摘要
塔乌尔别克金矿床位于西天山吐拉苏火山-沉积盆地，浅成低温热液金矿化及相关蚀变发育于下石炭统大哈拉军山组火山岩中，受近 NNW-SSE或 N-S向断裂及其交汇部位控制。本文对塔乌尔别克金矿床成矿早期（NW走向）和成矿晚期（NE走向）两期方解石脉进行了稀土元素组成和C-O同位素地球化学研究，以期揭示其流体演化与物质来源。结果表明，成矿早期方解石δEu值为1.09~4.74，δCe值为0.76~0.94，显示Eu正异常，Ce轻微负异常；而成矿晚期方解石δEu为0.73~0.85，δCe为0.82~0.95，显示Eu负异常，Ce负异常不明显；这表明成矿流体从早期的相对氧化状态逐渐演化至晚期的相对还原状态。成矿早期方解石的δ13CV-PDB介于0.2‰~1.8‰，δ18OV-SMOW介于12.1‰~15.3‰，指示其成矿流体主要来源于碳酸盐岩的溶解作用，且δ18OV-SMOW变化范围较宽，反映了大气降水的混入；晚期方解石δ13CV-PDB介于-0.1‰~1‰，δ18OV-SMOW介于9.2‰~9.9‰，表明其成矿流体主要由岩浆结晶分异作用产生。结合前人研究成果，本文认为，塔乌尔别克金矿床成矿早期的氧化性流体有利于金的富集与沉淀，成矿晚期还原性环境导致金沉淀效率大大降低。
Abstract
The Tawuerbieke gold deposit is located in the Tulasu volcanic-sedimentary basin of the Western Tianshan. The epithermal gold mineralization and associated alteration are developed in the volcanic rocks of the Early Carboniferous Dahalajunshan Formation, controlled by NNW- and N-trending faults and their intersections. This paper investigates rare earth element (REE) compositions and C-O isotopic geochemistry of early-stage (NW-trending) and late-stage (NE-trending) calcite veins in the Tawuerbieke gold deposit to elucidate the fluid evolution and the sources of ore-forming materials. The results show that the early-stage calcite has δEu and δCe values ranging from 1.09 to 4.74 and from 0.76 to 0.94, respectively, displaying positive Eu anomalies and slightly negative Ce anomalies. In contrast, the late-stage calcite has δEu values of 0.73-0.85 and δCe values of 0.82-0.95, showing negative Eu anomalies and slightly negative Ce anomalies. This indicates that the ore-forming fluids evolved from a relatively oxidized state in the early stage to a relatively reduced state in the late stage. The early-stage calcite has δ13CV-PDB and δ18OV-SMOW values ranging from 0.2‰ to 1.8‰ and from 12.1‰ to 15.3‰, respectively, suggesting a source of carbonate dissolution. The late-stage calcite has δ13CV-PDB values of −0.1‰ to 1‰ and δ18OV-SMOW values of 9.2‰ to 9.9‰, indicating magmatic crystallization differentiation. Combined with previous studies, we propose that the oxidized fluids in the early stage of the Tawuerbieke gold deposit facilitated the enrichment and precipitation of gold, while the reduced environment in the late stage significantly decreased the efficiency of gold precipitation.
