一、大地构造位置
金川镍、铜矿床位于前寒武纪早期中朝克拉通西南龙首山隆起带南侧（汤中立等，1987），与北祁连加里东褶皱带相毗邻。
二、矿区地质
（一）地层
龙首山隆起带出露地层主要有古元古界、新元古界、泥盆系、石炭系、二叠系及侏罗系。古元古界呈北西条带状分布，由白家嘴组（
（二）构造
古元古界组成一单斜构造，倾向SW，它们被形成复背斜的新元古界所超覆。上古生界、中生界则形成同斜褶皱。
龙首山隆起带走向EW，西部转为NW向。构造的线性特征十分明显。隆起带两侧为深断裂。断裂倾角60°～70°（图2-2）。平行主断裂的次级断裂亦较发育，隆起带还有一走向NE的平推断层。在金川侵入体中常见此类断层，并切割侵入体。
（三）岩浆岩
本区岩浆活动发育。吕梁期（1700Ma），侵入体为伟晶花岗岩、斜长角闪岩，常呈小透镜体产出，往往被加里东期镁铁质岩脉切穿。含硫化物超镁铁质侵入体是由多次岩浆贯入而成的，形成时代为中元古代1508 Ma±31Ma。加里东期岩浆活动极其普遍，主要的代表性岩石为规模不等的花岗质侵入体，亦可见少量超镁铁岩、基性辉长岩及闪长岩和花岗闪长岩。
图2-1 中国岩浆熔离型铜矿床分布图 Fig.2-1 Distribution plan of liquation-type copper deposits in China
图2-2 金川区域地质图 Fig.2-2 Regional geological map of Jinchuan area
1—第四系；2—中生界-第三系；3—古生界；4—前寒武系；5—龙首山隆起带；6—花岗岩-闪长岩侵入体；7—镁铁-超镁铁侵入岩；8—断裂
1.岩体地质
金川含硫化物超镁铁深成侵入体以100交角侵位于古元古界白家嘴组的变质岩中。侵入体的Nd-Sm同位素年龄为1508Ma±31Ma（汤中立等，1992）。该岩体长6500m，宽数十米到500m不等，其两端均为第四系所覆盖，地表出露长约4500m，出露面积为1.34km2，走向为N50°W，倾向SW，倾角50°～80°，呈不规则脉状展布，它被E—NE向的剪切断裂切割为四个区段，这4个区段从西到东（图2-3）编号为Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ矿区。
Ⅲ号矿区的侵入体相对于I号矿区的侵入体被F2断层向SW方向错开达900多米，其上被40～50m厚的第四系沉积物覆盖。该侵入体长500多米，东部较宽，向西尖灭。东端部分延深至600m以下尖灭，西端延深约200m呈楔型尖灭。该侵入体倾向南，倾角60°～70°。
Ⅰ号矿区侵入体出露长约1500m，西宽东窄。西端宽达320m，东端宽约20m。向下延深大于700m。倾角较陡（70°～80°），倾向SW。
Ⅱ号矿区侵入体的长度大于3000m，东部被第四系覆盖，向西逐渐变宽，在F17附近宽度最大，达530m，再朝西，又变窄。该侵入体走向约N50°W，倾角50°～60°，倾向SW，东部倾角变缓。
Ⅳ号矿区侵入体位于全矿区最东端，长1300m，除西端位于混合岩之下外，其余均被第四系覆盖，覆盖厚度50～140m。侵入体的走向发生强烈偏转，为N80°W，倾角50°～60°，倾向SW。侵入体形态呈不规则透镜状，东部向下分叉并尖灭。最宽＞230m，向下延伸达400～600m。综上所述，金川侵入体形态受包围它的断层的性质控制。在剪切断层控制作用明显地段，侵入体向下延伸较深，且呈平板状（图2-3b）；在张性断裂发育地段，侵入体向下延伸不深，横剖面上呈漏斗状（图2-3c）。在剪切作用发育地段，岩浆分异不明显；而在张性断裂发育地段，岩浆分异作用则十分明显，各岩相均较发育。
