黑山铜镍矿位于甘肃省肃北县马鬃山区域的大断裂带南缘次级断裂中，庙庙井与西双鹰山之间。该矿体由晋宁期侵入的基性-超基性岩株构成，主要由角闪辉长岩和角闪橄榄岩组成。
该岩株侵入于青白口系的大豁落山群，位于中、上寒武统西双鹰山群之间的断裂带。岩株形状近似等轴扁豆状，倾向南西，出露面积约为0.25平方公里。岩体的东南端有枝状结构插入大豁落山群的白云质大理岩中。该岩体具有良好的分异特性。经过勘探控制，在岩体的东北底部和中、下部，发现了两条北西-北东走向的铜镍矿体，以及岩枝中的铜镍矿体。前者长度分别为500米和720米，宽度在20-80米和10-30米之间。这些矿体中，可见星点状、斑状浸染的黄铜矿、镍黄铁矿、黄铁矿、磁黄铁矿和紫硫镍铁矿等，一般含镍量为0.3%-0.6%，个别地方甚至超过1.0%；含铜量为0.2%-0.5%，也有个别地方超过1.0%。初步估计，该铜镍矿的储量规模达到了中型矿床的水平。其成因类型被归类为基性-超基性岩的就地熔离和深部熔离贯人的硫化铜镍矿床。
关于该矿床的地质勘查，尤其是深部矿性的评价正在进行中。最早是由甘肃省地质局物探大队酒泉物探二分队在1960年的大红山-庙庙井金属矿物探普查中，通过1:2.5万地面磁法测量发现并评价的。当时发现的Z异常跨越了3条测线，异常范围东西长约800米，宽300-500米，异常强度一般在300-600纳特之间，最高达到720纳特。现场检查发现岩体中散布着褐铁矿和孔雀石，但未引起足够重视。
1992年，甘肃地矿局酒泉地调队通过对资料的二次研究，联系到早年已发现含明显铜镍矿化的超基性岩枝的事实，推测主岩体具有更大的成矿潜力。这一推测在地质踏勘中得到了证实。随后，酒泉地调队四分队开展了更为详细的地质普查评价工作。同年下半年，甘肃地矿局物探队五分队配合地质勘查，完成了1:5000的高精度重力测量和磁法测量，覆盖了约1平方公里的区域，并完成了激电测深点和变电磁测深点以控制岩体的大致范围。
通过物探测量，AT的零值线与岩体和围岩的接触界线相吻合。在接触带上，AT迅速增高到400-800纳特，反映出接触带上蛇纹岩化对磁场的影响。南部岩体外的大理岩上AT也达到400-200纳特，表明岩体向南倾斜且延伸较大，估计超过1000米。重力布格异常的范围与岩体地表范围基本一致，异常极值位于岩体中心，很可能是深部铜镍富矿体的反映。
根据激电异常解释提供的验证孔位进行钻探，首孔在角闪橄榄岩体中深处达到镍（铜）边界品位以上，矿体垂直总厚度达378米。铜、镍品位表现出向深部变富的趋势。第二孔在距第一孔东北60米处钻进，见矿总厚度约101米，并在岩体底部发现了较富的矿层。
物探在该矿床的发现中起到了至关重要的作用：
1. 在普查阶段，通过1:2.5万磁法测量，成功发现和圈定了含矿岩体。
2. 在详查评价阶段，通过1:5000的重力和磁法测量，精确确定了岩体的边界范围和产状。结合激电测深和瞬变电磁测量，对岩体深部的含矿性做出了可靠的评价和预测，为钻探工作提供了有力的指导。
