一、大地构造单元
矿区属扬子准地台下扬子台褶带，为古生代—中生代三叠纪的坳陷带，是地幔上隆和地壳结构较薄弱的部位。
二、矿区地质
（一）地层
矿区内出露地层以中下三叠统大冶灰岩为主，次为二叠纪硅质页岩。中下三叠统大冶灰岩，由下而上按其岩性可分为三层：
（1）灰黑色薄层泥质灰岩与页岩互层，该层在接触带附近变为条带状石榴子石透辉石大理岩；
（2）灰黑色中厚层纯灰岩；
（3）含少量白云质（MgO 1.5%～5%）厚层灰岩，中夹数层厚约2030m的灰质白云岩（MgO 15%～18%）。第3层为铁山矿床主要成矿围岩，相当于嘉陵江组层位。上述碳酸盐围岩受岩浆侵入影响，发生接触热变质作用，不同程度地遭到大理岩化。
（二）构造
矿区的主体褶皱构造为铁山背斜，轴向NWW，由一系列次级褶皱组成。由于断裂的破坏和侵入体的热动力作用，使褶皱形态复杂化，总的看来，南翼倾角较缓，北翼较陡，并由局部倒转和被后期NNE向褶皱叠加的现象（图2-119）。铁山矿床位于该复式背斜的北翼。断裂主要有两组，一组为NW—NNW向，具有多期活动的特点，以压性和压扭性为主，复合在铁山岩体南缘接触带的NW向断裂控制了铁山矿床矿体的展布。另一组断裂为NNE向，主要为压性，形成时间晚于NW—NNW向断裂，对矿体的控制作用也较弱。此外还有NE向和NEE向断裂。
图2-119 大冶铁山铁铜矿床地质略图 Fig.2-119 Schematic Geological map of Tieshan Iron-Copper Deposit,Daye
1—大理岩；2—白云质大理岩；3—条带状透辉石石榴子石大理岩；4—含角页岩条带之大理岩；5—含石英闪长岩；6—含黑云母辉石闪长岩；7—透辉石夕卡岩；8—铁（铜）矿体；9—铁锰矿体
（三）侵入岩
铁山岩体位于保安复式背斜和碧石渡向斜公共翼上，受NWW向和NE向断裂控制，沿下三叠统大冶群和上三叠统蒲圻群界面侵入（中统地层被岩体侵入占据），呈NWW向展布，长约27km，宽4～8km，出露面积145km2，为深部向四周扩大的岩基。
铁山岩体是由石英闪长岩、正长闪长岩（二长闪长岩）、闪长岩和花岗闪长岩等组成的多次侵入的中偏酸偏碱性侵入杂岩。各岩性分布具有一定规律，自中心向边缘呈环带分布：
（1）中心部分：由斑状花岗闪长岩组成，出露面积约6km2。岩石为浅灰-肉红色，不等粒斑状结构。斑晶为条纹长石和钾长石，基质为斜长石、石英、钾长石。副矿物有磷灰石、榍石、磁铁矿和锆石。
（2）过渡部分：为正长闪长岩和石英二长闪长岩，是岩体的主要岩相，其结构由内向外从粗中粒变为细粒，且具流线构造。岩石由更长石、条纹长石和角闪石组成。
（3）边缘部分：由石英闪长岩、斑状石英闪长岩和黑云母辉石闪长岩组成。前者分布于岩体南部。黑云母辉石闪长岩主要分布于铁山岩体南缘尖山、狮子山和铁门坎矿段的地表，其生成比石英闪长岩要晚，岩石外表为绿灰色，中-细粒结构，主要矿物有斜长石、条纹长石、单斜辉石、黑云母，含少量石英和角闪石。
铁山岩体是燕山期（同位素年龄128～165Ma）多次侵入的复式杂岩体。依各期侵入体的接触关系，参照同位素地质年龄资料，各类岩石的侵入顺序大致是：斑状含石英闪长岩、石英闪长岩→粗斑含石英闪长斑岩→黑云母辉石闪长岩→斑状花岗闪长岩。
