中国周边地区南天山造山带中的穆龙套(Muruntau) 金矿(乌兹别克斯坦，约4300t金；Goldfarb et al., 2001) 和库姆托尔(Kumtor) 金矿(吉尔吉斯斯坦，约280t金；Ivanove，2000) 等超大型金矿的相继发现，激发了我国地质学家在我国天山构造带寻找同类金矿(富含碳质，被称为穆龙套型) 的热情，并直接导致20世纪90年代新疆乌恰县萨瓦亚尔顿金矿的发现。萨瓦亚尔顿金矿位于中国与吉尔吉斯边境附近的南天山构造带内，黄金储量>100t，远景资源量约300t (Rui et al., 2002)。很多学者(叶锦华等，1999；Liu et al., 1999; 刘家军等，2001) 研究了萨瓦亚尔顿金矿的地质特征、成矿时代和矿床成因，并初步认为它属于穆龙套型金矿。近年来流体包裹体和同位素的研究表明萨瓦亚尔顿金矿属于中温热液矿床(110~340℃)，流体富含CO₂并经历了多阶段流体演化(陈华勇等, 2004, 2007；Liu et al., 2007；Yang et al., 2007；Chen et al., 2012a, b)，与穆龙套金矿类似(Cole，2000; Wilde et al., 2001；Graupner et al., 2001)，具有典型的造山带型金矿特征(陈华勇等, 2004; 陈衍景等，2007)。稀土及微量元素在成矿流体中含量虽少，但由于其分布的特殊性及稳定的化学性质，常能对物质来源及流体演化有重要的指示作用，尤其是近年来，稀土及微量元素分析越来越多地运用到成矿流体研究中，并逐渐开拓出一些新的测试手段和方法，如石英中群体包裹体稀土微量元素成分分析(Su et al., 1998；范建国等，2000) 及单包体成分测试(Ulrich et al., 1999；Wang et al., 2006)。本文对萨瓦亚尔顿金矿的围岩、矿化石英及其所含包裹体中的成矿流体进行了系统的稀土-微量元素分析测试，从而进一步揭示和完善萨瓦亚尔顿金矿的成因模式。

萨瓦亚尔顿金矿位于塔里木板块西北缘的南天山构造带(图 1)，南天山造山带最终形成于晚古生代晚期塔里木板块与哈萨克板块的碰撞造山过程，碰撞前经历了南天山大洋的俯冲消减，碰撞后受到中新生代陆内造山作用的影响。赋矿地层为石炭纪被动陆缘环境的浊积岩系(Liu et al., 1999；刘家军等，2001)，自下而上分为3个岩性单元：下部主要为灰色变质石英砂岩和碳质板岩，最底部为含薄层泥灰岩和生物碎屑灰岩；中部为深灰色-黑色薄层粉砂岩和碳质板岩互层；上部为灰色粉砂岩、板岩，间夹薄层的黑色碳质板岩、硅质岩、泥质/硅质灰岩，顶部出现安山岩和凝灰岩。萨瓦亚尔顿金矿床定位于中部岩性单元。

图 1

Fig. 1

图 1 萨瓦亚尔顿金矿及邻区区域地质建造(据陈华勇等，2007) K-白垩纪；J-侏罗纪；P1-早二叠纪；C-石炭纪；D-泥盆纪；S-志留纪 Fig. 1 Regional geology of the Sawayaerdun gold deposit (modified after Chen et al., 2007)

矿区东为阿热克托如克断裂，西为伊尔克什坦断裂，二者皆为倾向NW的逆冲断裂(图 1)，两断裂之间发育了一系列次级层间断裂带和韧性剪切带(图 2)，为控矿构造(郑明华等，2001)。其中，F1逆掩断层具韧性剪切带性质，控制了萨瓦亚尔顿金矿定位(图 1、图 2)，使金矿体产于其上盘的更次级构造中，并与次级断裂产状近乎一致(图 2)。矿区外围二叠系地层中含碱性玄武岩夹层，矿区内岩浆活动微弱，仅有少量碱性辉绿岩脉和和闪长岩脉，且多顺层侵入(图 2)，年龄介于270.5~127.9Ma之间(刘家军等，2001)。

