新疆天山地层发育齐全，从太古宇至第四系都有出露，其中古生界分布最广，构成天山的主体。晚石炭世之前，整个天山经历了大陆形成、裂解、板块活动等阶段，沉积类型基本为海相沉积；晚石炭世-早二叠世，为陆内裂谷阶段，沉积类型比较复杂，有边缘海盆及残余海槽环境形成的海相沉积，也有部分陆相沉积；中生代之后，天山主要为板内陆相沉积，仅在天山西南部见有部分海相及泻湖相沉积。 1．太古宇
新疆天山已知的太古宇，主要分布于东天山星星峡地区、库鲁克塔格的辛格尔及其以南地区，库鲁克塔格的太古宇称为托格拉克布拉克杂岩，以钠长片麻岩、变质碎屑岩、花岗质岩和混合岩类组成。研究表明，它实际上为太古宙表壳岩系的残留体，时代可能属晚太古宙。 2． 元古宇
元古宇构成天山陆壳基底的主体，在整个天山地区都有分布。
⑴古元古界
出露于博尔塔拉河南岸、那拉提山、南木扎尔特河以及库鲁克塔格等地，分别称为温泉、那拉提、木札尔特和兴地塔格，主要为一套由绿片岩相-角闪岩相斜长角闪岩、片岩和千枚岩、混合岩、片麻岩组成的变质地层。
⑵中元古界
长城系：主要为一套绿片岩相-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，分布于特克斯河以南、阿克苏西南地区、星星峡-小布鲁斯台、库鲁克塔格等地，分别称为特克斯、阿克苏、星星峡、杨吉布拉克，其中阿克苏为一套蓝闪绿片岩相变质岩，是世界上保存较好的前寒武纪蓝片岩。
蓟县系：分布于西天山博罗科努山和科克苏河东岸、东天山卡瓦布拉克-星星峡、库鲁克塔格等地区，分别称为库松木切克、科克苏、卡瓦布拉克和爱尔基干，由一套岩性相对单一的浅变质碳酸盐岩-碎屑岩组成。
⑶新元古界
青白口系：霰弹出露在西天山博罗科努山和特克斯河以南、东天山尾亚以南、北山、库鲁克
塔格等地，分别称为开尔塔斯、库什太、天湖、白玉山、帕尔岗塔格，为一套浅变质碳酸盐岩-碎屑岩建造。
震旦系：主要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，库鲁克塔格等地，主要为滨海-浅海相及陆相碎屑岩、碳酸盐岩、冰碛岩及火山岩，构成前寒武纪基底的第一套盖层，主要以角度不整合覆于长城系、青白口系之上。其中库鲁克塔格和阿克苏-乌什一带出露比较完整，库鲁克塔格地区下统划分为贝义西组、照壁山组、阿勒通沟组、特瑞爱肯组，上统划分为扎摩克提组、育肯沟组、水泉组、汗格尔乔克组；阿克苏-乌什一带下统称为巧恩布拉克组、尤尔美那克组，上统称为苏盖特布拉克组、奇格布拉克组。震旦系以冰碛岩发育为主要特征，研究表明，早震旦世可划分出两个冰期和一个间冰期。
3．古生界
⑴寒武系
分布于西天山科古琴山、西南天山柯坪凌斌 胡雪-阿克苏一带、东天山卡瓦布拉克、库鲁克塔格、
北山等地，主要为一套浅海陆棚相一台地相碳酸盐岩、碎屑岩、硅质岩沉积，其中以科古琴山、柯坪、库鲁克塔格等地出露最为完整。科古琴山一带，下寒划分为磷矿沟组、霍城组，中寒划分为肯萨依组、阿合恰特组，上寒下部为将军沟组、上部为果子沟组，为一套浅海陆棚相碎屑岩、碳酸盐岩沉积，底部具含磷层。
柯坪-阿克苏一带，下寒由下而上分为玉尔吐斯组、肖尔布拉克组、吾松格尔组，中寒分为沙依里克组、阿瓦塔格组，上寒称为下丘里塔格，主要为台地相碳酸盐岩夹碎屑岩沉积，底部具含磷硅质层。
在库鲁克塔格地区，下寒划分为西山布拉克组和西大山组，中寒称为莫合尔山组，上寒称为突尔沙克塔格，主要为一套深水陆棚相细碎屑岩-碳酸盐岩-硅质岩沉积，底部夹有火山岩并具含磷层。
