黔西南晴隆沙子钪矿矿床是近年新发现的大型独立钪矿床。该矿床产于峨眉山玄武岩风化残坡积土中,国内外尚无类似矿床报导,该矿床属于新类型,研究工作刚开始,可借鉴的研究成果很少。本选题研究旨在探讨独立钪矿矿床成矿条件、成矿过程、成因机理及初建成矿模式,为拓展贵州西部新类型、新矿种或新找矿区作指导。本博士论文是在前人研究基础上,以国家自然科学基金项目“贵州首次发现钛矿床——晴隆沙子大型锐钛矿矿床成因机制研究”（41262005）为依托开展研究工作的。研究区是贵州金、汞、砷、锑、铊等重要的成矿带,也是峨眉地幔热柱研究重点区之一,前人在该区开展大量研究工作,取得许多岩石、地层、构造、矿床等方面的研究资料,为本博士论文研究打下坚实的基础。本次研究着眼于该矿床的区域成矿地质背景、矿区地质特征、矿床地质特征、矿石特征、矿物特征、常量元素地球化学特征、微量元素地球化学特征、稀土元素地球化学特征、铀-铅同位素成矿指示特征、铪同位素成矿指示特征、铁同位素成矿指示特征、成矿物化条件分析、成矿内在地质环境分析、成矿外在地质环境分析、成矿过程研究、矿床成因机制、矿床成矿模式等方面进行较深入研究,获得晴隆沙子独立钪矿床的成矿过程研究如下结果。首先,峨眉地幔热柱活动形成晚二叠世早期玄武岩浆喷发:由于地幔热柱构造作用出现地幔隆起,幔源物质形成地幔流体,地幔流体具有充足的物质储量、庞大的流体库和稳定的热源供给;他们上涌的部位往往是壳幔相互作用最强烈地区,地幔流体的出现不仅表现有大量深部物质注入成矿系统,而且意味着该区存在一个高热环境,为成矿作用的持续进行和形成大型、特大型矿床提供了有利条件。地幔流体成矿作用主要表现在:地幔流体本身成矿、地幔流体提供成矿物质、地幔流体提供成矿流体、地幔流体提供碱质和硅质、地幔流体提供热源。峨眉地幔热柱活动产生的地幔流体形成壳幔相互作用和高热流场,构成了成矿物质大规模聚集系统,这些地幔流体在地幔热柱活动多级演化动力作用下其中的成矿物质就以气态形式随着地幔热柱多级演化向上运移,部分金属元素随岩浆系统直达浅部壳层构造,从而构成来自地幔及地壳深部的大量成矿物质在西南地区地壳浅部或表层就位成矿。在物源输运过程中岩浆是极为有利的输运载体,其中峨眉山玄武岩为黔西南丰富的矿产形成带来大量的成矿物质。同时在中、晚二叠世形成贵州西部的西北高、东南地的地貌格局。其次,特殊喀斯特洼地形成有利地球化学屏障:由于峨眉地幔热柱的活动,中、晚二叠世在黔西南形成沉积环境主要是错落有序的碳酸盐台地和台盆（台沟）沉积格局。台地上发育海相浅水碳酸盐岩,台盆（沟）内则为深水或相对深水的钙泥炭质沉积及火山碎屑沉积,而在一些高位孤立台地边缘,则出现生物碳酸盐岩隆,特别是生物礁（滩）发育,构成了黔西南颇有特色的台-盆（沟）沉积模式。早二叠世茅口期末,黔西南广泛存在沉积间断。据研究,此间断面遭受了至少40万年的风化剥蚀。因碳酸盐岩裸露溶蚀,区域上形成了起伏不平的喀斯特地貌（但矿区范围内喀斯特洼地变化不大）。一个个大小不等,底部高低不平,同时被溶锥、溶丘隔开的水盆地,是一个个不同的地球化学突变带导致化学元素浓集的地段。这种复杂的喀斯特地貌形成正值峨眉山玄武岩浆活动期,其猛烈爆发和溢出流入这些水盆地,使这些水盆地具有一定的温度和压力,形成一种低温低压相对封闭的水盆地;滚落或溢流进水盆地的玄武岩屑或岩浆,经水解等作用形成成矿元素富集。晴隆沙子钪矿的成矿物质就是这样从峨眉山玄武岩中被大量水解萃取出来。