Золоторудные поля бассейна Витватерсранд в Южной Африке

Сохранившаяся часть бассейна Витватерсранд в Трансваале и Оранжевой провинции ЮАР образует дугу, вогнутую к юго-востоку. Длина внешнего края дуги около 480 км, ширина дуги 180 км. Вдоль внешнего края выявлено шесть золоторудных полей и не исключена вероятность того, что еще ряд полей может быть скрыт под покровом более молодых протерозойских и фанерозойских пород, так как бассейн продолжается на восток и на юг и нет никаких признаков, указывающих на ограничение площади осадконакопления. Положение шести золоторудных полей, дугообразный характер бассейна и изопахиты для верхней части стратиграфического разреза показаны на рис. 2.

Формой этот бассейн несколько похож на бассейн Гурон, но в зеркальном отображении, так как бассейн Витватерсранд дугообразно вогнут к юго-востоку, а Гурон — к северо-западу. Ось дуги проходит вдоль регионального поднятия, протянувшегося в северо-западном направлении через купол Вредефорт. Восточнее этого поднятия находится сегмент Эватон, в котором расположены золоторудные поля Карлтонвнлл, Уэст-Ранд, Ист-Ранд и Эвандер. Приблизительная длина этого сегмента бассейна 220 км. К югу от поднятия расположен сегмент Вильюнскрон длиной более 180 км, к нему приурочены золоторудные поля Клерксдорп и Белком. Речные конусы выноса, слагающие золоторудные поля, разделены следующими расстояниями, измеренными вдоль дуги бассейна: Белком — Клерксдорп — 150 км; Клерксдорп — Карлтонвилл — 120 км; Карлтонвнлл — Уэст-Ранд — 50 км; Уэст-Ранд — Ист-Ранд — 70 км; Ист-Ранд — Эвандер — 100 км. Наличие шести отдельных промышленных площадей в бассейне Витватерсранд резко отличает его от бассейнов Тарква, Жакобина и Гурон, в каждом из которых имеется только по одному рудному полю.

Изопахиты осадков показывают, что с течением времени в целом происходило сокращение бассейна, так как нулевая изопахита для верхней половины стратиграфического разреза смещена примерно на 60 км в сторону седиментационной оси прогиба относительно нулевой изопахиты для нижней половины. Это уменьшение заметно только на северо-западном крыле бассейна, так как на его юго-восточном краю различие в положении соответствующих изопахит оказывается небольшим. Площадь бассейна сократилась за этот период примерно на 20%. Более глубокая часть бассейна располагается в пределах сегмента Вильюнскрон, и базальная группа Доминион имеется только в этом сегменте, так же как в бассейне Гурон распространение формации Матиненда и подстилающих ее вулканитов ограничено только сегментом Блайнд-Ривер. Изопахиты указывают на асимметричную форму бассейна: расстояние между седиментационной осью прогиба и нулевой изопахитой на северо-западной стороне бассейна гораздо короче, чем на юго-восточной.

Морфология бассейна Витватерсранд отражает структуру, возникшую в результате наложения интерферирующей складчатости, как и в случае района Эллиот-Лейк в бассейне Гурон. Поздние складки ориентированы на северо-запад, и оси их сравнительно прямолинейны. Более древние складки, параллельные оси бассейна осадконакопления, имеют более изменчивые простирания из-за искривления этих структур около складок северо-западного направления. Бассейн в целом является синклинорием. Складки первого порядка имеют длины волн 400—500 км, так что первоначальными ограничениями бассейна могли быть два региональных поднятия, параллельные положительной флексуре, проходящей через купол Вредефорт, и расположенные на расстояниях 400—500 км от этой флексуры, одно — к северо-востоку, другое — к юго-западу. Складки второго порядка имеют периодичность 40—50 км, и расстояния между золоторудными полями могут определяться этой длиной волны. Складки третьего порядка располагаются с интервалами в 4—5 км. Структурные купола возникали там, где продольные антиклинали пересекали поперечные, а структурные депрессии — на пересечениях синклиналей. Эти положительные и отрицательные структуры эпизодически проявляли себя в процессе осадконакопления, и их распределение играло значительную роль в локализации золоторудных полей и в регулировании фациального состава отложений в пределах последних, что в свою очередь влияло на развитие минерализованных конгломератов и других пород.

Литература по геологии и минерализации бассейна Витватерсранд значительна по объему, и настоящее сообщение составлено на основе многих обстоятельных описаний, посвященных различным вопросам. Особенно информативными источниками были работы Фетера и Коэна, Минтера, Преториуса, Туиди, Смита и Минтера и Минтера.

