ويتواترسراند

حوض ويتواترسراند هو تكوين جيولوجي جوفي في معظمه، يظهر على سطح الأرض في ويتواترسراند. ويحتوي على أكبر احتياطيات الذهب المعروفة في العالم ، حيث أنتج أكثر من 40 ألف طن (1.3 × 10⁹ ^أونصة ) ، وهو ما يمثل حوالي 22% من إجمالي الذهب الموجود فوق سطح الأرض. ^{[ 3 ]} يمتد الحوض بين مقاطعتي ترانسفال وأورانج فري ستيت القديمتين ، ويتكون من طبقة سميكة تتراوح بين 5000 و7000 متر من صخور العصر الأركي ، وهي في الغالب صخور رسوبية ترسبت على مدى حوالي 260 مليون سنة، بدءًا من حوالي 3 مليارات سنة مضت. ^{[ 9 ]} تتكون سلسلة الصخور بأكملها، والمعروفة باسم "مجموعة ويتواترسراند الفائقة"، من الكوارتزيت ، والصخور الحديدية المخططة ، والحجر الطيني ، والتيلتيت ، والكونغلوميرات، وبعض رواسب الحمم البركانية البحرية . معظم حوض النهر مدفونٌ تحت صخورٍ أحدث عهدًا، لكن تظهر نتوءاتٌ صخرية في غاوتينغ ، وفري ستيت ، وبعض المقاطعات المجاورة. يشكّل النتوء الصخري في غاوتينغ سلسلة جبال ويتواترسراند، التي استمدّ منها الحوض وصخوره اسمه. في الجزء الجنوبي من هذه السلسلة، اكتُشف الذهب لأول مرة في مزرعة لانغلاغتي عام 1886، على بُعد 5 كيلومترات غرب جوهانسبرغ . ^{[ 3 ] [ 2 ]} ولأن هذا الذهب كان مُضمّنًا في صخورٍ مُتكتلة، فقد افتُرض في البداية أنه ذهبٌ غريني في مجرى نهرٍ قديم، مائلٍ نتيجةً لحركاتٍ أرضية. ^{[ 3 ] [ 2 ]} إلا أنه عندما تبيّن، عند تتبّعه باتجاه الانحدار ، أن الصخور المُتكتلة لم تكن مُكوّنةً فقط لعرض النهر الضيق، بل امتدّت إلى العمق، تبيّن أن هذه المنطقة المُتكتلة كانت جزءًا من تتابعٍ رسوبي . ^{[ 2 ]} تم تتبع التكتل بسرعة شرقًا وغربًا لمسافة إجمالية متصلة تبلغ 50 كم (31 ميلًا) لتحديد ما أصبح يُعرف باسم "حقل الذهب المركزي راند".      

ثبت لاحقًا أن الصخور المكونة لسلسلة جبال ويتواترسراند تميل نحو الأسفل والجنوب لتشكل حوض ويتواترسراند، وهو حوض جوفي في معظمه، ويغطي منطقة بيضاوية الشكل بمحور رئيسي يبلغ طوله 300 كيلومتر (190 ميلًا) من إيفاندر في الشمال الشرقي إلى ثيونيسن في الجنوب الغربي، وعرضه 150 كيلومترًا (93 ميلًا) من ستينسروس في الجنوب الشرقي إلى كوليني في الشمال الغربي، ^{[ 2 ]} مع حوض فرعي صغير في كينروس . يوجد الذهب فقط على طول الحواف الشمالية والغربية لهذا الحوض، وليس في نطاق متصل. تقتصر الصخور الحاملة للذهب على ستة مواقع حيث شكلت أنهار العصر الأركي القادمة من الشمال والغرب دلتا مروحية، ذات قنوات متشعبة عديدة، قبل أن تصب في بحر ويتواترسراند جنوبًا، حيث ترسبت الرواسب الأقدم التي تشكل صخور مجموعة ويتواترسراند الفائقة. تقع بعض دلتاوات المراوح الحاملة للذهب على أعماق تصل إلى 4 كيلومترات (2.5 ميل) تحت سطح الأرض. ^{[ 3 ] [ 2 ]} ورغم أن العديد من المناجم القديمة حول جوهانسبرغ قد استُنفدت تقريبًا، إلا أن حوض ويتواترسراند لا يزال يُنتج معظم ذهب جنوب إفريقيا وجزءًا كبيرًا من إجمالي الإنتاج العالمي. ويُستخلص الفضة واليورانيوم والإيريديوم كمنتجات ثانوية لتكرير الذهب. ^{[ 12 ]}      

