西天山北部地区各个时代的地层发育都比较完整，从元古宇到新生界都有出露，以古生界最为发育 （表2－1）。按大地构造演化不同阶段及相应沉积特征，将研究区内的地层由老到新、由下往上进行简介。
表2－1 西天山北部地层分布表
一、古元古界
温泉群：分布于博尔塔拉河中、上游以南，别珍套山北坡，在汗吉尕山达巴特一带只有小面积出露，地层及侵入岩中混合岩化十分强烈，常形成贯入的长英质片麻岩、混合花岗岩等。上部为大理岩、结晶灰岩、绢云石英片岩，下部为黑云或二云长石混合片麻岩、黑云长英片麻岩、长英片麻岩、石墨化大理岩及绿泥白云母片麻岩、结晶片岩等，其上被中泥盆统不整合覆盖。
二、中元古界
长城系：分布于特克斯河以南、阿克苏西南地区，主要由一套绿片岩相－低角闪岩相绿片岩、片岩、板岩、千枚岩、碳酸盐岩、夹基性－中酸性火山岩和少量硅质岩组成。特克斯群分布于特克斯河以南、科克苏河以东的琼喀拉峻山一带，为一套浅变质的碎屑岩、碳酸盐岩及少量酸性和基性火山岩，与上覆蓟县系科克苏群为整合过渡关系，出露厚度5850m。特克斯群又分为三个亚组：珠玛汗萨依组、莫合西萨依组和泊仑干布拉克组。
蓟县系：主要分布于西天山博罗科努山和科克苏河东岸，由一套岩性相对单一的浅变质碳酸盐岩－碎屑岩组成。其中库松木切克组分布在契尔格地区，是区内出露最老的地层单元，为一套浅海相碳酸盐岩夹硅质岩和碎屑岩沉积，由灰岩、泥质灰岩、砂质板岩及千枚岩等组成，厚度大于2828m。
三、新元古界
青白口系：出露在西天山博罗科努山和特克斯河以南地区，为一套浅变质碳酸盐岩－碎屑岩建造。开尔塔斯群分布于库西姆契克山西和科古琴山，主要由碳质页岩、灰岩、大理岩组成，厚度3800m，分为上下两个亚群：开尔塔斯上亚群、开尔塔斯下亚群。
震旦系：出露于西天山和西南天山科古琴山－果子沟、特克斯、阿克苏－乌什等地，大部分为滨海－浅海相及陆相碎屑岩、碳酸盐岩、冰碛岩及火山岩，构成前寒武系基底的第一套盖层，主要以角度不整合覆于长城系、青白口系之上。凯拉克提组主要分布在科古琴山北部，由泥岩、粉砂岩、硅质灰岩、冰碳砾岩和砂岩组成，厚度大于1400m，分为六个组：塔里萨依组、塔尔恰特组、喀英迪组、别西巴斯套组、吐拉苏组和库鲁铁列克提组。
四、古生界
寒武系主要分布在科古琴山主脊一带，出露完整，化石丰富，是目前新疆寒武系研究程度最高的地区，其在果子沟和小铁列克一带也有出露，但出露面积小。岩相稳定，岩性变化不大，含丰富的三叶虫，主要由粉砂质泥岩、灰岩、粉砂岩、砂岩、页岩、磷块砾岩和磷块岩等组成，厚度较小。
下寒武统磷矿沟组 （厚度138m）：主要由灰绿色 黄绿色 灰色中粗粒砂岩、细砂岩、粉砂岩、少量砾岩及含砾中粗粒砂岩组成，偶夹灰岩，含磷。
中寒武统肯萨依组 （厚度157m）：本组在科古巧克以东与下伏地层磷矿沟组、上覆地层果子沟组均呈整合接触关系，在布列开上游被中奥陶统奈楞格勒达坂组以角度不整合覆盖。岩石组合主要为灰黄色、黄绿色、灰黑色中粗粒岩屑砂岩、细砂岩不均匀互层，夹灰黑色泥质硅质页岩，多含磷。
上寒武统果子沟组 （厚度小于30m）：该组与下伏地层肯萨依组呈整合接触关系，未见顶，岩石组合为薄层至中厚层灰岩、泥质灰岩、硅质泥岩。