0 引言
浅成低温热液型矿床是全球最重要的金矿床类型之一，为全球提供超过 8% 的金资源（Heden‐ quist and Lowenstern，1994；Sillitoe，1997a；Simmons et al.，2005）。该类型矿床的成矿物质来源和流体演化过程通常受到复杂的构造活动和多期热液作用的强烈扰动，而难以精确限定（Hedenquist and Low‐ enstern，1994；Sillitoe，1997b）。西天山吐拉苏盆地以大规模浅成低温热液型金矿化为主要特征，发育多个大型金矿床，如阿希、塔乌尔别克、金山等，并具有潜在的斑岩型铜金矿化前景（顾雪祥等，2014； 赵晓波等，2014）。塔乌尔别克金矿床位于吐拉苏盆地的中部，距阿希金矿床以南约 2 km 处（Zhao et al.，2014；Peng et al.，2016）。金矿化赋存于下石炭统大哈拉军山组火山岩中，其空间分布受 NNW-SSE 向或近 N-S 向断裂及其交汇部位的控制（Qi， 1999；Zhao et al.，2014）。塔乌尔别克金矿床广泛发育与火山岩喷发期后热液活动相关的方解石脉，为揭示流体演化和物质来源提供了良好的研究对象。
方解石是浅成低温热液型金矿床中的一种常见脉石矿物，形成过程相对简单，其地球化学特征受后期改造的影响较小，因此能够提供较为可靠的成矿流体信息（Liang et al.，2024）。方解石中的稀土元素通过三价稀土离子替代 Ca2+ 进入晶格，其分馏行为受流体的物理化学条件和后期改造作用的综合影响（Shannon，1976；Bau，1991），除晶体溶解外，其他过程难以破坏方解石稀土配分型式（陈友良等，2012）。方解石中稀土元素分馏特征（如Eu正异常、Ce 负异常）能够有效限定成矿流体的氧化还原条件（Bau，1991），而其碳-氧同位素组成则可追踪岩浆来源、大气降水及围岩溶解流体的混合比例 （Taylor，1986；Hoefs，2009）。因此，方解石是研究浅成低温热液型金矿床中流体演化和物质来源的理想载体。
本文在塔乌尔别克金矿床开展了详细的野外地质调研，识别出两期不同走向的方解石脉，早期方解石脉呈北西（NW）走向，与金矿体走向一致，并显示密切的空间联系；晚期方解石脉呈北东（NE）走向，不与金矿体相伴生。这种时空上的差异性表明，早期方解石的形成与金矿化可能存在某种成因联系，这些现象为研究成矿流体演化和金的沉淀机制提供了重要的线索。因此，本文以塔乌尔别克金矿床成矿早期（NW 走向）和成矿晚期（NE 走向）两期方解石脉为研究对象，基于显微岩相学和矿相学观察，开展了稀土元素和碳-氧同位素地球化学分析，以期揭示其成矿流体的来源及演化。
1 区域地质背景
吐拉苏火山-沉积盆地位于伊犁—中天山地块北缘、晚古生代博罗科努岛弧带西段（Wang et al.， 2003；图1），处于晚古生代北天山洋壳向南俯冲的构造背景中，形成于大陆弧环境（Wang et al.，2007； 安芳和朱永峰，2008）。
吐拉苏盆地前寒武系结晶基底由中元古界蓟县系库松木切克群大理岩、变砂岩，新元古界青白口系开尔塔斯群片岩和大理岩组成，被寒武系—下奥陶统岛弧杂岩和中奥陶统陆相火山岩不整合覆盖（Mikolaichuk et al.，1997）。奥陶系—泥盆系由下而上依次为中奥陶统奈楞格勒达坂组海相灰岩夹泥灰岩、硅质岩、泥质粉砂岩，上奥陶统呼独克达坂组厚层灰岩夹钙质粉砂岩，下志留统尼勒克河组灰岩、大理岩以及少量凝灰质粉砂岩，上泥盆统托斯库尔他乌组海陆交互相泥质粉砂岩夹石英安山岩。盆地盖层由下石炭统大哈拉军山组陆相钙碱性、中—酸性火山岩和不整合于其上的阿恰勒河组泥岩、砂岩、生物灰岩、砾岩等组成（顾雪祥等，2016）。