铁山岩体不同岩石类型的岩石化学成分见表2-77。基于对铁山岩体150余个岩石化学分析资料的统计和详细岩相学研究，认为铁山岩体属富碱质的多阶段侵入杂岩，各期侵入岩岩石化学成分有循序演化的特点。岩系的皮克指数为54.7，里特曼指数δ介于3～6，表现出碱钙性岩系的特征。各类岩石查瓦里茨基α（每类岩石平均值）介于15.96～18.10，反映出铁山杂岩是富碱的岩浆体系。岩浆中低铁镁组分的特性，可视为我国夕卡岩铁矿床有关岩浆岩的共同特征，可以作为一种重要的找矿标志。这可能与岩浆演化过程中铁质较多地转移到流体相以及在蚀变过程中岩体铁质活化迁移的双重作用有关。铁山杂岩体早期岩相属正常系列，而燕山晚期侵入岩铝的含量增加，向铝饱和方向转化。
表2-77 铁山侵入体主要岩类化学成分（wB/%） Table 2-77 Chemical composition（wB/%）of main rocks in Tieshan intrusion
分析者：中国地质科学院岩矿测试技术研究所
通过不同侵入阶段的岩石岩相学和岩石化学特征的对比，可以看出，铁山杂岩是一个硅酸不饱和—弱饱和的岩浆正常演化系列，表现早期阶段富Ca、Mg，燕山早期的晚期阶段富Fe、Na，燕山晚期阶段富Si、K、Na。Fe在燕山早期的晚期阶段最高。铁山杂岩体具有高的[Fe3+]/[Fe2+]值，反映出成岩过程中高的氧逸度环境，晚期岩体中w（Fe2O3）/w（FeO）有所降低，这种特点决定了铁主要分布于氧化物相中，而晚期岩体中硅酸铁的比例有所增加，早期岩体具有高的w（Na2O）/w（K2O）比，而晚期岩体Na含量锐减，这可能促使钠在岩浆演化的早期高温阶段就进入流体相，造成本区强烈的钠化。
三、矿床地质
（一）矿体形态分布及形态产状特征
铁山矿床共由六大矿体组成（图2-119），自东向西依次为尖山（A）、狮子山（B）、象鼻山（C）、尖林山（D）、龙洞（E）和铁门坎（F）。他们均产于蚀变石英闪长岩、黑云母辉石闪长岩与大理岩或白云质大理岩的接触带，连绵延长约5000m。矿体形态变化较大，一般为似层状或透镜状，局部为囊状，后者是交代蚀变闪长岩中大理岩捕虏体的产物（图2-120）。六大矿体中除龙洞矿体向南倾斜和尖林山矿体呈平卧状外，其他都向北北东向倾斜，但在深部有的矿体又转向南倾斜，转折部位在0～—200m标高处。矿体沿倾斜长度多在100～450m不等，延伸最大是龙洞和狮子山矿段，分别为—620m和—615m标高，但最主要的矿体赋存在—100m标高以上。矿体厚10～80m，局部可达180m。
图2-120 大冶铁山狮子山矿体地质剖面图 Fig.2-120 Geological Profile of Shizishan ore body in Tieshan Iron-copper deposit,daye（据赵一鸣等，1965）（after Zhao Yiming,1965）
1—大理岩；2—脉状钠长石化含石英闪长岩；3—钠长石化透辉石化含石英闪长岩；4—弱方柱石化钠长石化闪长岩；5—致密细粒透辉石钠长石交代岩；6—闪长玢岩岩脉；7—反条纹长石化、方柱石化含黑云母辉石闪长岩；8—碳酸盐化钠长石化闪长岩；9—高铜高硫磁铁矿石；10—含铜赤铁矿矿石；11—低铜磁铁矿石
（二）矿石类型、组分及矿床成因类型
矿石的金属矿物主要为磁铁矿，次为赤铁矿、假象赤铁矿、菱铁矿、黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿，有少量斑铜矿、白铁矿、闪锌矿，在氧化带还有水针铁矿、孔雀石、铜蓝、辉铜矿、赤铜矿等。脉石矿物主要为绿色云母（含铁金云母）、透辉石（或次透辉石）、方解石、白云石、铁白云石和石英，局部有绿泥石、阳起石等。
