北天山温泉群长期以来被认为是古元古代的变质岩。最新的野外调查和锆石SHRIMP U-Pb测年结果表明,温泉群可以划分为三个岩石构造单元:(1)前早新元古代变质火山岩和变质沉积岩,主要包括斜长角闪岩、云母片岩、石英片岩、黑云母片麻岩、大理岩等;(2)早新元古代混合岩和正片麻岩;(3)早古生代未变质变形的辉长岩和闪长岩。上述三种岩石组合类型均被后期二云母花岗岩(脉)所侵入。温泉县以南的混合岩和花岗片麻岩中锆石的SHRIMP U-Pb年龄分别为926±12 Ma和907±11 Ma,与天山地区出露的新元古代花岗岩类的时代基本一致。结合前人对花岗片麻岩Nd同位素组成的研究,花岗片麻岩应为古老地壳物质部分熔融的产物,而同期的混合岩化作用则是新元古代地壳加厚和部分熔融的直接地质证据。辉长岩和闪长岩侵入到温泉群花岗片麻岩和斜长角闪岩中,其中闪长岩的锆石SHRIMP U-Pb年龄为452±7 Ma,并含有1.1 Ga和1.4 Ga的继承锆石。根据前人的研究成果,本区早古生代辉长岩和闪长岩具有岛弧岩浆岩的地球化学特征,可能与准噶尔—巴尔喀什洋的俯冲作用有关,这一俯冲增生作用最终导致伊犁北部与哈萨克斯坦陆块在志留纪拼贴造山,并使温泉群前寒武纪变质岩与侵入岩发生变质变形作用。