吐拉苏盆地中断裂构造发育，吐拉苏盆地被SN 向断裂和NW向次级断裂切割为多个块体。盆地盖层中 SN 向断裂多为高角度张性断裂。NW 向次级断裂与盆地南北边缘断裂近乎平行，它们延伸较长、规模较大，多为压扭性断裂，控制着吐拉苏盆地内火山-沉积岩的分布（安芳和朱永峰，2010）。吐拉苏盆地岩浆活动广泛发育。泥盆纪—石炭纪主要发育中酸性火山岩和侵入岩，侵入岩大致沿 NWW 向展布，与区域构造线方向一致（Zhao et al.， 2014），多呈岩枝、岩基状，岩性主要为花岗闪长岩、花岗岩、二长花岗岩和花岗闪长斑岩等，二长斑岩、细晶闪长岩、安山岩是同源岛弧岩浆不同相的产物 （赵晓波等，2012）。
2 矿床地质特征
塔乌尔别克金矿床的赋矿地层主要为早石炭世大哈拉军山组火山-沉积岩系，自下而上依次包括 5 个岩性段，即砾岩段、酸性凝灰岩段、下安山岩段、火山碎屑岩段、上安山岩段（Zhao et al.，2014），矿体主要赋存上安山岩段中（Peng et al.，2016）。矿区中部和西部发育有花岗斑岩和闪长岩岩脉的侵入（何英等，2015）。塔乌尔别克金矿位于 NW 向断裂与近NS向断裂或环状断裂交汇的锐角部位（漆树基，1999），成矿后 NE 向断裂切穿 NNW 向断裂和金矿体（图2）。
塔乌尔别克金矿体主要呈不连续或透镜状沿 NW 向展布，规模不等，长 30~1400 m，厚 3~45 m。矿石类型包括含金石英-方解石脉型含金石英脉型、含金破碎蚀变安山岩型、含金蚀变斑岩型。金属矿物主要有黄铜矿、闪锌矿、白铁矿以及黄铁矿等，非金属矿物包括方解石、石英、长石、绢云母等。黄铁矿多呈自形—半自形粒状浸染在矿石中（图3d~f），自然金包裹于黄铁矿晶体内，表明金与黄铁矿同期形成（Zhao et al.，2014）。矿区发育黄铁矿化、碳酸盐化、硅化、绢云母化、绿泥石化和绿帘石化等蚀变作用，与金矿化紧密相关（An et al.，2013； 赵晓波等，2014；Peng et al.，2017）。
彭义伟等（2016）通过电镜观察、硫-铅同位素、均一温度与盐度、流体包裹体、热电系数的测定，认为大哈拉军山组火山岩和花岗斑岩中的构造裂隙是主要的控矿因素，赋矿安山岩中发育金矿化的二长斑岩和细晶闪长岩包体，含铜硫化物主要有黄铁矿、黝铜矿、斑铜矿、黄铜矿、砷-黝铜矿等，安山岩岩芯中发育少量自然铜。电子探针分析结果表明，黄铜矿和斑铜矿以交代蚀变岩的形式产出一定量的金矿化。矿石多呈细脉浸染状，石英脉两侧的绢英岩化叠加在广泛发育的青磐岩化之上。
塔吾尔别克金矿区广泛发育安山岩侵入体，新鲜面为紫红色，具斑状结构，斑晶以斜长石为主，含少量角闪石和普通辉石；蚀变安山岩为土黄色，斑晶普遍发生绢云母化，角闪石斑晶出现暗化边，并蚀变为绿泥石或黑云母，基质由微细粒的绢云母化斜长石和钾长石、石英、角闪石和黑云母等组成，此外，岩石中有碳酸盐矿物充填（唐功建等，2009）。
成矿早期，方解石呈网脉状或脉状，整体呈近 NW 走向（图3a），伴随发生硅化、绢云母化、绿泥石化等低温热液蚀变，形成含金黄铁矿。成矿晚期， NE向方解石脉切穿早期NW向方解石脉（图3a、b），热液活动使方解石脉中金富集（图3c），发育自然金包裹于黄铁矿中（图3g~i），部分自然金充填于地表氧化矿石的梳状石英脉中。方解石、碳酸盐、石英、硫化物等热液矿物多以细脉状、细网脉状、细脉浸染状、浸染状产出。
