אגן ויטווטרסרנד

אגן ויטווטרסרנד (באנגלית: Witwatersrand Basin) הוא מבנה גאולוגי שרובו מתחת לקרקע שנחשף על פני הקרקע במתלול ויטווטרסרנד בפרובינציית חאוטנג שבדרום אפריקה. באגן אצורות עתודות הזהב הידועות הגדולות ביותר בעולם, שמהן הופקו למעלה מ-1.5 מיליארד אונקיות (למעלה מ-40,000 טון) זהב, המייצגים כ-50% או כ-31% מכלל הזהב שנכרה בעולם משחר ההיסטוריה.

מאפיינים

האגן מתפרש על פני הפרובינציות לשעבר טרנסוואל ומדינת אורנג' החופשית, ובנוי משכבה בעובי של 5,000 עד 7,000 מטרים מעידן הארכאיקון, בעיקר סלעי משקע שהורבדו על פני תקופה של כ-260 מיליון שנים, החל מלפני כ-3 מיליארד שנים. מקבץ שכבות הסלע המכונה "חבורת-העל ויטווטרסרנד" ("Witwatersrand Supergroup") מכיל קוורציט, תצורת ברזל הפסים, אבני בוץ, טילים, קונגלומרטים ומעט משקעי לבה ימיים. מרבית האגן קבורה עמוק מתחת לסלעים צעירים יותר, אבל מחשופים נגלים בפרובינציות חאוטנג והמדינה החופשית, כמו גם בפרובינציות סביבן. המחשוף בחאוטנג יצר את רכס ויטווטרסרנד, שממנו נטלו האגן וסלעיו את שמם. בחלקו הדרומי של הרכס נתגלה זהב לראשונה ב-1885, בחוות לנגלאחטה (Langlaagte), חמישה קילומטרים מערבית ליוהנסבורג. כיוון שזהב זה היה משובץ בקונגלומרט הניחו תחילה שמקור הזהב בסחף על קרקעית נחל עתיק, שהוסט עקב תנועות האדמה. אבל לאחר חפירה שבה התברר ששכבת הקונגלומרטים לא התפתחה לרוחב צר של נהר בלבד, אלא היא נמשכת לעומק, הגיעה ההבנה שאזור קונגלומרטי זה הוא חלק משכבות של סלעי משקע רציפים. הקונגלומרט נמשך מזרחה ומערבה לאורך כולל של 50 קילומטרים, אזור שכונה מאז "שדה הזהב סנטרל רנד" ("Central Rand Gold Field").
מאז נקבע שהסלעים הבונים את רכס ויטווטרסרנד נוטים כלפי מטה ודרומה. סלעים אלו הם חלק מ"אגן ויטווטרסרנד", התת-קרקעי ברובו, והמכסה שטח סגלגל. הציר העיקרי של האגן הוא באורך 300 קילומטרים, מאוונדר (Evander) בצפון מזרח ועד תוניסן (Theunissen) בצפון מערב. הציר המאונך לו אורכו 150 קילומטרים, מסטיינסרוס (Steynsrus) בדרום-מזרח, לקוליני (Coligny) בצפון מערב, בתוספת אגן משני בקינרוס (Kinross). זהב מופיע רק לאורך השוליים המערביים והצפוניים של אגן זה, אבל לא ברצועה רציפה. הסלעים המכילים זהב מוגבלים לשישה אתרים שבהם הנהרות מעידן הארכאיקון מהצפון ומהמערב יצרו דלתה בצורת מניפה, עם ערוצים רבים מתפתלים, לפני שהמים זרמו לתוך "ים ויטווטרסרנד" בדרום, שם משקעים מוקדמים יותר יצרו את הסלעים העתיקים יותר של חבורת-העל ויטווטרסרנד. כמה מדלתאות המניפה מכילות הזהב הן כיום בעומקים של 4 קילומטרים מתחת לפני השטח. אף שרבים מהמכרות הישנים סביב יוהנסבורג ניצלו את פוטנציאל הזהב עד תום, מפיק עדיין אגן ויטווטרסרנד את מרבית הזהב של דרום אפריקה. כמות שהיא גם מרבית התפוקה העולמית של מתכת זו. בתהליך זיקוק הזהב מהעפרה מופקים גם כסף, אורניום ואירידיום.