تشكل حوض ويتواترسراند خلال حقبة الأركي ، ولذا يُعد من أقدم التكوينات الجيولوجية على وجه الأرض. وقد ترسب على مرحلتين، على مدار 260  مليون سنة، بدءًا من حوالي 3  مليارات سنة مضت. تمثلت المرحلة الأولى، التي استمرت 60  مليون سنة، في ترسبات رسوبية في بحر ضحل، سُمي "بحر ويتواترسراند". وتُعرف  طبقة الرواسب الناتجة، التي يتراوح سمكها بين 2500 و4500 متر، باسم "مجموعة غرب راند" من صخور ويتواترسراند. أما المرحلة الثانية، التي استمرت 200  مليون سنة، فقد تلت المرحلة الأولى، حيث تشكلت رواسب على اليابسة نتيجة انحسار بحر ويتواترسراند، تاركًا سهلًا ساحليًا واسعًا شبه منبسط، تشكلت فوقه دلتا أنهار متشعبة واسعة قادمة من الشمال ، ترسبت في بعضها رواسب غنية بالذهب. وتُعرف  طبقة الصخور الناتجة، التي يبلغ سمكها 2500 متر، باسم "مجموعة وسط راند". تُشكّل مجموعتا الصخور "ويست راند غروب" و"سنترال راند غروب" معًا "مجموعة ويتواترسراند الفائقة"، ويُطلق على امتدادها الأفقي الكامل اسم حوض ويتواترسراند. ^{[ 3 ] [ 9 ] [ 2 ]}

لم تكن هناك قارات خلال المراحل المبكرة من حقبة الأركي، ^{[ 14 ]} ولكن تشكلت أقواس جزرية . وقد أدى اندماج العديد من هذه الأقواس الجزرية إلى تكوين درع كابفال ، أحد أوائل القارات الصغيرة التي تشكلت على الأرض  قبل حوالي 3.9 مليار سنة. ^{[ 9 ]} ويُبين الرسم البياني على اليسار حجمه وموقعه بالنسبة لجنوب إفريقيا  اليوم. قبل حوالي 3 مليارات سنة، تسبب التبريد الموضعي للغلاف المائع السفلي في هبوط الجزء الجنوبي الشرقي من هذه القارة الصغيرة تحت مستوى سطح البحر. ^{[ 9 ]} وتكون قاع "بحر ويتواترسراند" المتشكل حديثًا من صخور جرانيتية متآكلة بسلاسة . وبدأت الرواسب الرملية التي جلبتها الأنهار من الشمال بالترسب على الجرانيت  قبل حوالي 2.97 مليار سنة. وانضغطت هذه الطبقة الرملية في النهاية لتشكل كوارتزيت أورانج غروف، وهي الطبقة السفلى من مجموعة ويتواترسراند الفائقة. يمكن رؤية طبقة الكوارتزيت هذه وهي مستقرة على قاعدتها الجرانيتية في جوهانسبرج ، حيث تشكل  سلسلة جبال بطول 56 كم تمتد من الشرق إلى الغرب، وتتشكل فوقها شلالات من عدة أنهار تتدفق شمالاً، مما أدى إلى ظهور اسم ويتواترسراند، والذي يعني باللغة الأفريكانية "سلسلة المياه البيضاء".