Ниже приводится сводная стратиграфическая колонка надгруппы Витватерсранд с указанием максимальных мощностей:

Группа Клипривирсберг — базальты, андезиты, конгломераты, кварциты; мощность 2500 м.

Группа Сентрал-Ранд — конгломераты, субграувакки, полевошпатовые кварциты, алевролиты, аргиллиты, вулканиты; мощность 3500 м.

Группа Йеппе — конгломераты, полевошпатовые кварциты, алевролиты, аргиллиты, ожелезненные аргиллиты, известковистые аргиллиты, вулканиты; мощность 1500 м.

Группа Уэст-Ранд — конгломераты, субграувакки, субаркозы, ортокварциты, алевролиты, аргиллиты, ожелезненные аргиллиты, железистые кварциты; мощность 5500 м.

Группа Доминион — андезиты, кварцевые порфиры, риолиты, туфы, конгломераты, полевошпатовые кварциты, глинистые кварциты; мощность 1500 м.

В общем более энергоемкие осадки преобладают в узком крыле бассейна, для которого также была характерна тенденция к регрессии (рис. 1). В разрезе этого крыла отношение песок/глина больше и относительное количество конгломератов выше. Минерализованные рудиты встречаются по всему разрезу, от подошвы до кровли,— особенность, совершенно не свойственная другим нижнепротерозойским бассейнам мира, в которых имеется только единственная зона золотоносных и ураноносных конгломератов в пределах всего разреза. Группа Доминион содержит одну эксплуатировавшуюся зону конгломератов, группа Уэст-Ранд — одну, группа Йеппе — одну, группа Сентрал-Ранд — семь и группа Клипривирсберг — одну. В пределах некоторых зон разрабатывалось до пяти отдельных горизонтов. Кроме того, на отдельных участках, где более молодые отложения надгруппы Трансвааль трансгрессивно перекрывают оруденелую толщу, принадлежащую этой же надгруппе, их базальные конгломераты содержат золотоносный материал, перемытый из подстилающих пород. На золоторудном поле Велком в разных местах разрабатывались четыре отдельных горизонта конгломератов, на золоторудном поле Клерксдорп — семь, на золоторудном поле Карлтон-вилл — три, на золоторудном поле Уэст-Ранд — десять, на золоторудном поле Ист-Ранд — девять и на золоторудном поле Эвандер — один.

Для группы Сентрал-Ранд характерна значительно большая доля хорошо минерализованных рудитов по сравнению с другими группами. Циклы осадконакопления, разделенные несогласиями, варьируют по мощности от 30 до 600 м при средней мощности 250 м и сложены в основном песчаниками с серицитом или без него и небольшими количествами конгломератов. Глинистый материал венчает образования некоторых циклов, обнаруживая утончение обломков снизу вверх. В основании циклов имеются поверхности размыва, на которых накапливались остаточная галька или гравийные валы. Эти образования перекрываются кварцитами с мульдовой косой слоистостью, которые переходят вверху в субграувакки и алевролиты. Стратиграфическая позиция рудоносных пачек конгломератов в бассейне Витватерсранд уникальна, так как в бассейнах Гурон, Жакобина, Тарква и других менее значительных нижнепротерозойских бассейнах ограниченное по масштабам развитие минерализованных пластов отмечается относительно близко к основанию разреза и не выше его середины.

Разрез Витватерсранда послужил частичной основой для составления стратиграфической модели, показанной на рис. 1; различные группы можно легко сопоставить с базальной пачкой вулканитов и грубообломочных пород (группа Доминион), с нижней пачкой грубо- и мелкообломочных пород (группа Уэст-Ранд), со срединной пачкой мелкообломочных и необломочных пород (группа Йеппе), с верхней пачкой грубообломочных и мелкообломочных пород (группа Сентрал-Ранд) и завершающей пачкой вулканитов и грубообломочных пород (группа Клипривирсберг). В отличие от ранее описанных протерозойских бассейнов минерализация надгруппы Витватерсранд сосредоточена выше срединной пачки. Витватерсрандским эквивалентом конгломератов Матиненда надгруппы Гурон должна быть группа Доминион, а не интенсивнее эксплуатирующиеся горизонты группы Сентрал-Ранд.