מקור גאולוגי

אגן ויטווטרסרנד נוצר במהלך עידן הארכאיקון, והוא לפיכך בין המבנים הגאולוגיים העתיקים ביותר על פני כדור הארץ. הוא נוצר בשני שלבים, במהלך כ-260 מיליון שנים, החל מלפני קצת פחות מ-3 מיליארד שנים. במהלך השלב הראשון, שנמשך כ-60 מיליון שנים, הייתה השקעה של סלעי משקע בים רדוד, המכונה "ים ויטווטרסרנד". תוצאת ההשקעה הייתה שכבה של משקעים שעובייה בין 2,500 ל-4,5000 מטרים המכונה "חבורת וסט רנד" (“West Rand Group”). במהלך השלב השני, שנמשך כ-200 מיליון שנים, הייתה השקעה של סלעים ביבשה. לאחר שים ויטווטרסרנד נסוג נוצר במקומו מישור חוף שטוח כמעט שבו יצרו נהרות שזרמו מצפון דלתאות רחבות של נהרות פְּזָרוֹת, שבחלקם הושקעו מרבצים עשירים של עפרות זהב. שכבת סלעי המשקע בעובי 2,500 מטרים מכונה "חבורת סנטרל רנד" (“Central Rand Group”). שכבות הסלעים של "חבורת וסט רנד" ו"חבורת סנטרל רנד" יצרו ביחד את "חבורת-העל ויטווטרסרנד" (“Witwatersrand Supergroup”), הקרויה בכל היקפה "אגן ויטווטרסרנד".
לא היו יבשות במהלך השלבים הראשונים של הארכאיקון, אבל נוצרו קשתות איים. התמזגות של כמה קשתות איים הובילו להיווצרות קראטון קאפוואל, אחד מהמיקרו יבשות הראשונות שנוצרו בכדור הארץ לפני כ-3.9 מיליארד שנים. גודלו ומיקומו יחסית לדרום אפריקה כיום מסומנים בדיאגרמה משמאל. לפני כ-3 מיליארד שנים החלה האסתנוספירה שמתחת לקרום להתקרר ועקב כך שקע החלק הדרום מזרחי של מיקרו יבשת זו מתחת לפני הים. קרקעית "ים ויטווטרסרנד" שזה עתה נוצר הייתה מורכבת מסלעי גרניט שעברו סחיפה. משקעים חוליים שהובלו באמצעות נהרות שנשפכו לים מצפון החלו להצטבר על הגרניט לפני כ-2.97 מיליארד שנים. שכבה חולית זו נדחסה ויצרה את קוורציט אורנג' גרוב (Orange Grove Quartzite), השכבה התחתונה ביותר בחבורת-העל ויטווטרסרנד. ניתן לצפות בשכבת קוורציט זו כשהיא מונחת על בסיס הגרניט ביוהנסבורג, כשהיא יוצרת רכס שכיוונו מזרח-מערב באורך 56 קילומטרים שכמה נהרות הזורמים מצפון יוצרים מפלי מים, שהיו המקור לשם ויטווטרסרנד, שבאפריקאנס פירושו "רכס מים לבנים".
האטמוספירה של כדור הארץ הייתה נטולת חמצן עד לפני כ-2 מיליארד שנים, אבל כבר אז יצרו כחוליות חמצן בתהליך פוטוסינתזה. החמצן שמיקרואורגניזמים אלו ייצרו הגיב מיד עם, בין השאר, תרכובות ברזל מומסות, תוך יצירת תרכובת תחמוצת הברזל (חלודה) שאיננה מסיסה, ששקעה לקרקעית במהלך שעות היום. בלילה פסקו תגובות כימיות אלו. התוצאה הייתה שכבות בוץ בגוונים מתחלפים של אפור ואדום שלאחר שהתגבשו הפכו לתצורת ברזל הפסים.
ככל שהים התעמק הצטברו משקעים דקי גרגיר בוציים, אבל שינויים בתנאים הגאוגרפיים גרמו להצטברות מגוון נרחב של סוגי משקעים, החל מבוץ, דרך חול, חצץ וסלעי תצורת ברזל הפסים. משקעי טיל, המתוארכים לפני 2.95 מיליארד שנים מציינים את האפיזודות הראשונות של הופעת קרחונים על פני כדור הארץ. בתוך 60 מיליון שנים הצטברה שכבת משקעים בעובי שעד 4,500 מטרים על בסיס הגרניט, תוך יצירת "חבורת וסט רנד" שתרמה מעל ל-60% מעובייה הכולל של חבורת-העל ויטווטרסרנד.
ההתרוממות של צפון קראטון קאפוואל, בנוסף לתהליך האורוגנזה (בניית הרים), לקראת סוף השקעת המשקעים של "חבורת וסט רנד" גרמה לנסיגת ים ויטווטרסרנד. האזור של הקראטון שעל חלקו העליון שוכנת כיום יוהנסבורג, הפך למישור רחב שבו זרמו נהרות רבים, שהשתרע לאורך כל החוף הצפוני והמערבי של הים שהתכווץ, בקשת שהשתרעה מאוונדר (Evander) במזרח, דרך יוהנסבורג, קרלטונוויל (Carletonville) ואז דרומה לקלרקסדורפ (Klerksdorp) וולקום (Welkom) בדרום מערב. הנהרות יצרו דלתאות רחבות של נהרות פְּזָרוֹת (braided deltas), שבהם היו ערוצים משתלבים רבים שבהם זרמו המים לאיטם ושבהם שקעו כל החומרים הכבדים שהגיעו יחד עם זרם המים מההרים: חלוקי נחל גדולים, ומינרלים כבדים, כדוגמת זהב, פיריט ואורניניט. הזהב היה במצב של יסוד חופשי (כלומר לא כחלק מתרכובת). אצות כחוליות שגשגו במים עשירים במינרלים אלו. הקרוגן או הביטומן, אותם מוצאים בצמוד למשקעי הזהב מייצגים קרוב לוודאי את השרידים של אותם מיקרו-אורגניזמים מבצעי הפוטוסינתזה מעידן הארכאיקון.