再者,钪的迁移富集过程:经对晴隆沙子地区玄武岩矿物学、钪的赋存状态、常量元素、微量元素地球化学特征、钪元素地球化学特征等研究,得出:贵州西部地区峨眉山玄武岩中主要暗色矿物辉石中钪含量较高,玄武岩中Sc⁺³不等价置换Fe²⁺、Mg²⁺存在于玄武岩辉石中,不能形成钪的独立矿物。贵州晴隆地区,二叠系中统茅口组灰岩受峨眉地幔热柱活动地壳抬升的影响,其顶部裸露地表产生风化、剥蚀,发生岩溶作用,形成喀斯特高地与喀斯特洼地的古地貌。因近滨岸潮坪,喀斯特洼地部分有积水。贵州西部地区峨眉山玄武岩富钠贫钾,Na₂O 5.33%、K₂O 0.17%。富含钠的长石等在喀斯特洼地水体中浸变解体,K⁺进入粘土矿物中,Na⁺溶解于水中,使区内有特殊的弱碱性水的喀斯特洼地地球化学障。加上该弱碱性水的岩溶洼地在地表氧化带,有充足的O₂,这种喀斯特洼地水体被喀斯特高地地貌隔开,是一个个相对孤立的弱碱性水域,是特殊的地球化学障;同时晴隆沙子矿区所在位置正置弥勒—师宗断裂影响带上,是局部热源区;同时,峨眉山玄武岩喷发高温火山物质落入喀斯特洼地水解形成地表低温热水。根据喀斯特洼地火山碎屑沉积物厚度推测,当时的水体有数十米深,成为具有一定静压力的低压,这样的低温低压环境,为区内载钪的锐钛矿的形成提供了必要的环境条件。贵州晴隆地区于晚二叠世龙潭早期,正置滨岸潮坪相带上,峨眉地幔热柱活动导致地壳抬升的同时,伴随峨眉山玄武岩浆强烈喷发。峨眉山玄武岩火山喷发物滚落流入一个个弱碱性、低温低压喀斯特洼地水体中,势必浸变解体,暗色矿物辉石解离成绿泥石等,辉石中的Sc⁺³几乎全部析出迁移进入水体,形成Sc（OH）₃或Sc₂O₃胶体或络离子被粘土矿物、氧化铁、锰土吸附,形成载钪的锐钛矿和被粘土矿物、氧化铁、锰土大量吸附钪的钪矿体,其上再接受后续物质的沉积。最后,表生条件下钪的再富集过程:晚二叠世龙潭早期在特殊的喀斯特洼地形成载钪的锐钛矿和被粘土矿物、氧化铁、锰土大量吸附钪的钪矿体。这些钪矿体经过后续地层物质沉积覆盖,以及漫长地质演化。经过喜山期的地壳快速抬升,在新生代表生条件下这些钪矿体经过长期的风化、淋滤、成土作用。这些钪矿体在成土作用过程中,由于钪被粘土矿物等吸附基本不迁移,而其它活动性强的杂质被迁移去除,钪矿体及围岩进一步红土化,钪矿在常温常压下、在原地及附近被稳定保存,钪矿体中大量活动性强的杂质被淋滤,钪得到进一步富化再富集,形成晴隆沙子残坡积型钪矿床。通过上述诸多方面的归纳分析、剖析论证、综合研究,“黔西南晴隆沙子独立钪矿床成矿过程研究”博士论文取得一些主要成果:1、晴隆沙子钪矿矿体赋存于二叠系中统茅口灰岩喀斯特不整合面之上的第四系残坡积红土中,钪矿工业矿体产于1338.90¹498.45m标高的喀斯特丘丛及平缓斜坡上的三个微型洼地中。已探明的工业矿体三个,呈北东南西向排布,依次编号为:（1）号钪矿矿体、（2）号钪矿矿体及（3）号钪矿矿体。2、晴隆沙子钪矿石主要为红色、黄色粘土及亚粘土,粘土中常含玄武岩、硅质灰岩、硅质岩、铁锰质粘土岩及凝灰岩等角砾。矿石中金属矿物主要有锐钛矿、褐铁矿;脉石矿物主要有高岭石,其次是石英、绢（白）云母、绿泥石、斜长石、锆石等。矿石中未发现钪的独立矿物,晴隆沙子矿中,Sc赋存状态是以离子形式吸附存在于粘土矿物及褐铁矿中,以类质同象形式赋存于锐钛矿中。