图 2

Fig. 2

图 2 萨瓦亚尔顿金矿地质简图(据陈华勇等，2007) C2+3-中晚石炭纪含碳质沉积碎屑岩；D-泥盆纪结晶灰岩 Fig. 2 Geological map of the Sawayaerdun gold deposit (modified after Chen et al., 2007)

矿区已发现24条矿化构造带，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅺ矿带较重要，含金1~4g/t。部分矿体上部可圈出独立锑矿体(叶庆同等，1999)。主要围岩蚀变有黄铁矿化、毒砂化、硅化、绢云母化、绿泥石化、碳酸盐化等。矿化过程大致分为3个阶段：早阶段无矿石英±黄铁矿(含量少，但晶形好) 组合；中阶段绢英岩化+多金属硫化物(大量它形黄铁矿和毒砂、磁黄铁矿、锑化物等)+铁白云石组合；晚阶段以碳酸盐细脉为标志(陈华勇等，2004)。中阶段由不同世代的矿物组成，为主成矿阶段。金主要以自然金和金银矿的形式产出，毒砂、黄铁矿为主要载金矿物；矿石组构以网脉状、角砾状和浸染状为主(Liu et al., 2007; Yang et al., 2007)。⁴⁰Ar/³⁹Ar及Rb-Sr定年表明金矿化发生于晚印支期(206~213Ma, Liu et al., 2007)。

进行稀土及微量元素成分研究的样品包括：4件来自Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ及Ⅺ矿脉的石英样品。分别为一件早期无矿石英SW57(Ⅰ带)；三件矿化石英，SW17(Ⅱ带)，SW3(Ⅳ带) 及SW80(Ⅺ带)。2件砂岩-砂页岩质成矿围岩样品，SW24(无蚀变) 及SW43(蚀变)。2件灰岩质外层围岩样品，SW15(F1断层南侧泥盆纪结晶灰岩) 及SW14(赋矿岩层底部石炭纪生物碎屑灰岩)。

全岩样品先用蒸馏水清洗，再粉碎，缩分，研磨至200目以下的粉末备用。矿化石英先由双目镜下挑出，用1:1盐酸低温煮30min，清洗后用浓硝酸浸泡12h，清洗烘干后与分析纯酒精一起在玛瑙研钵中研磨至200目以下的粉末备用。全岩和石英样品前处理采用酸溶法。用于石英包裹体成分测试的样品先用1：1盐酸低温煮30min，清洗后用浓硝酸浸泡12h，然后在爆裂仪中以500℃的温度爆裂15min左右，用2%的稀硝酸提取包裹体的液相成分后在ICP-MS上进行分析测试。以In作内标，分析精度可达10^-9。并以标准样品和重复测试的样品数据控制分析质量。所有分析工作在中科院地质与地球物理研究所资源探查研究重点实验室完成。