矿石以致密块状构造为主，其次为浸染状和花斑状，局部见角砾状、条带状和多孔状构造。磁铁矿交代夕卡岩和大理岩、菱铁矿和金属硫化物交代磁铁矿的现象十分普遍，形成许多交代结构和构造。在象鼻山矿体中还有多孔状磁铁矿石，孔洞中有少量绿色云母和黄铁矿。这类矿石应属于高温富挥发分的含铁流体充填在张开裂隙中的产物，因为接触交代作用并不完全排除在一定围岩条件下在不同热液作用阶段局部可能发生充填作用。此外，在狮子山紧挨岩体处还可见到一角砾磁铁贫矿带，宽至数米，磁铁矿呈网脉穿插胶结被压碎的蚀变闪长岩角砾，角岩的棱角还十分清晰，说明矿石主要是以充填的方式生成的。
矿石的化学成分的特点是富铁高硫，并伴生Cu、Co、Au、Ag等有益元素，可供综合利用。铁矿石平均含TFe 53%左右，铜品位0.5%～0.7%，钴是以类质同相的形式赋存于黄铁矿中。Co、V2O5、Ni在10-4量级，Mn在10-3量级。有害组分S较高，P、As、Zn、Pb含量极低。
夕卡岩型矿石总稀土元素含量高于层孔状矿石4倍以上，前者与夕卡岩和闪长岩的总稀土含量相近，但稀土元素的分配很不相同，夕卡岩比闪长岩的轻，重稀土元素比值小得多，而浸染状矿石由于重稀土元素含量很低，轻、重稀土元素含量比值竟达38。层孔状矿石与大理岩的稀土元素含量和元素分配都有很大的相似性。
根据矿石的矿物组合、构造特征、产出地质部位及其所反映的生成条件，可大致划分5个矿床类型：①接触交代型含铜夕卡岩磁铁矿矿床；②高温气液充填型磁铁矿矿床；③高中温热液交代型含铜磁铁矿-菱铁矿矿床；④中低温热液充填型菱铁矿矿床；⑤风化淋滤型含铜褐铁矿矿床。其中以1、3类分布最广，是矿区内最重要的铁（铜）矿石。2、4类只在个别矿带发育，第5类仅见于尖山地表。上述1～4类矿床形成于同一成矿期的不同成矿阶段，相互之间有密切的时空成因联系，组成一个与燕山期中偏酸性侵入杂岩有关的铁（铜）成矿系列。
（三）围岩蚀变及夕卡岩类型
铁山矿区矿体附近的闪长岩类和碳酸盐围岩均遭强烈的接触交代作用和热液蚀变作用，形成各类夕卡岩、碱质交代岩和热液蚀变岩石。夕卡岩和碱质交代岩是接触交代作用阶段（夕卡岩阶段）的产物，其形成时间早于矿化作用，在空间上常具较明显的分带性。热液蚀变岩往往叠加在上述二类交代岩之上，但更紧挨矿体，在形成时间上则和矿化十分接近。各类夕卡岩的产出特征如下：
1.透辉石（次透辉石）夕卡岩
这是矿区内主要的夕卡岩，主要分布于狮子山、尖山、龙洞等矿段的外接触带，并常被磁铁矿矿体所交代，局部也有在内接触带蚀变闪长岩中呈脉状产出。
2.闪长岩中的脉状或网脉状石榴子石-透辉石-方柱石夕卡岩及其旁侧的碱质交代岩这类交代岩在铁山矿区分布较广，主要见于尖山、铁门坎和龙洞等矿段，在空间上和矿体关系极为密切，常在矿体附近闪长岩类内接触带产出。
3.石榴子石夕卡岩
石榴子石夕卡岩是铁山矿区重要交代岩之一，按其成分大致可分为两大类：
钙铝榴石夕卡岩：主要产于尖山矿段内带，脉状产出和硅灰石透辉石共生，属于夕卡岩早期的渗滤交代产物。
钙铁榴石夕卡岩：以棕色为特征，常呈不规则脉状交代方柱石夕卡岩或透辉石夕卡岩，也有呈网脉状交代钠长石化闪长岩的。
4.脉状硅灰石-钙铝榴石-透辉石夕卡岩
这类夕卡岩仅见于尖山矿段离矿体较远的网脉状夕卡岩带。色浅，常呈网脉沿闪长岩裂隙交代产出，形成角砾状构造。