图2-3 金川侵入体平面（a）及剖面（b、c）地质图 Fig.2-3 Geological plan（a）and section（b,c）of Jinchuan intrusive bodv
1—第四系；2—元古宇；3—二辉橄榄岩；4—斜长二辉橄榄岩；5—橄榄二辉岩；6—二辉岩；7—浸染状矿石；8—网状富矿；9—氧化矿石；10—交代状矿石；11—块状硫化矿石；12—悬挂式浸染状矿石；13—岩浆岩岩相接触界线；14—不同阶段岩相接触界线；15—断层
2.侵入体侵入阶段和岩石类型
金川含Cu-Ni硫化物岩体是一个复式侵入体，可分为三个侵入期次。
第一期为细-中粒二辉橄榄岩和橄榄二辉岩，主要产于Ⅰ、Ⅲ矿区侵入体的中、上部（西南侧），朝东南逐渐变窄，中止于F16。第二期为中-粗粒超镁铁岩分布于Ⅰ、Ⅲ矿区侵入体之中、下部，向东南逐渐变宽，成为Ⅱ、Ⅳ矿区侵入体的主岩相。第三期为中粒纯橄岩，主要产于Ⅰ、Ⅱ矿区侵入体之下部。
各期次岩体较基性的部分产于岩相中心，向外基性程度逐渐降低（图2-3）。同一期次内各岩类之间的接触界线是逐渐过渡的，而不同期次之间的接触界线则是突变的。较早期次的侵入体已经蚀变或强烈破碎，有些接触带往往被晚期岩脉所充填。
金川各类岩石的主要造岩矿物为：橄榄石、单斜辉石、斜方辉石及斜长石。橄榄石一般为半自形-自形短柱状，但当其被其他矿物颗粒包裹时，则呈浑圆状，一般Fo77%～90%，极少部分Fo91%～94%。斜方辉石主要呈他形晶产出，半自形晶少见，En80%～87.3%，成分相当于古铜辉石。在二辉岩中斜方辉石为紫苏辉石，En76.5%，斜方辉石含量少于单斜辉石。
所有岩石均已蚀变，橄榄石一般蚀变为蛇纹石和纤蛇纹石，蚀变矿物一般沿裂隙分布，在强蚀变地段则被叶蛇纹石所代替。古铜辉石常蚀变为绢石。单斜辉石一般蚀变为纤闪石和透闪石，呈单斜辉石假象出现，但其被蚀变为绿泥石时，其原来单斜辉石的结构则变得模糊不清。斜长石一般被葡萄石取代。纯橄岩蚀变较强的地方出现菱镁矿、方解石和绿泥石。
3.侵入岩的化学成分
金川侵入岩的平均化学成分相当于二辉橄榄岩的成分（表2-1），其中的Mg、Fe、Ni、Cr含量及w（Mg）/w（Fe）值（3.02～2.2）随岩石基性程度的降低而有规律的减少。Fe2+和Fe3+的含量成反比，Fe3+与蚀变强度有关。Si、Ca、Al、Na、K含量与Mg、Fe含量呈反比关系。Na2O含量一般＜0.5%，但在一些含斜长石的岩石二辉岩或橄榄二辉岩中却＞1%,w（K2O）＜w（Na2O。K2O含量在约2%的样品里＞0.3%。在极个别样品中，其含量＞1%。含Ni硫化物超镁铁岩中的Cr含量低于那些无矿的同类岩石，这反映Cr3+对单斜辉石有亲合倾向。Cr含量较低的原因可能是与其在岩石晚期蚀变阶段铬尖晶石中的Cr被Fe置换迁出形成磁铁矿有关。
表2-1 金川侵入体岩石成分（wB/%） Table 2-1 Lithologic composition of Jinchuan intrusive body（wB/%）
注：LOI——烧失量；m/f=Mg2+原子数/[（Fe3+Fe2++Mn2+）原子数]
三、矿床地质特征
（一）矿体和矿石类型
金川矿床已知有24、1、2号三个主矿体（图2-4），其Cu-Ni金属储量占整个矿床的90%以上，其余矿体储量不足10%。