奥陶系地层在研究区缺失下统，主要分布在科古琴山主脊、果子沟一带，与早寒武世呈整合接触，主要为一套浅海碎屑岩、碳酸盐岩建造，厚度228～650m。
中奥陶统奈楞格勒达坂组 （厚度600m）：零星分布于精河县基夫克南的奈楞格勒达坂及果子沟地区，下部为绿泥石英片岩，中上部为中基性火山岩、火山碎屑岩夹灰岩透镜体及一层锰矿。与上覆上奥陶统呼独克达坂组为不整合接触，角度不整合覆于中寒武统肯萨依组之上。
上奥陶统呼独克达坂组 （厚度798m）：由滨－浅海相碳酸盐岩及少量碎屑岩组成，分为四个岩性段。在吉尔格郎以东地区四个岩性段均有分布，第一岩性段在布列开上游以角度不整合覆于奈楞格勒达坂组之上。在彼利克溪能巴斯及其以东至吉郎得一带所见的第四岩性段，与上覆下志留统尼勒克河组呈断层接触关系。
志留系地层分布在科古琴山南坡，其下与奥陶系呈断层接触，主要岩性为泥岩、砂岩、粉砂岩、灰岩、凝灰岩等。
下志留统尼勒克河组 （厚度372m）：分布于克孜勒库拉至彼利克溪能巴斯地区，呈NW－SE向展布，与下伏呼独克达坂组呈断层接触，与上覆中志留统基夫克组为连续沉积。主要由灰色钙质砂岩、含砾岩屑砂岩、岩屑长石砂岩夹泥晶灰岩组成。
中志留统基夫克组 （厚度132m）：仅出露于克孜勒库拉以南，平面上呈带状，NW－NE向延伸，与下伏尼勒克河组为连续过渡关系，未见顶。主要岩性为灰色砾屑砂屑灰岩、亮晶粉砂屑灰岩夹少量英安质凝灰岩。
上志留统博罗科努组 （厚度522m）：分布在萨尔布拉克能巴斯和吉尔格郎一带，其下与奈楞格勒达坂组呈断层接触，其上被下石炭统大哈拉军山组以角度不整合覆盖。主要岩性为安山质或流纹质晶屑火山灰凝灰岩、沉凝灰岩、火山角砾岩、杏仁状安山岩及少量玄武岩，个别地段的底部和顶部见有灰岩和砂岩。在吉尔格郎以东千子里克等地，本组与下伏呼独克达坂组或库松木切克组为角度不整合接触关系，其上被下石炭统大哈拉军山组以角度不整合覆盖。
泥盆系地层在研究区仅见中、上泥盆统，主要分布在阿拉套山南坡、博罗科努构造带西段、阿吾拉勒火山弧东段和依连哈比尔尕山区。
中泥盆统汗吉尕组 （厚度185m）：上部为黑色暗灰色灰岩，中部为暗绿色凝灰质页岩，下部为砾岩、灰岩、长石砂岩。在温泉地区夹有玄武岩及火山角砾岩。
上泥盆统吐乎拉苏组 （厚度969m）：仅出露于吐拉苏盆地以南部分地区，主要岩性为紫红色石英砂岩、含砾砂岩、砾岩等，与下伏呼独克达坂组、上覆大哈拉军山组均为角度不整合接触关系。
下石炭统大哈拉军山组 （厚度2940m）：总体上属于上叠在早古生界构造层之上的火山岩沉积，大面积展布形成火山构造盆地，与上覆中石炭统伊什基里克组呈不整合接触，呈NW－SE向带状，构成巩乃斯复式向斜的主体，为一套复杂的海相火山喷发－沉积岩建造。地层中碎屑岩、灰岩与火山喷发碎屑岩及火山喷发熔岩交替出现，自下往上火山活动呈现增强的趋势。岩性为中酸性火山碎屑岩、中－中基性熔岩、砂岩、砾岩等。大哈拉军山组在本研究区出露了三个岩性段，其中第一岩性段在琼卓路萨依以东、吐呼拉苏以南等地均有出露，角度不整合于上泥盆统吐乎拉苏组或上志留统博罗科努山组之上。
下石炭统阿恰勒河组 （厚度1289m）：主要分布于琼阿希以西、阿希金矿以东、卡起苏下游及其以西地区，在伊尔曼得地区尚有小面积出露。主要由正常沉积的碎屑岩及碳酸盐岩组成，角度不整合于大哈拉军山组及前期地层之上，其上被上新统独山子组以角度不整合覆盖。