3、通过晴隆沙子矿常量元素地球化学特征、稀土元素地球化学特征、微量元素地球化学特征、锆石形态特征、微量元素、U-Pb年龄、Hf同位素以及新鲜玄武岩、蚀变玄武岩和红土中磁铁矿的Fe同位素组成等研究,可获得如下认识:（1）晴隆沙子钪矿区的矿化红土、蚀变玄武岩、枕状玄武岩以及灰岩的稀土元素配分模式看出,晴隆沙子钪矿中赋矿红土为玄武岩风化的产物,而与下伏的茅口组灰岩没有成因联系。（2）晴隆沙子矿中的锆石外形呈棱角状或次棱角状,暗示锆石没有经过远距离的搬运,微量元素特征表明其为玄武岩岩浆锆石;（3）晴隆沙子钪矿中的锆石U-Pb年龄为259Ma,与峨眉山大火成岩省的主喷发期一致;（4）晴隆沙子钪矿中的锆石Hf同位素组成与其他峨眉山大火成岩省玄武岩锆石基本相同;（5）晴隆沙子钪矿的成矿物质来源于峨眉山玄武岩,矿石中形成正相关水平较高的Sc—TiO₂—Cu—Fe—Mn的元素组合;（6）磁铁矿Fe同位素组成中可以看出,a.Fe离子由二价铁变成了三价铁,表明晴隆沙子矿床的红土是玄武岩母岩在氧化环境下,蚀变玄武岩具有较低的δ⁵⁶Fe值,同时Fe的含量与新鲜玄武岩几乎相同,说明整个体系为原位水解风化。b.根据Fe同位素温度计,本次获得的蚀变玄武岩中磁铁矿的铁同位素组成,推测蚀变流体的温度在70°C至80°C之间。c.含钪红土中δ⁵⁶Fe值有明显降低,但铁含量有明显增加,说明是其他元素如Si、Na、Ca等在水解风化过程中丢失的结果;易溶元素的迁移,是不易溶元素比如Fe、Ti、Sc富集的主要原因。（7）从矿化红土中锆石的形态、年龄特征、Hf同位素组成,推断峨眉山玄武岩是其母岩。玄武岩的风化水解可能是形成红土的主要原因,蚀变玄武岩被当做了玄武岩风化水解成红土的中间产物。推断,晴隆沙子钪矿床的红土的形成与峨眉山玄武岩的水解风化有关。在氧化条件下,玄武岩与80°C（或温度更高）的流体反应,斜长石和单斜辉石被彻底分解,形成高岭石,同时释放的Fe²⁺被就地氧化为Fe³⁺沉淀,形成新的铁的氧化物。Sc等成矿元素在水解过程中释放出来,被铁的氧化物所、粘土矿物等吸附,随着易溶组分的流失,在残留相中得到了相对富集。4、晴隆沙子独立钪矿矿床的钪矿只有在氧气供应充分、低温低压及弱碱性的环境下才能形成。因此,钪矿的形成必须具备以下5个地质条件:（1）物源比较单一:峨眉山玄武岩可能是其唯一的母岩,是提供钪矿形成的物质来源;（2）风化较为彻底:斜长石、单斜辉石和钛铁矿可以完成水解,形成粘土矿物和铁氧化物时,使成矿元素重新分配,随着易溶元素的流失,不易溶的元素如Fe、Ti、Sc相对富集;（3）有大量热的流体参与:Fe同位素组成表明,与玄武岩发生交代反应的流体温度应该在70-80°C,甚至可能更高。热的流体第一是能加速矿物风化水解;第二流体有利于锐钛矿的形成;第三能带走大量的易溶物质,有利于不易溶元素的相对富集。（4）氧化环境:铁同位素组成和全岩铁含量变化表明,由单斜辉石分解释放的Fe²⁺被原地氧化成Fe³⁺,然后沉淀下来了;而且钛铁矿分解成锐钛矿,亦需要氧化环境。（5）低温低压及弱碱性介质氧化环境长期存在,且该体系中成矿物质为原位风化水解,未发生成矿物质的带入和带出,使载钪矿物——锐钛矿能稳定存在。5、晴隆沙子钪矿矿区满足钪矿形成的5个地质条件。晴隆沙子钪矿区有形成钪矿的物质来源,即形成钪矿矿床的钪来源于峨眉山玄武岩。贵州晴隆地区于早中二叠世茅口晚期,正置滨岸潮坪相带上东吴运动地壳抬升的同时,伴随峨眉山玄武岩强烈喷发,峨眉山玄武岩火山喷发物滚落流入水体中势必浸变解体,暗色矿物辉石解离成绿泥石等,与辉石等矿物呈类质同象形式存在的钪以Sc³⁺几乎可全部析出进入水体,为区内钪矿的形成提供了丰富的钪来源。