金川矿床的矿石可划分为三种类型，与之对应的矿化作用为：岩浆、气成热液和热液作用。岩浆型矿石根据其离熔作用（不混熔硫化物分离）发生的地点及侵位的次序可划分为三种类型：就地熔离型矿石、深部熔离贯入型矿石及晚期贯入型矿石。气成-热液矿化主要形成接触交代矿石。纯热液型矿石主要叠加于深部熔离-贯入矿体之上，个别叠加于就地熔离矿体之上。
1.就地岩浆熔离矿石（主要为浸染状硫化物矿石）
这类矿石在金川矿床中具第二位，为有经济价值的矿石类型，呈透镜状遍布侵入体各个部分所有相带中，其长可达几百米，厚为1m至数十米，沿矿体的走向、倾向有分支复合现象，沿矿体倾向分支现象更为明显。较大矿体一般产于较富橄榄石的二辉橄榄岩中，位于侵入体中、下部。
矿石主要为浸染硫化物型。矿体中部硫化物最富，从矿体到围岩硫化物逐渐减少。主要硫化矿物是磁黄铁矿、镍黄铁矿及黄铜矿，其比率是：5.9:5.6∶1。其他硫化矿物为方黄铜矿、马基诺矿、墨铜矿。上述硫化矿物呈不规则布丁状，一般粒径约1～3mm，均匀地充填于硅酸盐矿物如橄榄石和辉石的空隙里。在矿体较下部边缘中可见由晚期阶段热液作用所形成的斑杂状矿石，这些矿石矿物以其集合体块度变化大（0.1～10cm）为特征。矿体上部镍黄铁矿和磁黄铁矿大多已被蚀变为紫硫镍矿和白铁矿、黄铁矿，但保留有残余结构。
图2-4 金川矿床主矿体纵、横断面示意图 Fig.2-4 Sketch of longitudinal and cross section of main ore body in Jinchuan deposit
1—混合岩；2—大理岩；3—斜长角闪岩；4—二辉橄榄岩；5—斜长二辉橄榄岩；6—橄榄二辉岩；7—星点状矿石：8—海绵陨铁状矿石；9—块状矿石；10—岩相界线；11—主矿体编号
2.深部岩浆熔离-贯入矿石（主要形成网状硫化物矿石）
这种矿石最重要，由其组成的矿体规模大，厚几十米至几百米，长几百米至几千米，主要产于侵入体之深部或者说是底部（图2-4）。有几个矿体位于岩体上盘，而有一两个矿体贯入到侵入体下盘。矿体形态通常呈平板状、透镜状，但也有些呈似脉状，矿体会突然变薄或变厚，分支现象更为常见。
矿体倾角时而陡于侵入体，时而又缓于侵入体，穿插于先形成侵入体的各岩相中。矿体分布不受早期分异相分布的控制。
矿体规模和位置与侵入体的分异程度和规模无关。含硫化物的岩石是纯橄岩。由岩体中部向边部，其辉石含量有所增加。硫化物集合体大小约1～6mm，充填于硅酸盐矿物的间隙里，形成网状矿石，其含量可占纯橄岩的12%～15%。局部动力和热液作用使得硫化物呈似片麻状、绒毛状、星云状构造。此类矿石的结构和矿物组合基本与就地岩浆熔离矿体相同，有发育良好的乳浊状、似火焰状、格子状、文象状和薄层状结构，它们均是离熔作用的产物。由交代作用形成的网状结构、环带结构较为常见。主要金属矿物为磁黄铁矿、镍黄铁矿和黄铜矿，其比例是4.8∶2.6∶1。在一些矿带里，Pt、Pd、Au、Ag较为富集，含量大于1×10-6。这样的矿带厚可达几十米，长几百米，向下延伸达100m。
富矿带的主要特征是：构造裂隙比较发育，矿石结构、构造及矿物组合变化较大；矿石结构既可见到网状结构，也可见到交代网状结构（矿化物呈叶片状）以及似片麻状、星云状或似云状构造；硫化物一般表现出交代熔蚀结构、残留结构；硅酸盐矿物一般被强烈蚀变为蛇纹石、碳酸盐和滑石，形成纤蛇纹石-滑石-菱镁矿集合体。