⑵奥陶系
分布范围较小，出露于博罗科努山、库米什一带、柯坪、库鲁克塔格、北山等地，以博罗科努、柯坪、库鲁克塔格等地出露最为完整。博罗科努山地区分布于科古琴山南北两侧，
岩性有差异。科古琴山北侧下奥陶统称为新二台组、塔勒基河组，中奥陶统称为风沟组、科克萨雷溪组，上奥陶统精河组，主要为稳定型碎屑岩沉积；科古琴山北侧缺失下统，中统奈楞格勒达坂为中基性火山岩沉积，上统称阿克塔什组和呼独克达坂组，为一套碳酸盐岩沉积。
柯坪地区下奥陶统称为上丘里塔格，为碳酸盐岩沉积；下-中奥陶统萨尔干组为笔石页岩相沉积；中奥陶统称为坎岭组、其浪组，主要为红疙瘩状灰岩及灰黄泥晶灰岩；上奥陶统印干组为一套盆地相灰黑厚层状钙质泥岩、灰黑薄层状条带状泥灰岩与钙质泥岩互层沉积。 日落黄
尊严死库鲁克塔格地区主要为碳酸盐台地沉积，沉积特征与柯坪地区相似；在中天山可可乃克地区下中奥陶统称为可可乃克，为一套细碧-角斑岩及杂砂岩建造；库米什南中上奥陶统称硫磺山，为半深海槽盆相碎屑岩及碳酸盐沉积。
⑶志留系
志留系分布比较广泛，在南北天山及塔里木盆地周缘都有分布，沉积建造类型多样，且厚
度变化大。北天山西段博罗科努地区下志留统尼勒克组主要为陆源碎屑岩；中志留统称为基夫克组，主要为碳酸盐岩及碎屑岩；上志留统划分为库茹尔组和博罗科努山组，为一套碎屑岩及火山碎屑岩。
南天山地区哈尔克山分别为下志留统依南里克组、下-中志留统伊契克巴什组、上志留统科克铁克达坂组；吐鲁番-鄯善以南下志留统为鸟尊布拉克组、中-上志留统为牛心滩组，上志留-下泥盆统为阿尔皮什麦布拉克组。主要为一套碎屑岩-碳酸盐岩建造，常发生轻微变质。
柯坪地区上奥陶统-科目三智能考试系统下志留统为柯坪塔格组，下志留统上部为塔塔埃尔塔格组，为一套浅水陆棚-滨海相碎屑岩沉积；中志留统称为依木干他乌组，为一套潮坪-泻湖相紫红泥岩夹灰绿细砂岩及粉砂岩沉积；上志留统-中泥盆统克兹尔塔格组为一套滨海相沉积，其岩性为绛红、砖红砂岩、细砂岩。
北山地区中-上志留统称为公婆泉，为海相火山岩和碎屑岩沉积。
⑷泥盆系
分布比较广泛，天山北部泥盆系主要分布于西天山阿拉套山和依连尔尕山、东天山哈尔里克山及吐-哈盆地周缘地区。阿拉套山及博乐一带，出露中泥盆统，称为汗吉尕组，主要为陆源碎屑岩、火山碎屑岩。依连尔尕山中泥盆统称拜辛德组，以中基性火山碎屑岩为主。东天山地区下泥盆统为大南湖组，主要为一套中基性火山岩及火山碎屑岩建造；中泥盆称头苏泉组，以中酸性、基性火山岩、火山碎屑岩为主。
南天山泥盆系主要分布于哈尔克山、东阿赖及阔克沙勒岭、艾尔宾山及克孜勒塔格一带。哈尔克山仅主要出露下泥盆统，称为阿尔腾柯斯组，为一套碎屑岩、碳酸盐岩、硅质岩及火山岩组合。东阿赖及阔克沙勒岭地区，下泥盆统称为台克塔什组、乌帕塔尔坎组(上志留统-下泥盆统)，为陆坡相复理石及硅质岩沉积；中泥盆统托格买提组主要为浅海陆棚相碳酸盐岩、碎屑岩及火山岩组合；上泥盆统坦盖塔尔组主要为碳酸盐岩、碎屑岩沉积。艾尔宾山及克孜勒塔格一带，上志留统-下泥盆统阿尔皮麦布拉克组为一套浅海陆棚相碳酸盐岩夹碎屑岩沉积；中泥盆统下部阿拉塔格组为碎屑岩夹碳酸盐岩组合，上部萨阿尔明组为碳酸盐岩；上泥盆统哈孜尔布拉克组为中酸性火山岩、碳酸盐岩、碎屑岩组合。
⑸石炭系
石炭系是新疆天山地区分布最为广泛的地层，在不同构造环境，形成完全不同的建造类型，岩相建造及厚度变化都非常大。总体来看，北天山地区以活动型火山岩组合为主，南天山以稳定型碎屑岩-碳酸盐岩沉积为主。