贵州晴隆地区二叠系中统茅口组灰岩受峨眉地幔热柱活动地壳抬升的影响,其顶部裸露地表并发生岩溶作用,产生一个个相对孤立的喀斯特高地与喀斯特洼地的古地貌,形成一个个特殊的地球化学障。因近滨岸潮坪,喀斯特洼地部分有积水。晴隆沙子地区玄武岩富钠贫钾,富含钠的长石在喀斯特洼地水体中浸变解体,K⁺进入粘土矿物中,Na⁺溶解于水中,使区内有特殊的弱碱性水的喀斯特洼地地球化学障。加上该弱碱性水的岩溶洼地在地表氧化带,有充足的氧气,为钪矿（TiO₂）的形成准备了充分的条件。区内成矿期峨眉山玄武岩浆喷发期是局部热源区,再者,峨眉山玄武岩喷发高温火山物质落入喀斯特洼地水解形成地表热水。根据喀斯特洼地火山碎屑沉积物厚度推测,当时的水体有数十米深,具有一定的静压力,为低温低压环境,满足钪矿的生成条件。6、对晴隆沙子钪矿床成矿过程研究知,整个成矿过程分为两个成矿阶段。晚二叠世龙潭早期“喷流”热水沉积阶段:是该矿床的主成矿期。晴隆沙子一带二叠系中统茅口组灰岩顶部因近滨岸潮坪,有多个古地貌喀斯特高地与喀斯特积水洼地。晚二叠世龙潭早期的峨眉山玄武岩浆强烈喷发,在晴隆沙子一带喷发数量不多的峨眉山玄武岩浆滚落流入水体形成厚度不大的玄武岩层,它们与几十米深的海水发生强烈的浸变解体,正因为这些玄武岩厚度不大,使玄武岩在海水中得到充分的海解,辉石等矿物解离、萃取释放出大量的Sc³⁺及Ti⁴⁺聚集于茅口组灰岩顶部古喀斯特积水洼地中;富含钠的长石等在喀斯特洼地水体中浸变解体,Na⁺溶解于水中,使区内特殊的喀斯特洼地积水呈弱碱性水,在这种有利成矿环境下,浸变解体出的Sc³⁺形成Sc（OH）₃或Sc₂O₃胶体或络离子被氧化铁、锰土、粘土矿物所吸附形成“喷流”热水沉积钪矿床。新生代表生风化-淋滤-成土成矿富化阶段:喜山期新构造运动地壳快速抬升,使晴隆沙子钪矿矿体裸露地表,这些“喷流”热水沉积钪矿床在原地及附近进一步遭受长期的风化-淋滤-成土作用,强烈的红土化作用,导致大量的活动性强的杂质被带走,钪被粘土物质吸附保留下来,钪矿体在土层中得到进一步地富化,形成残坡积型钪矿床。晴隆沙子钪矿床成因为与峨眉山玄武岩喷发作用有关的“喷流”热水沉积-残坡积型钪矿床。7、综观晴隆沙子钪矿床地质特征、形成过程及成因机理以及晴隆沙子锐钛矿矿床地质特征、形成过程及成因机理,可知,两个矿床不仅产于同一矿区,而且属于相同的矿体;不仅矿石结构构造相同,而且矿石类型相同;不仅具有相同的成矿地质条件,而且是在同一地质成矿作用过程中形成;两个矿床的钪、锐钛矿品位及规模都达到大型和独立开采程度;所以,晴隆沙子钪矿床、晴隆沙子锐钛矿矿床不仅是共生矿床,而且两个是各自独立的矿床。8、峨眉地幔热柱活动,其岩性主要是镁铁质喷出岩及其相伴生的侵入岩,因其从地幔带出多种成矿元素及其强烈的火山作用动力与能量,其活动周期长,多旋回,带来的成矿物质多,使其成矿地质作用复杂,因此重新审视峨眉地幔热柱对中国西部,尤其是对贵州西部成矿的贡献,已是若干地学者思考和研究的方向。由于峨眉地幔热柱活动的周期长,多旋回,再加上贵州西部复杂的古地形地貌,使玄武岩喷发的物质与当时地面接触的界面差异,形成不同矿产资源。“黔西南晴隆沙子独立钪矿床的成矿过程研究”论文能起到进一步启示研究者们认真审视贵州西部峨眉山玄武岩的成矿贡献及其复杂性,开拓找矿新思路,指示该地区的矿床成因研究,这是本博士论文的一大贡献。