铜矿物特别是方黄铜矿，在富矿带中明显增加，甚至可达硫化物总量一半以上，这些富矿带正如图2-4所表明的那样，富集了包括Cu在内的Pt、Pd、Au、Ag、Se等元素，上述这些元素主要以砷化物、自然元素、金属混合物、碲化物、铋化物、锑化物形式存在于主矿物里。Co主要以固溶体形式存在于镍矿物中，w（Ni）/w（Co）值为41,Ni-辉砷钴矿与Fe-Ni-辉砷钴矿一般很少见到。Se往往在硫化物中替代S。
3.晚期贯入矿石（主要形成块状硫化物矿石）
这类矿石位于侵入岩最深部位的深部熔离-贯入矿体底部或其与围岩接触带。矿体通常以不规则状透镜体或脉体群形式出现，长约几米至几百米，厚数十厘米至20m，狭缩—膨胀变化突然。块状硫化物是这类矿石的主要类型，矿体边部或末端有时出现次块状、角砾状矿石。角砾成分包括原生网状结构矿石、辉绿岩及其他围岩。块状硫化矿石的脉石矿物含量不超过2%，主要以绿泥石集合体为代表。矿石的金属矿物是磁黄铁矿、黄铁矿、黄铜矿、镍黄铁矿、紫硫镍矿及少量磁铁矿、赤铁矿、硫铁铜钾矿。磁黄铁矿（黄铁矿）、镍硫化物和黄铜矿三者间含量之比为4.3∶1∶1。这种类型矿石中镍硫化物含量比其他类型矿石低。它们是在岩浆晚期温度较低的环境中形成的。
4.接触交代矿石
这类矿石部分产于侵入体上盘或围岩的捕虏体里，但主要产于侵入体之下盘。规模较大的矿体长约几百米、厚几米至几十米，呈层状、透镜状或者似囊状紧靠含硫化物侵入体，或与围岩整合产出。矿体主要由稀疏浸染状—稠密浸染状、网状矿石组成。侵入体附近Ni含量最高，远离侵入体，Ni含量降低。Cu与Ni情况相反。矿石中的主要硫化矿物为磁黄铁矿（＋黄铁矿）、镍黄铁矿（＋紫硫镍矿）及黄铜矿（＋方黄铜矿、墨铜矿），它们之间的含量比为1.2:0.7∶1。磁铁矿和赤铁矿＜1%，马基诺矿很少出现。硫化矿物呈半自形或他形，罕见条纹交代结构、交代假象结构以及出溶结构。围岩经过交代作用，也可形成矿体。这些围岩包括大理岩、片麻岩及斜长角闪岩。大理岩常蚀变为含钙铝榴石的透辉岩、透闪岩及绿泥片岩。蚀变作用主要围绕矿体的外侧分布。
（二）矿石成分
1.矿石矿物成分
主要金属矿物有磁黄铁矿、镍黄铁矿、黄铜矿、方黄铜矿、马基诺矿、墨铜矿、紫硫镍铁矿等，以及自然金、银、自然铂及多种上述元素合金，各类碲化物、铋、锑、砷化物类矿物，铬尖晶石类矿物。脉石矿物主要有贵橄榄石、古铜辉石、顽火辉石、透辉石、蛇纹石、拉长石等。
2.矿石化学成分
金川矿床中，矿体占整个侵入体总体积的43%。整个侵入体平均含Ni 0.42%、Cu 0.23%、S 1.74%。
金川矿床各类矿石中w（Ni）/w（Cu）值为0.61～2.97，平均1.29。块状矿石中w（Ni）/w（Cu）值最高。热液矿石比值最低为0.61。
金川矿区中铂族元素平均含量较高。各矿区铂含量平均（0.05～0.64）×10-6，且铂、钯含量高于锇铱钌铑，其比值为2.0～7.45，在斑杂状矿石中极个别样品铂高达81.67×10-6（李文渊，1996）。
（三）矿石结构构造
金川铜镍矿矿石结构、构造多样。岩浆就地熔离矿体，矿石结构以半自形至他形粒状结构为主，次为交代结构、交代残余结构；矿石以稀疏浸染状构造为主。岩浆深部熔离-贯入矿体矿石为半自形、他形粒状结构、乳浊状结构、格状结构、交代结构、叶片状结构。矿石以海绵晶秩构造为主，局部有星云状和云雾状构造。晚期贯入矿体矿石结构以半自形粒状结构为主。矿石常见构造为块状构造。其他类型矿石前已叙及不赘。
（四）围岩蚀变特征
岩浆期形成的矿体主要受自变质及后期热液作用影响而常发生见蛇纹石化、碳酸盐化、滑石化。接触交代型及热液叠加型矿体中局部出现夕卡岩化、绿泥石化。围岩为大理岩时，常见钙铝榴石、透辉石、透闪石岩。