在博罗科努山及伊犁盆地，下石炭统下部为大哈拉军山组，上部为阿克萨克组，前者为一套双峰式火山岩建造，后者为碎屑岩-碳酸盐岩建造；上石炭统划分为也列莫顿组、东图津河组，为碎屑岩、火山碎屑岩、碳酸盐岩沉积。
在东天山觉罗塔格一带，沉积类型非常复杂，其西段康古尔大断裂以北地区下石炭统称为小热泉子组，为一套中性火山岩、火山碎屑岩夹碎屑岩和碳酸盐岩；上石炭统划分为底格尔组和苏穆克组，主要为碎屑岩及火山碎屑岩。康古尔塔格大断裂以南地区下石炭统划分为雅满苏组、白鱼山组，前者为火山岩、火山碎屑岩、碎屑岩及碳酸盐岩组合，后者为碳酸盐岩及火山碎屑岩组合；上石炭统由于构造环境不同有两种建造类型，一是分布于秋格明塔什一带的蛇绿岩及复理石建造，由下至上划分为梧桐窝子组、干墩组、苦水组，二是在区内广泛分布的马头滩组中酸性火山岩-火山碎屑岩建造。
在南天山哈尔克山地区，下石炭统分为干草湖组、野云沟组，上石炭统分为卡拉苏组、
阿依里河组、康克林组，皆为一套碎屑岩-碳酸盐岩沉积。在迈丹他乌、阔克莎勒岭地区，下石炭统称为巴什索贡组，岩性为灰岩、沥青灰岩、硅化灰岩，底部为砂岩、砾岩；上石炭统分为别根他乌组、阿衣里河组、喀拉治尔加、康克林组，主要为碎屑岩及碳酸盐岩沉积。
海盗法典 此外，在依连尔尕山下石炭统称安集海组，上石炭统为沙大王组和巴音沟组，主要为一套蛇绿岩组合和复理石建造。在博格达地区，上石炭统称为柳树沟组、祁家沟组和乌尔图组，前者为一套中酸性火山岩，后者为浅海陆棚相碎屑岩及碳酸盐岩。
⑹二叠系
二叠纪天山进入板内活动初期，不同地区沉积特征差异较大，准噶尔盆地南缘鸟鲁木齐及以东地区，以陆相沉积为主，局部夹有海相层，生物类型以安加拉区系植物为主。下二叠统划分为下芨芨槽、上芨芨槽子，前者为一套滨海-海陆交互相细碎屑岩沉积，后者主要为河流-三角洲相碎屑岩沉积；上二叠统称为下仓房沟，主要为一套细碎屑岩沉积；
在西天山伊犁盆地及依连尔尕山，二叠系主要为不整合于石炭系之上的磨拉石建造。下二叠统乌郎组由陆相碎屑岩、火山岩和火山碎屑岩组成；上二叠统下中部为晓山萨依组、哈米斯特组，前者主要以碎屑岩为主，后者为一套火山岩及火山碎屑岩；上二叠统上部铁木里克组，为山麓堆积相粗碎屑岩和河湖相碎屑岩。
在东天山东段及北山地区，下二叠统称为红柳河组和骆驼沟组，前者为一套火山岩及火山碎屑岩，后者为碎屑岩；上二叠统称为红柳峡，为火山岩、火山碎屑岩、碎屑炭组合。东天山西段下二叠统为阿其克布拉克组、上二叠统为大热泉子组，为陆源碎屑岩夹碳酸盐岩沉积。
南天山二叠系分布很局限。哈尔克山及阔克沙勒岭地区，下二叠统下部为小提坎里克组，为一套陆相安山岩、安山质凝灰岩夹英安质晶屑凝灰岩。下二叠统上部为库尔干组，岩性为红砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩夹砂岩和炭质页岩。
柯坪地区下二叠统相变比较明显，海相层自西南向东北方向逐渐减薄。在印干山及其以东地区，下二叠统上部为开派兹雷克组，主要为杂玄武岩、碎屑岩；下部为库普库兹满组，由杂碎屑岩、玄武岩组成。印干山以西，下二叠统上部称卡仑达尔组，为一套互层
状的杂碎屑岩，含孢粉、瓣鳃等化石；中部为巴立克立克组，主要为海相灰黑灰岩，或灰岩与碎屑岩互层，局部夹有玄武岩；下部为乌坦库勒组，岩性为红、灰绿碎屑岩。
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