图3塔乌尔别克金矿床热液野外观察照片和方解石手标本及显微照片
a—成矿早期NW向方解石脉野外产状；b—两期方解石脉野外产状，NE向方解石脉错断NW向方解石脉；c—含金方解石-石英脉；d—立方体自形—半自形黄铁矿；e—黄铁矿呈星点状分布；f—石英—方解石脉中他形黄铁矿；g—含黄铁矿的石英—方解石脉；h—石英—方解石脉边缘分布黄铁矿；i—透射光下石英—方解石脉；Q—石英；Cal—方解石；Py—黄铁矿
3 样品采集与分析方法
本文稀土元素分析和碳-氧同位素测试的成矿早期样品采自塔乌尔别克竖井（H＝1801）及其向北 126 m 处，成矿晚期样品采自竖井口向东 5 m 处（图2）。14 件用于稀土元素分析的方解石样品来自以蚀变安山岩为赋矿围岩的金矿石，包括 7 件成矿早期（NW 向）样品和 7件成矿晚期（NE 向）样品；12件用于碳-氧同位素测试的方解石样品中，7件来自早期以二长斑岩为赋矿围岩金矿石（NWW向），5件来自晚期石英-方解石脉（NEE向）。稀土元素分析和碳-氧同位素测试均在核工业北京地质研究院完成。
方解石稀土元素分析采用 Finnigan MAT HR-ICP-MS（Element Ⅰ型）进行测定。方解石样品经研磨、消解后定容，并添加内标元素 Rh以校正基体效应。仪器在高分辨率模式下运行，分辨率≥10000 amu，以减少质谱干扰。实验过程中定期插入标准物质进行校准，确保数据的准确性和可靠性。分析结果中，低于检测限的元素不计入，球粒陨石标准化采用Sun and McDonough（1989）计算方法。
方解石碳-氧同位素测试采用 MAT253气体同位素质谱仪进行高精度测定。方解石样品经研磨至 200 目后，称取适量置于反应装置中，与 100% 磷酸在 25℃恒温条件下反应，释放出 CO2气体。生成 W2 的气体经冷冻纯化后，通过双路进样系统导入质谱仪，测定碳（δ13C）和氧（δ18O）同位素组成。分析结果以国际标准 PDB 为基准进行校准，精度优于 0.1‰。
4 分析结果
4.1 稀土元素组成
热液方解石的稀土元素测试结果见表1，标准化的配分模式见图4。热液方解石的稀土元素测试结果显示，成矿早期稀土元素总含量（∑REE）介于 3.51~87.54×10-6，平均值为 19.08×10-6，变化范围较宽，含量较低。∑LREE/∑HREE 比值的变化范围为 3.83~21.18，变化较大，平均值为 11.11，（La/Sm）N 比值介于 2.02~6.16，（Gd/Yb）N比值介于 1.99~10.20，轻、重稀土元素发生明显分馏，LREE较富集，HREE 相对亏损，且LREE内部分异不明显。δEu值的变化范围为 1.09~4.74，显示 Eu正异常。δCe值的变化范围为0.76~0.94，显示Ce有轻微负异常。
成矿晚期热液方解石矿体的∑REE 值介于 9.97×10-6~24.62×10-6，平均值为 15.57×10-6，变化范围较小，总含量偏低。∑LREE/∑HREE 比值介于 4.28~9.45，平均值为 6.18，（La/Sm）N 比值介于 1.87~5.46，（Gd/Yb）N比值介于 3.89~6.45，显示 LREE 较富集，HREE亏损。δEu值的变化范围为0.73~0.85，Eu 显示负异常。Ce 表现出轻微的负异常，δCe 值变化范围为0.82~0.95。
4.2 碳-氧同位素特征
