首次全球性海相磷块岩大规模沉积发生在新元古代末-早古生代的地史转折期。中国南方震旦系、寒武系广泛分布富有机质磷块岩,下寒武统牛蹄塘组磷块岩具有Ni、Mo、U超常富集,Cu、Zn、Re、Tl等多金属富集的特征。作为瞬时灾变产物的多金属磷块岩受到国内外学者的广泛关注,但目前对多金属磷块岩的富集机制尚存在争议。因此,本文从地球化学和矿物学两方面,详细研究贵州中南村、贵州金顶山、湖南大坪、湖南大浒四个典型剖面,探讨黔北浅水沉积体系和湘西北深水体系磷块岩多金属富集机制。取得了如下认识:(1)湘黔地区下寒武统牛蹄塘组主要发育磷块岩、碳质页岩、碳质板岩、硅质岩。黔北上震旦统灯影组发育白云岩。湘西北处于陆缘裂陷环境,由于沉积时海水水深较大,上震旦统灯影组主要发育硅质岩,但局部由于古地理环境变化,海水水体变浅,发育白云岩。湘黔地区下寒武统牛蹄塘组多金属磷块岩具有U、Ni、Mo、Cu、Zn、Re、Tl等多元素富集的特征。研究区δU特征以及V/(V+Ni)-U/Th、Ni/Co-V/Cr元素特征比值图解投点结果均显示该区在早寒武世早期为缺氧的古沉积环境。(2)湘黔地区Fe/Ti、(Fe+Mn)/Ti、Al/(Al+Fe+Mn)值、U/Th、Sr/Ba特征比值以及Fe/Ti-Al/(Al+Fe+Mn)、Mn-Al-Fe、Cr-Zr、Ni-Co-Zn图解元素投点结果均表明研究区多金属磷块岩形成受海底火山作用和热水作用的影响显著。(3)研究区下寒武统牛蹄塘组多金属磷块岩具有δCe负异常和δEu的正异常的特征,La/Yb-∑REE图解投点主要落于玄武岩区内,多金属磷块岩中εNd,Nd模式年龄,碳、氧同位素特征以及δ13CPDB-δ18OSMOW图解显示正常海水化学沉积作用、生物化学沉积作用和海底喷流热水沉积作用三者混合作用是湘黔地区多金属磷块岩沉积机制,指示多金属磷块岩在形成过程中除海水正常化学沉积和生物化学沉积外,还受海底热液喷流沉积作用的影响。(4)在黔北下寒武统牛蹄塘组底部多金属磷块岩中首次发现微晶晶质铀矿,晶质铀矿呈立方体、立方体聚形、块状体填充于溶蚀重结晶磷块岩溶蚀孔洞、微裂隙和微孔隙中,并与中高温热液矿物针镍矿、辉砷镍矿、闪锌矿、方铅矿、磷灰石共生,对重新认识多金属磷块岩中铀富集过程具有重要意义。(5)湘黔地区分布的多金属磷块岩层位呈带状连续分布,厚度变化较大(2cm~5m),具有喷溢状产出特征,受扬子陆块陆源裂陷控制,本研究通过扫描电镜面扫描研究,查明黔北多金属磷块岩中高温矿物组合及铀的存在形式,为揭示扬子陆块东缘陆源裂陷环境下发生海底喷流和热水沉积作用提供新的微观证据,并为开发利用该类型非常规铀资源工艺、萃取技术提供理论依据。湘黔地区多金属磷块岩中铀多金属矿物共生组合、富集微观机制的研究成果是对世界磷块岩成矿理论的发展,是含铀磷块岩研究领域的创新性成果。在上述研究的基础上将研究区多金属磷块岩的形成归纳为以下三阶段:(1)同沉积期鲕粒磷块岩形成阶段:早寒武世早期湘西北张家界地区和黔北遵义松林地区分别位于滞留、还原条件下的陆缘裂陷和台间坳陷带中,随底层洋流上升作用,携带大量营养物质,使表层水中繁衍着大量的藻类和浮游生物,生物生产力高,在重要地质事件的作用下(全球缺氧事件)大量生物死亡下沉,形成同沉积鲕粒磷块岩。(2)海底喷流海相磷块岩溶蚀重结晶阶段:间歇性古热液喷口活动,沿深大断裂发生海底火山喷流和侵入活动,深部热源物质上涌,与海水共同形成具一定温度含多金属元素的热水溶液,进行热水循环和热水活动,溶蚀同沉积期鲕粒磷块岩,形成不规则状磷灰石和重结晶磷灰石。(3)铀多金属共沉淀析出阶段:受热液影响有机质中干酪根在发生热解、解聚、裂解的中高温热液脱碳作用过程中形成CH4、H2S还原性气体和残余碳。还原性气体还原热水溶液携带的U、Mo、Ni、Zn、Cu、Re、Tl等矿物质,导致铀多金属矿物在同沉积鲕粒磷块岩经海底喷流热水作用发生部分溶蚀和重结晶作用而产生的溶蚀孔洞、微裂隙和微孔隙中共沉淀析出,形成多金属磷块岩。