稀土组分测试结果见表 1及图 3。砂页岩质成矿围岩的稀土总量明显高于矿区外层灰岩。其中发生蚀变作用的成矿围岩(SW43) 稀土含量最高，而距矿体最远的F1断裂南侧泥盆纪结晶灰岩SW15稀土含量最低(图 3a)。所有围岩样品均显示轻稀土富集和弱Eu负异常的特点，且成矿围岩比外围灰岩更为明显。矿化石英矿物的稀土配分模式变化较大，但都表现出不同程度的重稀土富集，无明显的Eu异常。其中Ⅳ和Ⅺ矿脉的石英稀土含量和配分模式较相似，而Ⅱ矿脉石英的稀土含量明显高于其它矿脉，且显示极强的重稀土富集(图 3b)。与石英矿物不同的是，石英所含的流体包裹体稀土配分模式较为一致，均显示轻稀土富集和较强的Eu正异常特征，Ⅰ脉无矿石英所含流体的稀土含量最低(图 3c)。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 萨瓦亚尔顿金矿稀土及微量元素组分(×10-6) Table 1 REE and trace element compositions of the Sawayaerdun gold deposit (×10-6) Sample SW3F SW80F SW17F SW57F SW24R SW14R SW15R SW43R SW17Q SW57Q SW3Q SW80Q La 0.085 0.286 0.063 0.038 24.47 5.089 1.063 30.26 0.021 0 0.009 0.030 Ce 0.134 0.576 0.098 0.058 47.561 3.644 1.09 64.96 0.033 0 0.028 0.058 Pr 0.020 0.084 0.020 0.008 5.532 0.799 0.151 8.095 0.007 0.001 0.007 0.009 Nd 0.073 0.421 0.108 0.029 20.31 3.175 0.610 34.23 0.039 0 0.031 0.040 Sm 0.033 0.144 0.104 0.009 3.811 0.554 0.112 10.98 0.083 0.001 0.017 0.014 Eu 0.052 0.093 0.073 0.008 0.838 0.133 0.034 2.188 0.032 0 0.007 0.007 Gd 0.033 0.153 0.171 0.007 3.838 0.623 0.133 13.98 0.217 0 0.028 0.012 Tb 0.006 0.027 0.026 0.002 0.539 0.086 0.018 1.863 0.042 0 0.004 0.002 Dy 0.032 0.151 0.168 0.009 2.987 0.514 0.116 9.179 0.255 0 0.018 0.016 Ho 0.005 0.028 0.031 0.002 0.585 0.114 0.032 1.677 0.051 0 0.003 0.005 Er 0.020 0.082 0.085 0.006 1.655 0.331 0.093 4.349 0.143 0.001 0.008 0.018 Tm 0.003 0.011 0.010 0.007 0.237 0.043 0.014 0.564 0.019 0 0.001 0.003 Yb 0.020 0.077 0.072 0.007 1.552 0.254 0.079 3.311 0.117 0 0.005 0.027 Lu 0.003 0.012 0.010 0.001 0.228 0.039 0.012 0.454 0.016 0 0.001 0.005 Li 6.807 1.316 3.804 1.225 20.25 1.060 0.404 32.03 1.161 0.654 0.592 2.405 Be 0.071 0.079 0.092 0.081 0.486 0 0 1.234 0 0 0 0.024 Sc 0.383 0.411 0.520 0.122 5.242 0.419 0.215 10.759 0.102 0 0.011 0.069 V 1.640 0.894 0.869 0.163 40.362 1.948 1.277 73.70 0.408 0.079 0.185 0.537 Co 0.889 0.572 0.097 0.157 3.365 0.774 0.661 15.12 0 0 0.112 0 Ni 3.624 0.821 0 0.154 8.758 5.344 5.615 33.19 0 0 0 0 Cu 4.905 4.084 22.411 6.860 8.509 2.34 2.567 20.39 0 0.387 2.526 0 Ga 0.162 0.120 0.264 0.044 7.869 0.333 0.193 15.41 0.158 0.007 0.034 0.094 Rb 7.799 3.081 7.202 1.099 39.27 1.593 0.688 118.5 1.621 0.159 0.464 0.851 Y 0.191 1.011 0.977 0.055 15.81 5.196 2.04 44.74 1.565 0.001 0.084 0.142 Zr 1.159 0.541 0.233 0.286 91.25 1.846 0.526 124.4 0 0 0 9.501 Nb 0.005 0.008 0 0 7.322 0.194 0.094 8.775 0.016 0.01 0.017 0.042 Cs 41.40 9.421 18.74 4.167 1.770 0.097 0.019 5.337 0.203 0.07 0.227 0.103 Ba 210.7 104.8 72.62 22.38 137.7 12.62 20.74 200.3 3.111 0 2.101 8.771 Hf 0.026 0.012 0.004 0.013 2.678 0.050 0.008 3.631 0 0 0 0.355 Ta 0.004 0.002 0.005 0.002 0.557 0.015 0.005 0.689 0.002 0.002 0.002 0.003 Tl 0.118 0.050 0.137 0.016 0.205 0.012 0.006 0.577 0.011 0.001 0.004 0.005 Pb 219.4 26.96 250.0 7.011 19.39 8.317 18.56 6.180 2.457 0.362 1.455 22.04 Bi 0.038 0.018 0.014 0.009 0.123 0.011 0.003 0.196 0 0 0 0.008 Th 0.045 0.140 0.030 0.025 8.094 0.253 0.093 9.721 0.023 0.001 0.034 0.046 U 0.031 0.072 0.014 0.027 1.428 0.399 0.343 2.034 0.009 0.005 0.006 0.084 注：F-石英流体包裹体; R-全岩; Q-石英