Рудоносные конгломераты примерно на 80% (по весу) состоят из гальки, которая преимущественно представлена устойчивыми типами пород, такими, как жильный кварц и кремень. Полимиктовые конгломераты помимо кварца и кремня содержат обломки кварцитов, аргиллитов, лав, глинистых и кристаллических сланцев. Матрица конгломератов состоит главным образом из кварца, серицита и хлорита, а также из большого количества тяжелых минералов, причем кварц перекристаллизован в результате слабого метаморфизма зеленосланцевой фации. Конгломераты обычно чище, чем включающие их кварциты, вследствие перемыва и удаления листовых силикатов. В матрице конгломератов обнаружено более 70 рудных минералов, из которых по крайней мере 40 отчетливо обломочного происхождения. К наиболее распространенным из этих минералов относятся пирит, пирротин, халькопирит, галенит, сфалерит, арсенопирит, молибденит, кобальтин, рутил, лейкоксен, ильменит, циркон, хромит, осмирид, уранинит, тухолит, браннерит и золото. Пирит слагает до 15% матрицы и встречается в трех формах, одна из которых отчетливо обломочная, другая, очевидно, отлагалась in situ из сульфидных илов в межрусловых участках, а третья — продукт метаморфической перекристаллизации. Частицы золота колеблются по размеру от 5 до 100 мкм, а уранинита — от 15 до 250 мкм.

Тела конгломератов по форме бывают двух типов. Наиболее распространены маломощные залежи остаточного гравия, которые приурочены к ложу древних промоин и окружены песками с мульдовой косой слоистостью, причем и те и другие были отложены в ветвящихся многорусловых речных системах в сравнительно высокоэнергетических условиях. Такие россыпные рудные тела соответствуют регрессивным проксимальным фациям. Тела другого типа встречаются намного реже, но имеют большое промышленное значение. Оруденение в них можно классифицировать как связанное с трансгрессивными россыпями, образованными на обширных и практически плоских поверхностях несогласия. Дистальные осадки у основания речных конусов выноса были в процессе трансгрессии переотложены выше по палеосклону наступавшими на берег водами бассейна осадконакопления и перемывались, отсортировывались в ходе этого процесса.

Самые высокие концентрации золота и уранинита встречаются в галечных валах, неоднократно подвергавшихся переотложению и промыванию. Золото может преимущественно находиться в матрице у самой кровли отдельного гравийного слоя в пределах гряды гравия или на поверхностях размыва также внутри гравийной гряды, причем концентрирование тяжелых минералов происходило в интервалах между последовательными импульсами накопления гравия. На поверхностях размыва в остаточных гравийных скоплениях, маркирующих дно русел, обычно развита более бедная минерализация. С мульдовой косой слоистостью, образованной миграцией дюн по руслам и через валы, ассоциируется лучшая минерализация, чем с плоскопараллельной косой слоистостью, причем последняя указывает на разветвление потока (дивергенцию) и быстрое накопление песка. В самом детальном масштабе у золота, уранинита и других тяжелых минералов выражена тенденция больше всего накапливаться вдоль передовых слоев косослоистых пачек, где эти минералы могут находиться либо у верхнего окончания передового слоя как лавинное скопление, либо у нижней части передового слоя как результат турбулентного встречного течения, либо на размытом ложе передового слоя. Во всех случаях скопления связаны с формами речного ложа, параллельными направлению палеопотока.

Конгломераты группы Доминион, ограниченные только сегментом Вильюнскрон, отлагались на палеосклоне, наклоненном к юго-западу, причем эрозионный обломочный материал поступал с регионального поднятия, проходящего через купол Вредефорт. Мелководные разветвленные потоки несли гравий и пески, а дренаж регулировался морфологией архейской эрозионной поверхности аналогично тому, как это происходило на урановорудном поле Эллиот-Лейк (формации Матиненда, хотя рельеф здесь не был столь хорошо выражен, как в сегменте Блайнд-Ривер, и слабее сказывалось влияние различий в свойствах пород фундамента. В период отложения осадков группы Уэст-Ранд для бассейна была характерна тенденция расширения. Последующая эрозия материала, отложенного вдоль краев, уничтожила значительную часть проксимальных фаций, в результате чего большинство сохранившихся толщ представляют дистальные низкоэнергетические условия. Преобладают морские шельфовые отложения, обнаруживающие признаки влияния приливов, и в сравнительно небольшом количестве присутствует речной обломочный материал, который формировал сопрягающиеся дельтовые конусы, наступавшие на приливную зону. Неоднократные смены трансгрессий и регрессий приводили к появлению во многих циклах осадконакопления речных, пляжных, ближних и дальних шельфовых отложений. С конца времени йеппе бассейн начал уменьшаться в размерах и стали преобладать регрессивные условия, но все же со сменой в меньшем масштабе трансгрессий и регрессий и возникновением типичных циклов, характеризующихся уменьшением размера обломков вверх по разрезу. При образовании группы Сентрал-Ранд наступание берегов происходило центростремительно со всех сторон замкнутого бассейна. Конгломераты, субаркозы, полевошпатовые кварциты, ортокварциты и аргиллиты отлагались в речных или дельтовых конусах выноса, местоположение которых определялось структурой, возникшей в результате наложения разноориентированных складчатостей, причем конусы располагались между куполами и возникали в структурных депрессиях. Слияние конусов выноса приводило к появлению якобы монолитных широких и однородных гравийных залежей, которые на самом деле являются комплексами наложенных, пальцеобразно взаимопроникающих дискретных тел конгломератов и песков различного состава, поступавших нередко из разных источников. Многие из циклов осадконакопления представляют собой реакцию на неоднократные восстанавливающие тектоническое равновесие подвижки, в пределах самого бассейна или в смежных с ним участках.