（五）物化探异常特征
金川岩体所处的构造岩浆带上，有一个明显的重力梯度密集带，重力梯度值达25mg/km，该岩浆岩带磁场强度（△T）一般为200～400nT，最大值700nT。在铜镍矿体上激电异常明显，ηs值一般大于5%，最高可达12%。
含矿岩体地表具明显土壤化探异常，内、中、外分带明显，以Cu、Ni、Cr三元素为主，并伴有Co、Sr等元素异常。
四、成矿条件
（一）同位素特征
矿床中不同期次各类矿石中硫同位素δ34S为1.06‰～2.53‰，与陨石硫接近。硫可能来自上地幔。
岩体的87Sr/86Sr较高为0.702547～0.711761，有的投点落在大陆壳演化线上，说明岩浆可能有地壳锶污染。143Nd/144Nd为（0.511800±10）～（0.512064±12），接近或大于球粒陨石，说明岩浆源发生过局部熔融。
金川岩体Sm-Nd等时线法测年为1508Ma±31Ma。
（二）成矿物理化学条件
据造岩矿物理论估算、造岩矿物熔融试验、熔融包体等方法测定：橄榄石液相线温度为1400℃，固相线温度为1200℃；辉石、斜长石在1100℃开始晶出。岩浆就位深度为10～15km，岩浆房深度在30km以下。硫化物初始熔离温度为1400～1500℃，硫化物呈单硫化物固溶体晶出温度为1000℃，到600℃以下发生固溶体分解，热液叠加作用发生在414～488℃左右。
五、矿床成因模式
（一）成矿阶段
含硫化物岩浆上升和贯入可分为4个连续阶段，即：硅酸盐岩浆阶段；含硫化物岩浆阶段；富硫化物岩浆阶段和硫化物熔融阶段。各阶段有如下特征：
第一阶段的硅酸盐岩浆仅形成少量由稀疏浸染状硫化物组成的矿体，呈小的悬挂凸镜体，位于侵入体西段的中、上部（图2-3b）。
第二阶段，含硫化物岩浆形成由稀疏浸染状硫化物组成的厚层状和凸镜状矿体，位于侵入体之中下部（图2-3c），其Ni、Cu储量占矿段储量的10%。
第三阶段的富硫化物岩浆贯入后，形成网状结构矿体，它呈大的凸镜体位于侵入体下侧（图2-3b、图2-3c），其Ni、Cu储量占矿段储量的85%。
第四阶段，硫化物熔体主要贯入到具网状结构矿体的底部裂隙里或其最底部（图2-3c），仅个别情况下，硫化物熔融体可贯入到其顶部、上盘或下盘。此类矿体呈脉状、透镜状、囊状，由块状硫化物组成，其Ni-Cu储量占矿段总储量的1%。
另外，在靠近侵入体底部和上部接触带的围岩里，以及侵入体的围岩捕虏体里，可见到接触交代矿体，它占矿段Ni-Cu储量的1%～2%。还可见到热液叠加型矿体，产于原生网状结构矿体，尤其是稀疏浸染型矿体里，此类矿体一般以富Cu、Pt、Pa、Au、Ag和Se为特征。
各类矿体的w（Cu）/w（Cu+Ni）、w（Pt）/w（Pt+Pd）值如表2-2。
表2-2 金川矿石类型有关元素含量比值 Table 2-2 Content ratio schedule of some elements of ore in Jinchuan deposit
（二）综合模式
以目前所获的金川矿床地质和成分特征为基础，提出下列成因模式：
含铁超基性岩浆起源于地幔，上侵于地壳大于10km处（图2-5a）的岩浆房里，原始岩浆的体积比现在的侵入体的体积至少大3倍。
图2-5 金川镍铜矿床成因模式 Fig.2-5 Metallogenic model of Jinchuan Ni-Cu deposit
