南非Witwatersrand 太古金礦－桃園親子教育博物館二

南非Witwatersrand 太古金礦

　　南非Witwatersrand 太古金礦又稱「南非古礫岩型金鈾礦床，是世界上最大的金礦床，位於約翰內斯堡南部的維特沃特斯蘭德，因此其全稱叫維特沃特斯蘭德古礫岩型金鈾礦，中國人習慣於稱其為蘭德古礫岩型金鈾礦或南非古礫岩型金鈾礦。該礦集區是1886年由喬治·沃克和喬治·哈里遜發現的。該金礦位於蘭德盆地，沿盆地北、西、南3面,含金礫岩面積約300X150公里，分布有7個金礦田，共l00多個金礦床。蘭德金礦自1886年開採以來的一百多年來,其黃金產量居世界各種類型金礦之首,共采出黃金三萬餘噸，估計儲量尚有二萬噸。最近50年來，它提供了世界金產量的60%以上。三十年代末開始，蘭德金礦中發現並開採了鈾礦，故又稱礫岩型金-鈾礦床。卡勒頓維累(Carlrtonville)金礦田的Western Deep Level 金礦現已開採到地下4800米。原文網址：https://kknews.cc/zh-tw/history/kzo5nrb.html 」

一．然為何Witwatersrand金礦多年成為地質學家研究的焦點?

1.此地面積僅約2,000k㎡總產金量超過40,000公噸，佔人類開採量的1/2。

2.這是地球上已發現的金礦中，年代最久遠的，約略在30億年前；若探討其來源可能要追朔至39億年前的隕石撞擊。

3.在已知的許多金礦形成理論並無法使用於此，因為常見的金礦多在有氧環境形成，Witwatersrand 太古金礦則是在無氧環境中建立，然此地特殊的金礦其產量竟佔地球的一半。

4.科學家投入大量儀器及心力研究之後，發現對於地球地質演進的研究助益甚大；藉由對Witwatersrand 太古金礦風貌的揭露，也解開了地球歷史上的若干謎題。

二.研究本項主題的困難度：

　　事件發生在地球有陸地之初，除了年代久遠，並且歷經複雜的板塊飄移擠壓,陸地升降,河流沖刷沉積,隕石撞擊等變動。若不是諸多國家之研究團隊的分項合作研究，恐無法如今天瞭解個概略。這是研究地質部分的難處，至於對於金礦本身礦物方面的研究，則又面臨另一項無法補救的問題，也就是早期採礦者將好的標本全部拿去煉金，留下的樣品並不很多也不夠全面；且為了保護商業機密當時販賣礦石標本被列為刑事案件；再加上採礦人都是國外想來此地的發財者，他們的目的是金子，對此土地沒有感情，所以主事者自己所留下樣品和紀錄也不多或不詳盡。等到今天富礦開採完畢，後世研究者就算可以尋找到若干樣品，但已經無法顯示最初金礦的樣貌。因此會讓後世想要新加入的研究人員，常有巧婦難為無米之炊的感受。

三.金礦形成之地質演進：(本節資料均取材自Wikipedia 維基百科

https://en.wikipedia.org/wiki/Witwatersrand_Basin

https://en.wikipedia.org/wiki/Witwatersrand )

1．40億年前地球呈液態，重元素基本上多陷入至地心(按地球與太陽的距離，地球所具有的重元素如金,鉑,銥,鈾...，應該也不會很多。)，稍後地表開始硬化，但地球仍不斷與鄰近星體發生碰撞而增大。含較重元素的星體約在39億年前撞擊地球，這些重元素聚集在當時薄弱地殼下方的地函上層中，此為Witwatersrand 太古金礦黃金之最初源頭。在此階段地球上還沒有大陸，只有許多島弧，若干島弧在此聚集成一個在地球最早的較大陸塊之一，名為Kaapvaal Craton。

圖一.A timeline of the earth's geological history, with an emphasis on events in Southern Africa. W indicates when the Witwatersrand supergroup was laid down, C the Cape supergroup, and K the Karoo Supergroup. The graph also indicates the period during which banded ironstone formations were formed on earth, indicative of an oxygen-free atmosphere. The earth's crust was wholly or partially molten during the Hadean Eon; the oldest rocks on earth are therefore less than 4 billion years old. One of the first microcontinents to form was the Kaapvaal Craton.

2．約在30億年地函溫度稍降造成Kaapvaal Craton稍微陷落，因此而形成蘭德盆地最早的沉積層；據信在27.14億年(圖一W的位置)，Kaapvaal Craton與另一個陸塊Zimbabwe Craton碰撞，發生Ventersdorp熔岩事件，因為當時地殼仍薄弱熔岩係由地函漫出覆蓋Witwatersrand北部,西部大部分區域，厚度達幾公里。這些熔岩儲存的巨量黃金，便是日後Witwatersrand 太古金礦黃金的來源。

3.加上東南部陷落，由高地沖積下來的自然金等物質沉積在主要的六個河流辮狀三角洲，為日後發現金礦最主要位置。經若干億年的沉積，金礦上覆蓋的沉積層厚度達數千米。(原文有稱2500m，也有稱沉積厚度達4300m，意為金礦原來在地表下深處。)

圖二.The position of the Kaapvaal Craton (khaki coloured area) beneath the South African landscape, and the shrunken, shallow Witwatersrand Sea (light blue) at the time that gold was deposited in the broad, river deltas of six rivers that flowed into that sea, depositing all their heavier materials (cobbles, gold, uranium iron pyrite etc.) in the braided rivers of the deltas (see illustration on the left). Most of these gold deposits are deep under the South African surface, but form outcrops (exposures at the surface) along the length of the Witwatersrand ridge. The six gold fields thus established are, in order from the west, moving clockwise, to the northern shore of the Witwatersrand sea, Welkom, Klerksdorp, Carletonville, West Rand, East Rand and Evander

圖三.A diagrammatic presentation of the rivers that flowed into the Witwatersrand sea after 4300 m of sediment had already been deposited in the basin. The fast flowing rivers cascading down the mountains to the north now flowed over a wide flat coastal plain to form broad deltas of sluggish braided rivers, where the heavy materials (cobbles, gold, uranium and iron pyrite etc.) carried down from the mountains settled out, to form the gold bearing "Central Rand Group" deposits. Today's gold ore is confined to the fossil river deltas.