لم يكن هناك أكسجين حر في الغلاف الجوي للأرض حتى قبل حوالي ملياري سنة، قبل ظهور البكتيريا الزرقاء المُنتجة للضوء  وتطورها بشكل كافٍ . ^{[ 13 ]} تفاعل الأكسجين الذي أنتجته هذه الكائنات الدقيقة بسرعة مع أيونات الحديد ^{الثنائي (Fe²⁺) المذابة في الماء، من بين مواد أخرى، مُرسبًا} أكسيد الحديد الأحمر غير القابل للذوبان ( الهيماتيت ). ولأسباب مختلفة، تأثر ترسب الطين ذي الحبيبات الدقيقة بفترات دورية من ترسب أكاسيد الحديد بدرجات متفاوتة. وكانت النتيجة طبقات متناوبة من الطين الأحمر والبيج، والتي تحولت عند تماسكها إلى صخور حديدية مخططة . ^{[ 13 ]}

مع ازدياد عمق البحر، تراكمت رواسب طينية دقيقة الحبيبات. وأدت الظروف الجغرافية المتغيرة إلى تراكم مجموعة واسعة من الرواسب، تتراوح بين الطين والرمل والحصى والصخور الحديدية المخططة . وتُعد رواسب التيليت ، التي يعود تاريخها إلى 2.95  مليار سنة، مؤشراً على أولى فترات التجلد على الأرض. ^{[ 9 ] [ 15 ]} وفي غضون 60  مليون سنة،  تراكم ما يصل إلى 4500 متر من الرواسب على قاعدة الجرانيت، لتشكل "مجموعة غرب راند" الصخرية التي تُساهم بأكثر من 60% من إجمالي سُمك مجموعة ويتواترسراند الفائقة. ^{[ 3 ] [ 9 ] [ 15 ]}

أدى ارتفاع الجزء الشمالي من درع كابفال، بالإضافة إلى تكوين الجبال، قرب نهاية ترسب رواسب "مجموعة غرب راند"، إلى انحسار بحر ويتواترسراند. وتحولت منطقة الدرع التي تقع عليها جوهانسبرغ حاليًا إلى سهل نهري شاسع، امتد على طول الساحل الشمالي والغربي للبحر المنحسر، في قوس يبدأ من إيفاندر شرقًا، مرورًا بجوهانسبرغ وكارلتونفيل، ثم جنوبًا إلى كليركسدورب وويلكوم في الجنوب الغربي. وشكلت الأنهار دلتاوات متشعبة ذات قنوات متداخلة بطيئة الجريان، حيث ترسبت جميع المواد الثقيلة التي جُلبت من الجبال: حصى كبيرة، ومعادن ثقيلة، مثل الذهب والبيريت الحديدي واليورانينيت . وكان الذهب في صورته العنصرية الحرة. ونمت البكتيريا الزرقاء بوفرة نسبية في هذه المياه الغنية بالمعادن. ^{[ 3 ] [ 9 ] [ 15 ]} من شبه المؤكد أن الكيروجين ، أو البيتومين ، الموجود مرتبطًا برواسب الذهب يمثل ما تبقى من هذه الكائنات الدقيقة التي كانت تقوم بعملية التمثيل الضوئي في العصر الأركي . ^{[ 9 ]}

من الواضح أن  السهل الفيضي تعرض للغمر المتكرر على مدى المئتي مليون سنة التالية، وتعرض أحيانًا للتآكل، ثم ترسبت الرواسب من جديد. نتج عن ذلك  طبقة صخرية بسمك 2500 متر تُعرف باسم "مجموعة سنترال راند"، والتي تُشكل مع "مجموعة ويست راند" "مجموعة ويتواترسراند الفائقة". وتحتوي مجموعة سنترال راند الأحدث على معظم التكتلات الحاملة للذهب، والتي تُعرف محليًا باسم " بانكيت "، والتي تُعد اليوم ذات أهمية اقتصادية بالغة.

انتهى تكوين مجموعة رواسب "سنترال راند" فجأةً بفعل تدفقات هائلة من الحمم البركانية، والتي شكلت حمم فينتيرسدورب البركانية التي ثارت  قبل 2.715 مليار سنة. ^{[ 9 ]} ولا يزال سبب هذه التدفقات البركانية موضع تكهنات. وقد يكون مرتبطًا باصطدام درع كابفال بدرع زيمبابوي ، ليتحدا في النهاية ويشكلا وحدة قارية واحدة.