1—硅酸盐岩浆；2—含硫化物岩浆；3—富硫化物岩浆；4—硫化物熔融体；5—接触交代矿化；6—热液叠加矿化
地幔岩浆在上升到地壳中的岩浆房里后，在1700～1400℃范围内，不混溶流化物熔融体发生分离作用，橄榄石发生结晶分异作用（图2-5b）。熔离后的硫化物熔体聚集，在重力作用下，下沉于岩浆房底部，而大量的橄榄石也结晶。并沉淀于硫化物熔融体之上，继之而来的岩浆中继续分离出来的硫化物熔融体又沉淀于橄榄石晶体之间，从而形成网状结构矿石层。一些硫化物微滴分离更晚，从而停滞悬浮于岩浆体之上部。这样，一个无矿岩浆—含硫化物岩浆—富硫化物岩浆—硫化物熔融体（下降系列）的分层模式便在岩浆房中形成。
当岩浆房的温度在1400～1200℃期间，仅橄榄石继续结晶，硫化物保持其熔融状态，在脉动式构造应力驱动下，无矿岩浆—含硫化物岩浆—富硫化物岩浆—硫化物熔融体依次上升（图2-5c），侵位于地壳10～15km处，形成现存的矿体和岩石。下地壳岩浆房上部的岩浆上侵到一处或多处位置。接着，上述的无矿岩浆—含硫化物岩浆—富硫化物岩浆及硫化物熔融体呈脉支式依次上侵到前面未固化的侵入体的位置。每次脉动式上侵都是沿早先形成的岩体下侧进行的，因为是该位置代表了一软弱带，利于岩浆上侵。
无矿岩浆和含硫化物岩浆在低于1200℃条件下继续就地结晶（Kudo和Weil,1970;Hakli和Wright,1967；中国科学院地球化学研究所，1981），依次形成古铜辉石、顽火辉石、拉长石，深部带上来的稀疏的硫化物微滴以及被封存于橄榄石间的或晚期结晶矿物间的就地熔离形成的硫化物微滴，在悬挂式板状矿体里形成稀疏浸染状矿石。
上述4种熔体侵位后，其中的挥发分随着温度降低以及结晶作用的断续进行而增加，最终挥发分聚集，导致自变质作用发生。原生的橄榄石和辉石被蚀变，形成蚀变矿物集合体，包括蛇纹石、角闪石及绿泥石。硫化物通过渗滤-扩散作用以及交代作用，侵入到围岩以及接触带附近围岩捕虏体中（图2-5d）。受影响的围岩（主要是碳酸盐岩）被混染交代形成夕卡岩包括透闪石、绿泥石、少量钙铝榴石、硅镁石和其他接触交代矿物。上述接触交代作用进行温度可能为600～480℃。因为矿石成分来自于侵入岩中的硫化物，故未发现岩浆矿石与接触交代矿石中硫化矿物集合体间的差别，只是后者铜矿物的比例较高。随着挥发分的进一步聚集，挥发流体中成矿成分的比例有所增加。在构造应力的驱动下，这种高挥发分的流体贯入到网状矿体及浸染状矿体里的局部构造软弱带中（图2-5c），形成具有热液叠加特征的矿体。此种热液成矿作用可使原生的网状矿石变为毡状、星云状矿石，也可使稀疏浸染状矿石变为斑杂状矿石。它也使得硅酸盐矿物发生强烈的蛇纹石化。铜矿物特别是方黄铜矿的比例相对于总的硫化矿物增加了约一半，而且这类矿体里的Pt、Pd、Au、Ag及Se的相对丰度也显著增加。其中Pt、Pd是以砷化物、碲铋化物、碲化物的形式产出，而Au、Ag是以显微和微细粒（0.076mm）自然金和银金固溶体形式存在。硒主要是以硫化物中硫的替代物形式出现。总之，该矿化阶段是以热液叠加为特征的，这主要表现为岩浆硫化物矿石中的Cu、Pt、Pd、Au、Ag和Se明显富集，该阶段的矿石里磁黄铁矿和黄铜矿的平衡温度为189～339℃。
含矿侵入体就位时代为1500Ma。成矿后，该区经历了漫长而复杂的地质演化过程，表现为明显的地壳隆起和剥蚀。到第四纪，大多数已知含硫化物侵入体已暴露于地表，侵入体西部矿体较浅，暴露部位遭受氧化作用，在镍铜硫化物矿床上形成氧化带，而东部的侵入体中的矿体从未暴露过，它们的最大埋深达300m。