表 1 萨瓦亚尔顿金矿稀土及微量元素组分(×10-6) Table 1 REE and trace element compositions of the Sawayaerdun gold deposit (×10-6)

图 3

Fig. 3

图 3 萨瓦亚尔顿金矿围岩(a)、石英(b) 及石英包体所含流体(c) 的稀土元素配分特征 Fig. 3 REE distribution patterns of host rock (a), quartz (b) and fluids in quartz (c)

除稀土元素之外，还对Li、Cu、U等21种微量元素进行了测试。由于仪器及标样原因，部分微量元素，如Au、Ag、Sb和As等未能检测。测试结果见表 1及图 4。砂岩等成矿围岩的微量元素含量一般高于矿体外围的灰岩，尤其是V、Ni、Rb、Zr、Ba等(图 4a)，而具热液蚀变的砂岩(SW43) 微量元素含量也高于未蚀变围岩(SW24)。来自4条主要矿脉的石英微量元素含量较为一致，但Cu、Zr、Ba、Pb等差异明显(图 4b)。Ⅳ带石英(样品SW3) 这几种元素的含量远高于其他矿脉石英。I带无矿石英的各种微量元素含量均较低，与其稀土元素含量一致(多低于检测限，表 1)。石英包体中流体的微量元素含量大都低于50×10^-6(图 4c)。各成矿带石英包体流体微量元素含量相近，但Ⅳ带流体具有较高的Ba和Pb，它们在I带早期无矿石英流体中则含量最低。

图 4

Fig. 4

图 4 萨瓦亚尔顿金矿围岩(a)、石英(b) 及石英包体所含流体(c) 的微量元素含量特征 Fig. 4 Trace element compositions of host rock (a), quartz (b) and fluids in quartz (c)

萨瓦亚尔顿金矿成矿围岩多为砂岩及砂页岩，其稀土含量高于外围的灰岩层(图 3a)，这与全球沉积岩的稀土含量特征是一致的，即泥质岩>砂岩>碳酸盐(王中刚等，1989)。两件砂岩围岩样品具有较为明显的Eu负异常，而两件灰岩样品则相对较弱或者没有出现Eu负异常(图 3a)。自然界中的Eu一般有两种离子状态：Eu²⁺和Eu³⁺，后者与其它稀土元素性质相似，而Eu²⁺却相对活跃，常进入含钙矿物的钙离子晶格，使得矿物呈Eu正异常，如斜长石(王中刚等，1989)。相对砂岩样品，灰石样品所呈现出的弱或无Eu负异常可能与后者富含钙离子相关。同为砂岩样品，热液蚀变较强烈的SW43比未明显蚀变的SW24具有更显著的Eu负异常(图 3a)。手标本及镜下观察显示SW43发育强烈的绢云母化蚀变，该蚀变过程可能同时对应大量的钙流失，从而使得Eu²⁺失去载体而进入蚀变流体中，导致SW43具相对较强的Eu负异常。与此对应的是，石英包体中流体的稀土元素特征总体与围岩类似，显示一定的轻稀土富集(除SW17外)，但区别于围岩的是其明显的Eu正异常(图 3c)。萨瓦亚尔顿成矿流体具Eu正异常可能与其富含钙离子相关，这已为石英包裹体流体成分研究所证明(Ca²⁺可达2.1mol/L，Chen et al., 2012b)，而围岩蚀变过程中所产生的富钙流体则可能成为成矿流体的主要来源之一。由成矿流体沉淀的石英本身则由于其不含Ca离子而不具有相应的Eu正异常(图 3b)。另外，Eu正异常也可能代表流体处于相对还原环境(Chen and Zhao, 1997)。值得注意的是，石英矿物所含稀土及微量元素均远小于对应石英包裹体中的含量(表 1及图 4)，这表明在成矿过程中，石英可能并非成矿物质载体。

