牛家小河金矿是沂沭断裂带内破碎蚀变岩型金矿的典型代表。通过对牛家小河金矿中矿石、围岩的岩石学特征及其主、微量元素地球化学特征研究发现,矿石NJXH-1富集Fe,Co,Ni等成矿温度较高的成矿元素,矿石NJXH-2相对富集低温成矿元素;沂水岩群成矿元素具有较高的变异系数且分布极不均匀,表明沂水岩群可能是牛家小河金矿的主要矿源层;矿石REE配分曲线均为轻稀土富集型,矿石NJXH-2与沂水岩群的稀土元素分布特征相似,矿石NJXH-2与沂水岩群具有同源性;矿石的Y/Ho特征显示成矿流体可能来自变质热液。综合分析认为,牛家小河金矿可能经历了两期成矿作用,且成矿温度存在一定差异;成矿物质可能来源于沂水岩群和燕山期花岗岩。成矿流体显示弱还原性,变质热液也可能参与成矿作用。