4.於20.23±0.04億年前在約翰尼茲堡西南的弗里德堡發生重大的隕石撞擊，扭曲了該地直徑300公里的地層走向。(弗里德堡隕石坑Vredefort Dome，是迄今人類在地球發現最大的隕石撞擊遺址；而造成恐龍滅絕的希克蘇魯伯隕石坑Chicxulub crater，直徑180Km排第三，但因為Vredefort Dome當時只有藍綠藻與細菌..之單細胞生物，所以造成的生物滅絕之情況不明。)撞擊後，最初露出的岩層(距撞擊中心25Km近處)並不包含金礦，但使得大部分原來盆地的地層因此降低了高度，讓金礦免於過早被沖刷毀滅；直到1.5億年前尤其是近2000萬年間，盆地因板塊運動而抬升，水的侵蝕作用開始，快速清除盆地上的沉積層，距離撞擊中心80~120公里的弧狀地區富含自然金的地層於是露出地表，終被人類發現和開採，而約翰尼茲堡剛好就處於這個區域。

圖四.A schematic diagram of a NE (left) to SW (right) cross-section through the 2020 million year old Vredefort impact crater and how it distorted the contemporary geological structures. The present erosion level is shown. Johannesburg is located where the Witwatersrand Basin (yellow layer) is exposed at the "present surface" line, just inside the crater rim, on the left. Not to scale.

四.對於Witwatersrand 太古金礦形成的一些說明：

1.在二十多億年前，空氣無氧氣，在少有氧化劑的情況下，本金礦形成主要藉助於物理作用，而非化學反應，此與現今世界其他地方金礦情況大多不同(或許加拿大少許金礦也不經化學反應)。當時即使有藍綠藻可以進行光合作用產生氧氣，然而氧氣還來不及釋放至空氣，便被水中的亞鐵離子Fe2+吸收反應成氧化鐵Fe2O3，並沉澱產生條紋鐵礦Bonded Irondtone如下圖產地中國。(條紋的形成，一般說法是白天因光合作用生成氧化鐵較多，至夜晚無光合作用生成之氧化鐵較少。然而這種說法顯然是個錯誤，因為如果條紋是以日計算，其沉積速度之快，可以算算看到寒武紀前約三十億年間應該會有多少鐵礦在地球?正確的說法應該與樹木成長的年輪相似，夏季光合作用強氧化鐵沉積較多，而冬季光合作用弱氧化鐵沉積少。)

圖五 .

2.成礦過程的簡述：Ventersdorp熔岩中的自然金大多溶於黃鐵礦中，當熔岩受水侵蝕崩落，隨水流沖積至下游，多數黃鐵礦碎裂並與顆粒或粉末狀的自然金分離，經沉積作用自然金與其他重礦物如瀝青鈾礦Uraninite,炭鈾釷礦Thucholite,方鉛礦Galena及黃鐵礦Pyrite一同聚集在碎裂的岩塊或鵝卵石間隙如圖六取材自mindat資料庫,圖七來源。https://www.seriousfacts.com/africa-facts/gold-witwatersrand-south-africa/

圖六產地Village Main Reef gold mine, Johannesburg, Johannesburg District, Gauteng, South Africa

圖七

圖八敝小館長年追蹤10年間在ebay礦物拍賣場唯一出現的Witwatersrand 金礦樣品。由於未切片，不易分辨。

　　有一部份標本含有石墨與碳氫化合物，應該是當時微生物如藍綠藻的遺骸(前寒武紀之前)，如圖九～十二，這型標本十分珍貴，是敝小館在近期肺炎疫情中購得，歷經三個月才收到。

　　圖九～十二以下是店家的說明

An interesting and super rare specimen from the Witwatersrand gold mining area. It hosts a veinlet of black uraninite, and countless gold flakes frozen in- and outside the uraninite.

This is a spectacular sample of precambrian high-grade gold ore. The rock is from the Carbon Leader (also known as the Carbon Leader Reef & Carbon Leader Seam), a blackened, hydrocarbon-rich stromatolitic interval richly impregnated with native gold (Au) and radioactive uraninite/pitchblende (UO2). It is a paleoplacer deposit, part of an ancient alluvial fan succession.
Stratigraphy & Age: Carbon Leader Member, Main Conglomerate, lower Johannesburg Subgroup, lower Central Rand Group, Witwatersrand Supergroup, lower Neoarchean, ~2.9 billion years old (cit. jsjgeology).

Slightly radioactive due to content of U, Th and/or rare earth elements (appr. 8.0 micro Sv/h within spitting distance).

From an old gold collection which was built up in the 70's, 80's and early 90's.

3.在此礦區也出現其他形態金礦，應是近代其他方式產生，如圖十四 Gold in Quartz。