萨瓦亚尔顿金矿围岩砂岩的微量元素含量一般高于外围灰岩(图 4a)。相对于未蚀变的SW24, 具强绢云母化的SW43含更高的V、Rb、Zr、Ba等，而Pb含量相对较低(图 4a)。这表明可能在围岩的热液蚀变过程中，V、Ba等元素从流体中进入到相对含量较低的砂岩-砂页岩中，而原本围岩沉积地层中较为富集的原生黄铁矿则被淋滤，从而使得Pb大量进入流体中，而围岩中的Pb含量则显著降低。石英包体中所含流体微量元素一般含量很低，但Cu、Ba、Pb则相对含量较高(图 4c)，尤其是Pb，其在流体中的含量要远高于其他微量元素。结合流体稀土元素特征，成矿流体中较高的Pb很可能来自经围岩交代作用的蚀变流体。萨瓦亚尔顿成矿阶段硫化物Pb同位素及其它稳定同位素研究表明，赋存矿体的变质围岩是成矿物质及流体的重要来源(Chen et al., 2012a)。在造山带金矿中，成矿流体受围岩交代作用影响十分普遍，并得到多方例证，如阿拉斯加的Juneau金矿(Goldfarb et al., 1991)，澳大利亚的Bendigo金矿(Jia et al., 2001) 和我国的银洞坡金矿(Zhang et al., 2011) 等。

萨瓦亚尔顿金矿流体包裹体研究表明金矿化可能与流体沸腾及流体混合作用紧密相关(陈华勇等, 2004, 2007; Yang et al., 2007; Liu et al., 2007; Chen et al., 2012b)。相对于成矿石英(SW17，SW3和SW80)，早期无矿石英(SW57) 多捕获高温(>300℃)，低盐度的流体，无显著流体沸腾或流体混合现象，而矿化石英所含流体则捕获于成矿阶段，具有中温(250℃)，盐度变化大的特征(陈华勇等，2004)。两阶段石英捕获流体的气相及液相成分也有显著差异(陈华勇等，2007; Chen et al., 2012b)。本文研究表明，早期无矿石英SW57所含流体的稀土含量低于其他矿化石英(图 3c)，其较为明显的Eu正异常可能来自流体中含量较高的Ca²⁺，但与矿化石英流体中富含钙离子及显示Eu正异常不同的是，早期流体中的钙可能来自深部碳酸盐地层的变质作用，这与萨瓦亚尔顿流体包裹体及同位素的研究结果是一致的(陈华勇等，2007)，也符合造山带型金矿变质流体来源的一般特征(Kerrich, 1999)。早期无矿石英及所含流体的微量元素含量明显低于矿化石英及所捕获的流体(图 4b, c)。这些均表明流体在成矿阶段经历显著的化学及物理性质变化，尤其是富含稀土及微量元素的外部流体加入可能是导致此差别的主因。矿化石英所含流体的Pb含量远高于无矿石英流体(图 4c)，而围岩地层中富含原生黄铁矿且蚀变围岩成分表明Pb经淋滤进入流体(图 4a)，因此我们推断，流体在成矿阶段很可能捕获了外部与围岩发生交代作用的富Pb流体，即流体混合，这也印证了流体包裹体和同位素的研究(Chen et al., 2012a, b)。值得说明的是，流体混合机制已经在很多造山带型金矿中得到证实(陈衍景和富士谷，1992；Chen, 1998；Brown, 1998; Chen et al., 2000, 2004, 2006；Sui et al., 2000；Graupner et al., 2001；张静等，2006)。图 4c还显示II带与最大的矿化带Ⅳ带具有最高的Pb含量，可能表示两带之间的相似性，这与其他研究的结果是一致的(陈华勇等, 2004, 2007; Chen et al., 2012b)。