Все значительные россыпные скопления золота и урана образовались в мелководных разветвленных речных системах. Переработка скоплений гравия и песка в условиях регрессии или трансгрессии способствовала возникновению хорошо минерализованных конгломератов. Речные русла были слабо извилистыми, и глубина их обычно не превышала 2 м. Сначала образовались гряды рыхлого гравия, в который затем вместе с песчаным материалом были привнесены тяжелые минералы, главная же масса песчаного материала мигрировала в виде дюн через гряды гравия. В периоды перерывов в осадко-накоплении в конце импульсов и циклов притока обломочного вещества промывание песчано-гравийных масс способствовало уносу мелкозернистого и легкого материала, а на месте задерживался остаточный гравий с тяжелыми минералами, главным образом пиритом, золотом и уранинитом.

Промышленные концентрации этих минералов не ограничиваются конгломератами. Повсюду, где имело место промывание песков, тяжелые минералы могли задерживаться как остаточные скопления на эрозионных поверхностях, становившихся затем, как правило, поверхностями несогласия. Тонкие прослои золота и других тяжелых минералов действительно встречаются на плоскостях, соответствующих перерывам в осадконакоплении, и не обязательно связаны с галькой. Полосчатые пиритсодержащие кварциты и ортокварциты (последние — с единичными прослойками золота и уранинита) эксплуатировались и вносили значительный вклад в общую добычу. Рыхлый гравий действовал как своего рода ловушка для тяжелых минералов, содержавшихся в приносимой песчаной фракции, а промывание играло роль еще одного механизма концентрирования золота и урана на участках, где гравий не отлагался или полностью был смыт при последующей переработке гравийно-песчаной массы. Кроме того, действовал третий фактор, способствовавший накоплению золота и уранинита. В низкоэнергетических условиях в дистальных частях конусов выноса росли водорослевые маты, и тонкозернистые золото и уранинит, прошедшие через гравийные ловушки, захватывались матами, в которых создавались значительные концентрации; такого рода рудные скопления получили название углистых проводников (carbon leaders). Биохимическая переработка приводила к еще большему увеличению количества этих минералов, задержанных водорослями. Водоросли развивались и выше по палеосклону в пересохших руслах рек, в периоды, когда прекращалось течение и поступление песка; дно таких русел тоже может нести золото и уранинит в массе органического вещества.