矿床围岩蚀变比较发育。大理岩中的蚀变有石榴子石透辉石夕卡岩化，为近矿围岩蚀变，硅化、菱铁矿化和很弱的磷灰石化、赤铁矿化分布范围较广。细粒含石英闪长岩中蚀变包括强度不大的钠长石化、石英化、黑云母化、碳酸盐化和夕卡岩化。夕卡岩受到后期蚀变强烈改造，主要有透辉石化、绿帘石化、绿泥石化、石英化和碳酸盐化。黑云母辉石闪长岩中的蚀变一般比较易于识别，主要类型有钠长石化、方柱石化、金云母化、石榴子石化、透辉石化和一些夕卡岩矿物的蚀变及硅化和碳酸盐化等。钠长石化多受裂隙带控制，形成浅色蚀变网脉。夕卡岩化可以形成面型的夕卡岩，如尖山矿体，也可形成金云母-石榴子石-透辉石-方柱石组合的细网脉，可以分布于离矿体上百米的范围。
（四）矿床地球物理-地球化学异常特征（图2-121）
1.地球物理特征
磁异常形态规则，强度大，梯度北陡南缓，北部局部出现负值，形成正负相伴的异常（如尖林山）。平面上等值线时疏时密（4000nT以上密集，4000～2000nT变稀疏，2000～1000nT又密集，而1000nT以下稀疏），反映了由深部磁性体（矿体）所引起的叠加异常特征重力异常由南东到北西，由2～0mg的台阶式的叠加异常，矿体对应于重力异常过渡带。只有经过正反演计算后，才能提取矿异常的剩余异常的价值。
图2-121 铁山铁铜矿区地球物理-地球化学异常典型剖面 Fig 2-121 Geophysical and geochemical anomaly profile of Tieshan iron-copper ore district
1—第四系残坡积层；2—大冶群第六段；3—闪长岩；4—夕卡岩；5—铁矿体；6—铜铁矿体；7—原生晕范围；8—地质界限；9—磁法△Z曲线；10—重力△g曲线；11—原生异常
2.地球化学特征
矿前缘见强度高、浓度分级明显、形态规则的Pb、Hg、As、Sb、Se、Te、B异常；Cu、Au、Ag、Mo为外带异常；近矿见有Cu、Ag、Au、Zn、Mo、Mn内带异常和Pb、Co、Ni外带异常；矿尾见有Co、Ni、Mn、Ag内带异常和Cu、Au、Zn、Mo外带异常。
原生晕轴向分带（自上而下）为：（Hg、As、Sb、B、Se）—Te—Au—Ag—Cu—（Fe、Co）。
简言之，矿前缘特征指示元素为：Hg、Pb、As、Sb、B；近矿特征指示元素为：Cu、Ag、Au、Zn、Mo；矿尾特征指示元素为：Mn、Co、Ni。
四、成矿条件
（一）同位素研究与矿质来源
硫同位素：据石准立（1981）研究37个样可分为4种，早期致密块状矿石中硫化物δ34S以—0.3‰～＋2.9%。为主；晚期粗晶磁铁矿共生硫化物δ34S变化范围窄5.0‰～5.9‰，均属上地幔或地壳深部来源。硬石膏、天青石、透石膏中δ34S变化范围在10‰左右，为氧逸度增高，H2S和SO2发生同位素分馏而使SO2富含重硫所造成的。而与碳酸盐共生之粗晶黄铁矿δ34S为—3.2‰～—22.3‰，故不排除其他硫混入的可能。
氧同位素：8个样品中矿石与岩浆岩中磁铁矿δ18O相似，大理岩δ18O为23‰，明显说明并非来自磁铁矿。与大理岩接触处磁铁矿δ18O增到5.69‰～6.00‰，可能为混入碳酸盐发生同位素分馏结果。
金云母铷锶同位素：87Sr/86Sr初始比值为0.7000，显示为幔源；近期三个不同期岩浆岩6个样品测定比值均接近0.7030，也说明同样结论。
（二）流体包裹体及成矿温度