前人研究表明萨瓦亚尔顿金矿成矿流体经历了多阶段的演化(Yang et al., 2007；Liu et al., 2007)，尤其是早期无矿阶段和中期成矿阶段，虽然均主要发育石英脉，其赋存流体却差异很大，代表了不同的地质过程和流体演化(陈华勇等, 2004, 2007)。结合本文稀土及微量元素的研究，并总结流体包裹体和同位素研究的最新成果(Chen et al., 2012a, b)，萨瓦亚尔顿金矿的成矿流体演化过程大致推测如下：

古生代晚期，随南天山大洋的俯冲消减，洋盆逐渐闭合，塔里木板块与哈萨克斯坦板块在石炭纪末开始接触碰撞，二叠纪-三叠纪南天山地区地壳挤压、缩短、增厚、隆升(Chen et al., 2007, 2012c)。在挤压隆升过程中，萨瓦亚尔顿金矿赋矿围岩(砂岩及矿区东侧的灰岩等，图 2) 发生变形、断裂破碎和变质。变质脱水产生了大量早期流体，流体沿断裂构造运移，并被碳质板岩等地层或推覆构造圈闭，形成早阶段的无矿石英脉(图 5a)。伴随造山带隆升和剥蚀，早阶段石英脉及含矿构造带埋藏变浅，围岩压力和温度降低；同时，区域挤压应力消退或减弱使容矿构造带发生走滑-剪切和减压扩容，早阶段石英脉产生变形及破碎。此时，围岩压力和构造附加压力的降低可能使流体产生沸腾作用；同时，循环于浅层构造带和地层中，并与围岩发生交代作用的流体，也快速涌入含矿构造带，与“深源高压”流体混合，快速沉淀各自携带的成矿物质(图 5b；陈衍景和富士谷，1992；李晶等，2004)，并捕获多种类型、盐度差别较大的中低温流体包裹体(陈华勇等，2004)。在中阶段矿化之后，区域热异常快速消失，地壳深部活动组分快速亏损，流体成矿作用迅速衰竭，矿区只发育少量低温碳酸盐-石英网脉(图 5c)。

图 5

Fig. 5

图 5 萨瓦亚尔顿金矿成矿模式 Fig. 5 Ore modeling of the Sawayaerdun gold deposit

萨瓦亚尔顿金矿的成矿构造背景和成矿时间与南天山碰撞构造演化一致，成矿过程具3阶段特征，成矿物质主要沉淀于由挤压向伸展构造转变的中阶段，符合碰撞造山体制流体成矿模式，即CMF模式(陈衍景和富士谷，1992；Chen, 1998；Chen et al., 2004, 2005, 2006; Zhang et al., 2012a, b; Zheng et al., 2012)，表明萨瓦亚尔顿金矿是陆陆碰撞体制形成的中温热液脉状金矿床，即造山型金矿。

萨瓦亚尔顿金矿围岩、石英及石英中流体包裹体的稀土、微量元素特征表明：萨瓦亚尔顿金矿成矿流体可能部分来源于围岩组分；

初始流体与矿化阶段的流体成分差异较大；在成矿阶段来自外部的与围岩的流体与深源的初始流体发生混合，导致成矿物质大量沉淀。本文研究结果与已有流体包裹体、同位素等研究结果一致，指示萨瓦亚尔顿金矿属于造山型金矿。进一步表明流体混合及水岩作用围岩组分的参与，也印证了前期流体包裹体和同位素的研究结果。