كان الحدث الأخير الذي أثر بشكل كبير على جيولوجيا حوض ويتواترسراند وظهوره في منطقة جوهانسبرغ، هو اصطدام نيزكي هائل على بُعد 110  كيلومترات جنوب غرب جوهانسبرغ  قبل 2.02 مليار سنة. ^{[ 3 ] [ 9 ]} وقع الاصطدام بالقرب من قرية فريديفورت الحالية، والتي سُميت البقايا الجيولوجية لهذا الحدث الهائل باسمها: قبة فريديفورت. لا تُعد بقايا هذا الاصطدام من بين أقدم البقايا على وجه الأرض فحسب، بل إنها أيضًا واحدة من أكبر اصطدامات النيازك التي تركت بصمتها على جيولوجيا الأرض الحالية. ^{[ 3 ] [ 9 ]}  أحدث نيزك قطره 10-15 كيلومترًا  فوهةً قطرها 300 كيلومتر، مُشوِّهًا جميع الطبقات الصخرية داخل تلك الدائرة. تقع جوهانسبرغ على الحافة الخارجية لهذه الفوهة النيزكية. في المنطقة المجاورة مباشرة لموقع الاصطدام، ارتفعت جميع الطبقات الجوفية وانقلبت، مما أدى إلى ظهور صخور ويتواترسراند على شكل قوس  يبعد 25 كيلومترًا عن مركز الاصطدام. ولا توجد رواسب ذهب في هذه النتوءات الصخرية. مع ذلك، أدى اصطدام النيزك إلى انخفاض حوض ويتواترسراند داخل الفوهة، مما حمى الحوض من التعرية لاحقًا، وربما الأهم من ذلك، أنه جعله يظهر على السطح بالقرب من حافة الفوهة، قرب جوهانسبرج. ^{[ 9 ]} في الواقع، باستثناء نتوءات ويتواترسراند (أي حيث تظهر هذه الصخور على السطح) في المنطقة المجاورة مباشرة لقبة فريديفورت، تقع جميع النتوءات الصخرية الأخرى تقريبًا على شكل قوس يبعد حوالي 80-120  كيلومترًا عن مركز فوهة الاصطدام، باتجاه الغرب والشمال الغربي والشمال والشمال الشرقي. ^{[ 10 ]} وبالتالي، فمن المحتمل أنه لولا اصطدام كويكب فريديفورت  قبل ملياري عام، لما اكتشفت البشرية رواسب الذهب الغنية تحت سطح جنوب إفريقيا، أو لكانت قد تآكلت خلال الإزالة المستمرة لطبقة من الرواسب بسمك عدة كيلومترات من سطح هضبة جنوب إفريقيا في الماضي الجيولوجي القريب نسبيًا: أي خلال الـ 150 مليون سنة الماضية  ، وخاصة خلال الـ 20  مليون سنة الماضية. ^{[ 9 ]}

تُحتجز الغالبية العظمى من الذهب والمعادن الثقيلة الأخرى في باطن الأرض . وتشير الأدلة المستقاة من دراسات نظائر التنجستن إلى أن معظم الذهب الموجود في القشرة الأرضية مُستمد من الذهب الموجود في الوشاح ، والذي نتج عن قصف نيزكي قبل حوالي 3.9 مليار سنة (أي في نفس الوقت تقريبًا الذي تشكلت فيه كتلة كابفال القارية ). وقد حدثت هذه الأحداث النيزكية الحاملة للذهب بعد ملايين السنين من انفصال لب الأرض. ^{[ 16 ]} ترسب الذهب في منطقة حوض ويتواترسراند في دلتا أنهار حقبة الأركي ، بعد أن جُرف من أحزمة الصخور الخضراء الغنية بالذهب المحيطة بها شمالًا وغربًا. وتشير دراسات نظائر الرينيوم والأوزميوم إلى أن الذهب في تلك الرواسب المعدنية جاء من تداخلات غير عادية مشتقة من الوشاح عمرها 3 مليارات سنة، تُعرف باسم الكوماتيت ، والموجودة في أحزمة الصخور الخضراء. ^{[ 17 ]}