Отдельные золоторудные поля представляют собой речные конусы выноса, в течение длительных периодов времени наслаивавшиеся один на другой вниз по склону от точки входа главной речной системы в бассейн осадконакопления, который, по крайней мере во время накопления пород группы Сентрал-Ранд, имел форму замкнутого внутрикратонного бассейна. До сих пор обнаружено всего шесть речных систем (рис. 2). Типовая модель конуса выноса изображена на рис. 3. Речная система была зажата между структурными куполами, и конус выноса образовался непосредственно ниже точки, где река переливалась через перемычку между куполами. В некоторых местах, например на золоторудном поле Ист-Ранд, конус проникал далеко внутрь бассейна до тех пор, пока не упирался в другой ряд куполов. Большой конус, подобный показанному на рисунке, мог иметь размеры 40—60 км в радиальном направлении вниз по палеосклону от точки входа до конца основания конуса. В конусе выноса можно различить три фации: 1) фация вершины конуса, характеризующаяся наибольшими размерами обломков и наименьшими концентрациями золота и урана; 2) фация середины конуса, представленная зрелыми средне-мелкогалечными конгломератами с относительно высокими концентрациями тяжелых минералов, и 3) фация основания конуса с мелкозернистым осадком и подчиненным количеством конгломератов, содержащих меньшие количества золота и урана. Размер зерен тяжелых минералов определял оптимальное место в конусе выноса, где они накапливались в результате гравитационного осаждения. В вершине конуса выноса условия были слишком турбулентны и высокоэнергетичны для осаждения мелких частиц. Гидродинамический режим в средней части конуса обеспечивал наиболее благоприятные условия для задержки песка, содержавшего тяжелые минералы, и его последующего промывания. Только самые мелкие частицы, составляющие небольшую долю в распределении тяжелых минералов по размеру зерен, переносились в сегмент основания конуса. Здесь эффективным средством задержки таких частиц были водорослевые маты, так что хотя конгломераты в фации основания конуса выноса и являются менее продуктивными, чем в фации середины конуса, количества золота и урана, добытые из периферических частей конусов, все же достаточно велики. Из-за разницы в удельном весе и в величине гидравлического эквивалента частицы уранинита переносились дальше по конусу, чем частицы золота, вследствие чего вниз по палеосклону наблюдается постепенное увеличение отношения уран/золото. Это отношение могло быть около 5 в фациях нижней части вершины и середины конуса, где галька и обломки пирита крупнее, и возрастать до 25 в дистальной фации основания конуса, где размер обломков рудовмещающих осадков гораздо меньше, доля конгломератов снижена и возможно присутствие органического вещества.

Богатые «струи» имеют форму разветвленных каналов, число которых уменьшается вниз по палеосклону. Эти каналы имеют тенденцию расширяться в пределах двух граничных сегментов конуса, тогда как центральный сегмент в некоторых случаях имеет мало каналов и, следовательно, меньшее количество оруденелых конгломератов. Фации средней части конуса могли стать вместилищем исключительно высоких концентраций золота и урана в периоды трансгрессий, когда полностью прекращалось поступление материала из области питания. Деятельность волн в период трансгрессии была оптимальной в верхней части основания и в середине конуса; происходило промывание, приводившее к сносу русловых песков и гравия и к трансгрессивному отложению конгломератов дистального типа. Низы базального сегмента конуса выноса обычно оставались ниже основания волн, что благоприятствовало сохранению водорослевых матов.

Помимо влияния на расположение конусов выноса в пределах бассейна осадконакопления, структурные купола также способствовали переработке материала на конусах и связанной с этим концентрации тяжелых минералов в остаточных гравийных скоплениях. Купола расположены вдоль антиклиналей второго порядка как продольных, так и поперечных, и тектоническое воздымание в каждом пересечении антиклиналь — антиклиналь содействовало увеличению размеров купола. Купола неоднократно испытывали восходящие движения диапирового характера, и осадки, обрамляющие купол, каждых раз приспосабливались к новому положению, так что со временем постепенно увеличивалась крутизна палеосклона, направленного от купола в сторону бассейна, что приводило к отложению осадков верхних частей разреза в более высокоэнергетических условиях. При повторных воздыманиях по периферии куполов происходило развитие дуговых разломов, и палеосклон приобретал ступенчатый профиль. Возросшая крутизна палеосклона вместе с перепадами высоты над дуговыми разломами вела к переработке прежних осадков в более поздние залежи, особенно вдоль граничных третей конусов, как показано на рис. 4. Тесная связь тектоники с осадконакоплением и переработкой россыпей, обусловливавшая образование промышленных концентраций золота и урана, является ключевым фактором в формировании золоторудного поля Витватерсранд.

Представляется, что источником тяжелых минералов были архейские породы, которые окружают бассейн Витватерсранд и подстилают его осадочные и вулканогенные толщи. Золото, вероятно, извлекалось из эродированных зеленокаменных пород, которые вмещают промышленную золотую минерализацию в нескольких рудных поясах в Трансваале, а также в поясе Абитиби, расположенном севернее бассейна Гурон. Первоначальным источником урана были граниты архейского комплекса, в особенности молодые калиевые граниты. Все главные золоторудные поля расположены на северо-западном крыле бассейна, и палеопотоки показывают, что область питания лежала в этом направлении. На северо-западном фланге бассейна сохранились только небольшие реликты зеленокаменных толщ, и это заставляет предполагать, что тектоническое воздымание было значительным и привело к преобладанию гранитоидных пород. На юго-восточном фланге бассейна, где имеется лишь незначительное оруденение, зеленокаменных пород сохранилось заметно больше, что указывает на меньшее тектоническое воздымание, меньшую эрозию потенциально материнских пород и меньшую вероятность переноса значительных количеств золота и урана в бассейн осадконакопления.