热液方解石的碳-氧同位素测试结果见表2和图5。成矿早期方解石 δ13CV-PDB 值的变化范围为 0.2‰~1.8‰（均值为1.1‰），δ18OV-SMOW值的变化范围为 12.1‰~15.3‰（均值为 14.31‰），呈近水平展布，接近海相碳酸盐岩来源（Veizer and Hoefs，1976； Hoefs，2009）。成矿晚期方解石 δ13CV-PDB值的变化范围为-0.1‰~1‰（均值为 0.56‰），δ18OV-SMOW值的变化范围为 9.2‰~9.9‰（均值为 9.6‰），接近于地幔碳酸盐（Taylor，1986；Hoefs，2009）。
表1塔乌尔别克金矿床成矿两期方解石矿床稀土元素分析结果（10-6）
表2塔乌尔别克金矿床两期方解石碳、氧同位素组成
5 讨论
5.1 稀土元素特征与成矿环境指示
塔乌尔别克金矿床热液方解石样品中，成矿早期方解石的稀土元素（REE）含量较高，范围为3.51× 10-6~87.54×10-6，而晚期方解石的 REE 含量较低，范围为 9.97×10-6~24.62×10-6。早期方解石的 ΣLREE/ ΣHREE 比值较高，最高可达 21.18，晚期方解石的 ΣLREE/ΣHREE 比值较低，最高为 9.45。两期方解石稀土元素配分曲线均向右倾斜，显示出轻稀土元素较重稀土元素富集的特征，稀土元素配分行为存在明显差异。稀土元素主要是通过Ca2＋与REE3＋之间的置换进入热液方解石，LREE3＋的离子半径比 HREE3＋ 的离子半径更接近于 Ca2＋，因而 LREE 比 HREE 更容易置换晶格中的 Ca2＋而进入方解石，且稀土元素在流体中的分配系数是随着稀土元素的原子序数增加而减小的（Wood，1990；Webb，1998； Tanaka et al.，2004）。这解释了两期方解石LREE相对富集的原因。因此，塔乌尔别克早期方解石中 LREE相对于HREE明显更为富集，推测成矿早期可能经历了更强烈的热液活动和稀土元素富集过程。
稀土元素在热液过程中可以通过分馏作用进一步演化，其元素性质随原子序数的增加而发生变化，即镧系收缩（Bau，1991；Debruyne et al.，2016）。由于Ce、Eu和Yb在热液流体中的价态不同，它们通常会在热液方解石中表现出异常，从而指示流体的氧化还原状态（Gao et al.，2025）。当成矿体系为氧化环境时，Ce3+ 会被氧化成Ce4+，离子半径较小，易进入矿物晶格，与其他稀土元素分离，导致热流体出现 Ce 负异常；在低温氧化环境条件下，热流体发生 Eu 正异常（Chen and Fu，1991；Ma and Liu，1999）。高温还原环境下，Eu3+ 被还原成 Eu2+，离子半径增大，不易被吸附进入矿物晶格，显示热流体 Eu 负异常（Chen and Fu，1991；Ma and Liu，1999）。因此，早期成矿流体的 Eu 正异常（δEu=0.76~0.94），Ce 负异常（δCe=0.76~0.94）表明其处于氧化环境，而晚期成矿流体的 Eu 负异常（δEu=0.73~0.85）则指示其处于还原环境。稀土元素特征的变化表明成矿流体从早期的氧化环境演化至晚期的还原环境。
5.2 碳-氧同位素组成及成矿物质来源
塔乌尔别克两期热液方解石的 δ13CV-PDB值变化不大，但早期含量整体略高于晚期。在热液系统中，碳同位素主要有 3 种来源：岩浆及深部地幔来源、海相碳酸盐岩以及有机碳来源（周家喜等， 2012；张帮禄等，2018；刘锦康等，2021；刘祥云等， 2024）。