铁山矿区与主矿化阶段相近的脉石矿物，如石英、方解石、磷灰石、石榴子石、透辉石等的包裹体几乎只有气液包裹体，其气液比值为5%～15%，很少见高盐度的子矿物包裹体，表明成矿流体是盐度较低的稀流体。
磁铁矿的爆裂温度在300～700℃，以400～560℃为主，大于700℃为多峰爆裂样品。
矿化温度的上限可由石榴子石（58～640℃）、透辉石（545～683℃）的均一温度界定，下限由石膏的均一温度（320～340℃）和赤铁矿的爆裂温度（300℃±）界定。
（三）成矿阶段及矿床成因
野外和镜下研究，矿床的形成过程可以分为两期9个阶段：
（1）细粒闪长岩后第一期矿化 ①夕卡岩化阶段（弱）；②细粒磁铁矿阶段（主矿化）；③粗粒磁铁矿阶段；④细粒硫化物阶段；⑤菱铁矿-赤铁矿阶段。
（2）黑云母辉石闪长岩后第二期矿化 ⑥夕卡岩化阶段（强烈）；⑦中粗粒磁铁矿阶段；⑧中粗粒硫化物、石英、方解石阶段；⑨菱铁矿阶段。
该矿床的成矿方式较为复杂。一类是岩浆热液充填交代作用形成的接触交代型（夕卡岩型）矿体，含铜较富。在成岩和成矿过程中，岩体的早期钠化是铁质的就近来源之一，但铁质主要系由岩浆热液活动自深部带入。当岩浆侵入围岩，同化膏（盐）层后，使热液中钠、氯等组分增加。当含矿热液流动到岩体接触带与接触围岩发生水/岩交代作用，使含铁络合物沉淀，形成铁矿石。另外，在含矿岩浆的同化作用和分异过程中，在氟、氯等挥发组分的参与下，可有富铁熔浆从硅酸盐熔浆中熔离出来，沿着早期就位岩体接触带及附近裂隙充填贯入，形成矿浆贯入型富铁矿体。
对于富铁矿浆的成因有不同认识，有的认为矿浆是在浅部开放性构造空间中，由于含矿介质的大量蒸发，使得流体中矿质浓集而成为浆状熔体。
图2-122 陆内凹陷带中与中酸性侵入岩有关的（大冶式）铁（铜）矿床模式图 Fig.2-122 Model showing Daye-type iron（copper） deposit related to medium-acid intrusion within intracontinental geotectogene
1—砂砾岩；2—粉砂岩和灰泥岩（蒲圻群）；3—大理岩（大冶群）；4—闪长玢岩；5—正长闪长岩及花岗岩；6—辉石闪长岩；7—闪长岩；8—热液充填交代矿床；9—矿浆矿床；10—接触交代矿床；11—蚀变带；12—沉积-接触变质改造矿床；13—断裂；14—矿体产状类型编号；1a、1b—矿体内部矿床（1a—矿脉；lb—捕虏体中矿体）；2a、2b—岩体顶部矿床（2a—单层矿体；2b—多层矿体）；3a、3b—岩体侧部矿床（3a多期次接触带中矿体；3b—单期次接触带中矿体）；4a、4b—岩体外围矿床（4a—顺层矿体；4b—热液充填交代矿体）
（四）矿床模式
该类矿床成矿作用发生在中-中浅成侵入体与碳酸盐岩的接触构造带中；成矿方式既有接触交代，又有富铁矿浆贯入。在接触带构造系统的不同部位，成矿的性质、规模和矿体产状等均有不同。模式显示了与复式岩体岩浆热液活动及矿浆活动有关的各类矿体的空间组合形式（图2-122）。
五、控矿因素及找矿标志
1.控矿因素
（1）燕山期富钠中性-中酸性岩产出地段；
（2）构造隆起区与坳陷区过渡地带的深断裂发育处；
（3）含有膏（盐）层的碳酸盐岩层，主要是中下三叠统大冶灰岩；
（4）储矿构造主要是岩体接触带和断裂-接触带以及附近的层间裂隙。
2.找矿标志
（1）围岩蚀变，主要是夕卡岩化、磁铁矿化和钠化（浅色蚀变带）；
（2）航磁与地磁异常及重磁复合异常。