牦牛山组在柴达木盆地周缘均有出露，其中分布于柴达木盆地北缘的牦牛山组下部为一套陆相沉积夹中酸性火山岩组合，上部为中酸性火山岩和火山碎屑岩组合。该套组合角度不整合于寒武-志留纪滩间山群岛弧杂岩之上。长期以来，该套组合被认为是一套形成于碰撞后的山间磨拉石，且时代为晚泥盆世。锆石SHRIMP测年结果表明，牦牛山地区牦牛山组下段英安岩和流纹岩夹层分别形成于416±5Ma和429±4Ma。砂岩碎屑锆石最小U-Pb年龄为371Ma，与花岗岩砾石形成年龄377±5Ma相同。这些事实共同表明，柴北缘地区牦牛山组形成时代至少为430-370Ma，即晚志留-早泥盆世。本论文通过系统的野外研究认为，分布于柴北缘牦牛山地区的牦牛山组是一套由冲积扇和扇三角洲相共同构成的陆相沉积组合。垂向上，牦牛山组由底部砾岩为主的冲积扇沉积向上逐渐过渡为砂岩为主的扇三角洲相沉积，构成向上变细的沉积序列。空间上，冲积扇相砾岩-粗砂岩组合主要分布于研究区SE侧，扇三角洲相砂岩-泥岩组合主要分布于研究区NW侧，而牦牛山西侧阿木尼克山地区牦牛山组为海陆交互相沉积。古水流分析显示，早志留-晚泥盆世，柴北缘普遍存在NW向古水流，同时还有少量SE和SW向古水流。沉积相空间分布特征和古水流分析结果共同表明，柴达木盆地北缘在志留-泥盆纪时期存在一NW向倾斜的古斜坡。砾岩与砂岩碎屑成分分析表明，牦牛山组沉积物源区出露有砂岩、灰岩、石英岩、花岗岩、硅质岩、玄武岩、安山岩、云母石英片岩等，与其周边的滩间山群和沙柳河岩群岩石组合类型相似。砂岩主要碎屑重矿物组合为锆石+磷灰石+重晶石+金红石+电气石+绿帘石+白钛石；碎屑电气石、石榴石和金红石矿物成分研究表明，它们主要来自中酸性侵入岩、变沉积岩和榴辉岩相-麻粒岩相变基性岩。岩石地球化学分析表明，砾岩中火山岩砾石形成于岛弧环境；锆石U-Pb定年、岩石学与岩石地球化学共同表明，砾岩中的花岗岩砾石为来自377Ma岛弧环境花岗岩。砂岩LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb测年结果表明，牦牛山组碎屑主要来自392~453Ma、461~547Ma，883~954Ma，1023~1587Ma和2450~2512Ma，这分别与晚奥陶-晚泥盆世弧花岗岩、滩间山群、沙柳河群以及达肯大坂岩群时代相一致，进一步表明它们是牦牛山组的主要物源区。砂岩碎屑组成分析结果表明，牦牛山组砂岩为岩屑杂砂岩，其物源区具岛弧构造背景。牦牛山组流纹岩和英安岩夹层具有Nb、Ta、Zr、Ti强烈负异常的地球化学特征，表明其形成与板块俯冲密切相关。同时，砂岩碎屑锆石U-Pb年龄谱和砂岩碎屑组成分析结果共同表明，志留纪岛弧是牦牛山组的重要沉积物源区，该物源区原岩时代与牦牛山组中同时期具有岛弧地球化学特征的英安岩、流纹岩夹层相一致，这表明分布于柴达木盆地北缘的牦牛山组为一套形成于岛弧环境的沉积组合。综上所述，牦牛山组盆地基底为滩间山群岛弧杂岩，火山岩夹层与弧台地具有相同的形成时代和地球化学特征，碎屑物源区形成于岛弧环境，这些事实共同表明，柴北缘地区牦牛山组是一套形成于早志留-晚泥盆世弧内盆地（intra-arcbasin）的沉积组合。