ידוע שבמהלך 200 השנים הבאות הוצף מישור ההצפה שוב ושוב, לעיתים הוא עבר סחיפה, לעיתים הצטברו עליו משקעים מחדש. התוצאה הייתה שכבה בעובי 2,500 מטרים המכונה "חבורת סנטרל רנד". חבורת סנטרל רנד הצעירה יותר היא שמכילה את מרבית הקונגלומרטים המכילים זהב שכיום הם בעלי חשיבות כלכלית רבה.
יצירת "חבורת סנטרל רנד" הופסקה בחטף על ידי קילוחי לבה מסיביים שיצרו את לבות ונטרסדורפ (Ventersdorp lavas) מהתפרצויות שהתחוללו לפני 2,715 מיליון שנים. על מקור קילוחי הלבה יש כמה השערות. ייתכן שמקורם בהתנגשות בין קראטון קאפוול לבין קראטון זימבבווה, שבסופו של דבר התחברו על מנת ליצור יחידה יבשתית אחת.
המאורע האחרון שהיה לו השפעה עיקרית על הגאולוגיה של אגן ויווטרסרנד והחשיפה שלו באזור יוהנסבורג, היה פגיעה רבת עוצמה של מטאוריט או אסטרואיד כ-110 קילומטרים מדרום מערב ליוהנסבורג לפני כ-2,020 מיליון שנים. מרכז הפגיעה היה קרוב לכפר פרדפורט (Vredefort) של ימינו, והוא נתן את שמו לשריד הגאולוגי של המאורע הכביר: מכתש פרדפורט. לא רק שהשרידים מפגיעה זו הם העתיקים ביותר על פני כדור הארץ, אלא שהוא גם מכתש הפגיעה הגדול ביותר שהותיר את רישומו בגאולוגיה של כדור הארץ כיום. מטאוריט או אסטרואיד שקוטרו בין 10 ל-15 קילומטרים יצר מכתש בקוטר של 300 קילומטרים, תוך עיוות של כל שכבות הסלע בתוך מעגל זה. יוהנסבורג שוכנת בקרבת השוליים החיצוניים של מכתש פגיעה זה. בקרבה המיידית לפגיעה התרוממו והתהפכו כל שכבות הסלע התת-קרקעיות, וכך נחשפו הסלעים של ויטווטרסרנד בקשת במרחק 25 קילומטרים ממרכז הפגיעה. לרוע המזל אין מרבצי זהב במחשופים אלו. עם זאת, פגיעת המטאוריט הנמיכה את אגן ויטווטרסרנד בתוך המכתש. תהליך זה הגן עליו מסחיפה מאוחר יותר, אבל חשוב יותר, ייתכן שהרימה אותו קרוב לפני השטח קרוב לשפת המכתש בקרבת יוהנסבורג. למעשה, מלבד מחשופי ויטווטרסרנד (המקומות שבהם נחשפו הסלעים בפני השטח) בקרבה למכתש פרדפורט, כל יתר המחשופים מופיעים בקשת במרחק של 120-80 קילומטרים ממרכז מכתש הפגיעה, ממערב לו, מצפון-מערב, מצפון ומצפון-מזרח. כך שסביר להניח שאלמלא פגיעת המטאוריט בפרדפורט לפני למעלה מ-2 מיליארד שנים, לא היינו מגלים מעולם את מרבצי הזהב העשירים מתחת לאדמת דרום אפריקה, או שהם היו נסחפים במהלך תהליך יצירת הרמה של דרום אפריקה בעבר הגאולוגי הקרוב: מלפני 150 מיליון שנים, ויותר מכך במהלך 20 מיליון השנים האחרונות.

מקור הזהב

מרבית הזהב והמתכות הכבדות האחרות מרוכזים בגלעין כדור הארץ. עדויות המבוססות על מחקרים באיזוטופים של טונגסטן הוכיחו שמרבית הזהב המצוי בקרום כדור הארץ מקורו במעטפת כדור הארץ לשם הגיע לפני כ-3.9 מיליארד שנים (בערך בזמן בו נוצר קראטון קאפוואל) כתוצאה מהפגזת כדור הארץ במטאוריטים. הפגזה זו של המטאוריטים מכילי הזהב התרחשה מיליוני שנים לאחר שנוצר הגלעין כשהברזל ואיתו המתכות הכבדות האחרות שקעו למרכז הכדור. הזהב באזור אגן ויטווטרסרנד הושקע בדלתאות של נהרות הארכאיקון לאחר שנשטף מהחגורות הירוקות העשירות בזהב מצפון וממערב. מחקרים על איזוטופ רניום-אוסמיום מלמדים שהזהב במרבצי מינרלים אלו הגיעו ממחדרים בני 3 מיליארד שנים יוצאי דופן שמקורם במעטפת המכונים קומטיט המופיעים בחגורות ירוקות.