтезирующих цианобактерий около 2 миллиардов лет назад . [13] Кислород, вырабатываемый этими микроорганизмами, быстро реагировал, среди прочего, с ионами Fe2 +, растворенными в воде, осаждая нерастворимый красный оксид железа ( гематит ). По разным причинам на осаждение мелкозернистого ила влияли циклические эпизоды с большим или меньшим осаждением оксидов железа. Результатом были чередующиеся красные и бежевые слои ила, которые при консолидации становились полосчатыми железняками . [13]
По мере углубления моря накапливались более мелкозернистые и илистые отложения. Изменение географических условий привело к накоплению самых разнообразных осадков, от грязи 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 осадков, которые стали «группой Западного Рэнда» пород, которые составляют более 60% общей толщины супергруппы Витватерсранда. [3] [9] [15]
Поднятие северной части кратона Каапвааль, в дополнение к орогенезу (горообразованию), к концу отложения осадков «группы Западного Ранда» привело к отступлению моря Витватерсранда. Район кратона, на вершине которого сейчас расположен Йоханнесбург, превратился в обширную речную равнину, которая простиралась вдоль всей северной и западной береговой линии усохшего 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 каналов, где откладывались все тяжелые материалы, принесенные с гор: крупная галька и тяжелые минералы, такие как золото , железный колчедан и уранинит . Золото находилось в своей свободной элементарной форме. Цианобактерии росли в относительном изобилии в этих богатых минералами водах. [3] [9] [15] Кероген , или битум , который обнаруживается в связи с залежами золота , почти наверняка представляет собой то, что осталось от этих архейских фотосинтезирующих микроорганизмов. [9]
Очевидно, что в течение следующих 200 миллионов лет пойма неоднократно затапливалась, иногда размывалась, и осадки переотлагались. Результатом стал слой породы толщиной 2500 м, который называется «Central Rand Group», который вместе с «West Rand Group» образует «Witwatersrand Supergroup». Именно более молодая Central Rand Group содержит большую часть золотоносных конгломератов, которые местные жители называют banket , и которые сегодня имеют большое экономическое значение.
«Центральная группа Рэнд» месторождений была внезапно прекращена массивными излияниями лавы, которые образовали лавы Вентерсдорпа, извергнувшиеся 2,715 млрд лет назад. [9] Причина этих излияний лавы является предметом спекуляций. Это может быть связано со столкновением кратона Каапвааль с кратоном Зимбабве , которые в конечном итоге объединились в единое континентальное целое.
Последним событием, оказавшим большое влияние на геологию бассейна Витватерсранда и его обнажение в районе Йоханнесбурга, стал мощный удар 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 грандиозного события: куполу Вредефорта. Остатки этого удара не только являются одними из старейших на Земле, но и одним из крупнейших ударов метеорита, оставивших свой отпечаток на современной геологии Земли. [3] [9] Метеор диаметром 10–15 км создал кратер диаметром 300 км, исказив все слои горных пород в пределах этого круга. Йоханнесбург находится как раз в пределах внешнего края 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. В этих выходах нет месторождений золота. Однако удар метеорита опустил бассейн Витватерсранда внутри кратера. Это защитило его от последующей эрозии; но, возможно, что более важно, вывело его на поверхность близко к краю кратера, недалеко от Йоханнесбурга. [9] Фактически, за исключением выходов Витватерсранда (т. е. где эти породы обнажаются на поверхности) в непосредственной близости от купола Вредефорт, практически все остальные выходы встречаются по дуге примерно в 80–120 км от центра ударного кратера, на запад, северо-запад, север и северо-восток. [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 удаления слоя отложений толщиной в несколько километров с поверхности Южно-Африканского плато в сравнительно недавнем геологическом прошлом: т. е. за последние 150 миллионов лет, но особенно в течение последних 20 миллионов лет. [9]
Подавляющее большинство золота Земли и других тяжелых металлов заперты в ядре Земли . Данные исследований изотопов вольфрама показывают, что большая часть золота в коре происходит из золота в мантии , которое образовалось в результате метеоритной бомбардировки около 3900 миллионов лет назад (т.е. примерно в то же время, когда образовался кратон Каапвааль ). События, связанные с падением золотоносных метеоритов, произошли через миллионы лет после разделения ядра Земли. [16] Золото в районе бассейна Витватерсранд откладывалось в дельтах архейских рек, будучи вымытым из окружающих богатых золотом зеленокаменных поясов на севере и западе. Исследования изотопов рения и осмия показывают, что золото в этих месторождениях минералов произошло из необычных интрузий возрастом 3 миллиарда лет, образовавшихся в мантии , известных как коматиит , которые присутствуют в зеленокаменных поясах. [17]
Помимо очевидного опустошения пород под южным Йоханнесбургом, вызывающего непредсказуемые провалы, поверхностную нестабильность и земные толчки, [18] вынос на поверхность пород, которые были заложены в бескислородных условиях, имел непредвиденные последствия. Железный колчедан (FeS2 ) , который относительно обилен в золотых рудах Витватерсранда, окисляется до нерастворимого оксида железа (Fe2O3 ) и серной кислоты ( H2SO4 ) . Таким образом, когда отходы шахты вступают в контакт с насыщенной кислородом дождевой водой, серная кислота выделяется в грунтовые воды. Кислотный шахтный дренаж , как называют 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, способствуя их попаданию в поверхностные и грунтовые воды. [9] [18] [19] В хвостохранилищах содержится 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 в Южной Африке, таких как Барбертон и Пилигримс Рест , а также в нескольких местах около Витватерсранда, это были аллювиальные концентраты в современных реках или в кварцевых жилах, в форме, в которой золото всегда находили в других местах на земле. Когда Джордж Харрисон, вероятно, в сопровождении Джорджа Уокера, нашел золото на ферме Ланглаагте, в 5 км (3 милях) к западу от того, что станет городом Йоханнесбургом, в обнажении конгломератовых пород в феврале 1886 года, они предположили, что это аллювиальное золото в старом русле реки, которое было наклонено в результате движений земной коры. [2] [3] Однако, когда было обнаружено, что, прослеженное вниз по падению, конгломерат не просто развивался для узкой ширины реки, но и продолжался в глубину, пришло понимание того, что эта конгломератовая зона была частью осадочной последовательности. [2] Харрисон наткнулся на конгломерат Мейн-Риф (часть «Йоханнесбургской подгруппы» пород — см. иллюстрацию выше). Конгломерат был быстро прослежен на восток и запад на протяжении 50 км (31 миля), чтобы определить то, что стало известно как «Золотое месторождение Центрального Рэнда».
Харрисон заявил о своей претензии тогдашнему правительству Южной Африканской Республики (ZAR), и в сентябре 1886 года президент Пауль Крюгер издал прокламацию, объявляющую девять ферм общественными горнодобывающими предприятиями, начиная с 20 сентября 1886 года . [3] Это ознаменовало историческую золотую лихорадку в Витватерсранде . Считается, что Харрисон продал свою заявку менее чем за 10 фунтов стерлингов, прежде чем покинуть этот район, и больше о нем никто не слышал.
Оригинальный участок № 19, принадлежащий Харрисону, Zoekers (по-английски: искатели или старатели), был объявлен национальным памятником в 1944 году и назван парком Харрисона. [23] Парк находится на оживленной главной дороге Риф, сразу к западу от дороги Насрек. [3] В 1887 году Сесил Джон Родс зарегистрировал в Лондоне «Золотые поля Южной Африки», первую в Южной Африке горнодобывающую компанию, с капиталом£250 000. Его брат Томас был первым председателем. [3]