中石炭统伊什基里克组 （厚度303～1500m）：主要分布在博罗科努构造带和伊宁盆地附近，阿吾拉勒火山弧的则克台组火山岩建造大致相当于伊什基里克组，为一套海相碳酸盐岩和碎屑岩。分为伊什基里克组上段 （莫斯科阶组上段）、伊什基里克组中段 （莫斯科阶下段）和伊什基里克组下段 （巴什基尔阶）。该组在尼勒克县北与下伏下石炭统地层整合接触，在博罗科努山北坡伊什基里克、乌图津河一带不整合于志留系或下石炭统之上。
二叠系分布较普遍，出露面积不大，早期多为陆相火山磨拉石类，有较多的上叠裂谷产生，主要为板内局部偏碱性陆相酸性火山磨拉石建造 （博罗科努山）、上叠裂谷拉张期双峰式火山岩建造－汇聚期火山磨拉石建造序列 （伊犁裂谷），晚期几乎均为陆相红层沉积。
下二叠统乌郎组 （厚度941m）：主要分布于阿拉套山、科古琴山、伊犁盆地一带，为一套陆相中性、酸性火山岩及碎屑岩建造，下部为中酸性凝灰熔岩、安山岩、安山玢岩夹玄武岩、流纹岩、霏细斑岩及火山角砾岩、凝灰砂岩、砂砾岩，上部为安山岩、玄武安山玢岩、流纹斑岩、石英霏细斑岩等，下与科古琴山组、上与晓山萨依组均为不整合接触。
下二叠统塔尔得套组 （1014～3875m）：分布在伊犁盆地北部的新源－巩留县一带，其地层在不同位置与上石炭统朔拉克组呈断层或不整合接触。该套岩石组合为一套陆相火山熔岩、碎屑岩组合，颜色以紫灰、紫红、暗紫色为主，具杏仁构造，岩石露头较新鲜，未遭受区域变质作用，常见流纹结构、晶屑结构等。从下到上可分为五个岩性段。砂砾岩玄武岩段（P1t1）：由紫色凝灰质砂岩、粉砂岩、砾岩、玄武岩、安山岩组成，分布在塔尔得套－包尕斯达坂一带；下部钾质流纹斑岩段 （P1t2）：由灰紫色巨厚层状钾质流纹、含角砾熔岩、凝灰质细砂岩组成；下部安山玢岩玄武玢岩段 （P1t3）：由玄武玢岩、安山玢岩及凝灰质砂岩组成；上部钾质流纹斑岩段 （P1t4）：由暗紫红色流纹斑岩、流纹岩及角砾岩组成；上部安山玢岩玄武玢岩段 （P1t5）：由灰紫色、暗灰绿色玄武玢岩、安山玢岩组成，夹凝灰岩、角砾状凝灰岩及凝灰质砂岩。
上二叠统晓山萨伊组 （厚度2056m）：主要分布在阿吾拉勒山的西段，为一套陆相沉积碎屑岩建造，其下部为厚层砾岩、砂砾岩、粗砂岩、长石砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩，上部为中薄层长石碎屑砂岩、粉砂岩、泥灰岩夹碳质泥岩、砾岩。与上覆哈米斯特组呈平行不整合接触，与下伏下二叠统乌郎组呈角度不整合接触。
五、中、新生界
上新统独山子组 （厚几十米至百余米）：见于琼阿希北部地区，在研究区西北部有零星分布。由橘黄色、土黄色钙质砾岩、砂砾岩组成，不整合于阿恰勒河组、呼独克达坂组等老地层之上。
本研究区三叠系、侏罗系和白垩系地层都出露很少，第三系 （古近系＋新近系）、第四系分布于精河凹陷、赛里木湖周围及河谷、山间洼地等处，多数为冲坡积砾石、砂土，少数为湖相粉砂岩、泥岩。
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