从δ18OV-SMOW-δ13CV-PDB关系图（图5）中，可以看出成矿早期方解石落入碳酸盐岩溶解作用趋势线区域。与地幔相比，早期方解石具有明显较高的 δ18OV-SMOW和 δ13CV-PDB值，且 C、O 同位素值近水平分布，这表明方解石的碳同位素组成（δ13CV-PDB）相对稳定，暗示其碳源较为单一，主要来自碳酸盐岩的溶解，而氧同位素组成（δ18OV-SMOW）的变化范围较大，主要受热液流体的来源和形成温度的影响。此外，矿床发育低温热液矿物组合，即闪锌矿-黄铁矿-白铁矿，因此地幔物质参与成矿的可能性也较低。围岩与流体之间的水岩反应和温度降低的耦合作用会造成碳酸盐岩的溶解（唐永永等，2011；赵征等， 2018；刘阳等，2021；高俊宝等，2024）。彭义伟 （2015）通过对塔乌尔别克金矿床石英的 H-O 同位素研究，提出成矿流体以大气降水来源为主，并指出大气降水与下石炭统火山岩围岩通过水-岩相互作用发生氧同位素交换，这种水岩反应过程可能是导致塔乌尔别克金矿床金沉淀的关键机制。综上，本文推测早期成矿流体在演化过程中与碳酸盐岩发生同位素交换，这一过程通过溶解作用为成矿流体提供了碳酸根离子，进而影响了流体的酸碱度和化学组成。因此，早期流体中的碳主要来自赋矿围岩，流体可能通过水岩反应萃取围岩中的稀土元素和金等成矿物质。
成矿晚期方解石全部分布于花岗岩范围内，沿结晶分异作用趋势线分布。根据前人研究，方解石碳、氧同位素之间关系为正相关时，成矿流体中的 CO2来源于地幔的高温分异作用或混染作用（曹正端，2017）。晚期方解石的 δ18OV-SMOW接近地幔源区，具有一定的线性相关关系。此外，矿体的直接围岩为安山岩，其中的二长斑岩和细晶闪长岩包体也发育金矿化，这些金矿化相关的岩浆岩富集大离子亲石元素、相对亏损Nb、Ta等高场强元素，具岛弧岩浆特征并显示与高镁埃达克岩的地球化学亲缘性，反映了俯冲洋壳物质与地幔岩浆的相互作用（唐功建等，2009；赵晓波等，2012）。以上证据表明晚期方解石中碳可能来源于地幔或深部岩浆。
5.3 成矿意义
早期成矿流体处于氧化环境，稀土元素Eu正异常和 Ce 轻微负异常特征表明流体具有较高的氧化还原电位，这使得金能够以可溶态形式迁移和富集 （刘星成等，1997）。随着热液流体与围岩发生碳酸盐化反应，碳酸根离子的增加改变了流体的酸碱度和化学组成，降低了金的溶解度，从而促使金在方解石脉中沉淀。此外，早期方解石脉的形成受NNW 向断裂带控制，断裂带为热液流体的上升和运移提供了通道，而断裂交汇部位则为金的沉淀提供了有利的空间条件。结合流体包裹体的研究，早期成矿流体具有低温度、低盐度和低密度的特征，表明成矿深度较浅，有利于金的富集（于小亮等，2016）。
进入成矿晚期，成矿流体性质发生了显著变化，还原性增强，导致金的溶解度降低，难以被热液流体有效搬运和沉淀。C-O 同位素分析进一步支持了晚期流体的还原性特征，晚期方解石接近地幔碳酸盐，这表明晚期成矿流体可能来源于岩浆岩结晶分异作用或地幔的高温分异作用。这一特征与方解石脉围岩为安山岩和二长斑岩的地质背景相一致，表明晚期碳主要来源于岩浆。
6 结论
（1）塔乌尔别克金矿床的成矿流体从早期的氧化环境（Eu正异常、Ce轻微负异常）向晚期的还原环境（Eu负异常）演化。
（2）C-O 同位素表明，成矿流体来源从早期的围岩碳酸盐岩向晚期的地幔或岩浆来源转变，反映了成矿流体的多源性。
（3）塔乌尔别克金矿床早期氧化性流体有利于金富集；晚期还原性流体导致金含量降低，这种变化使金在早期富集，晚期贫化。
