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中天山构造带东段主要由三个前寒武纪变质地块(库米什-干沟地块、帕尔岗塔格地块和尾亚-星星峡地块)组成，上覆古生代和中生代沉积盖层，其中前寒武纪变质地块主要由星星峡群、天湖群变质地层和侵入于其中的花岗质片麻岩组成，广泛遭受了绿片岩相到角闪岩相的变形和变质作用。其中变质地层主要由前寒武纪变质的碎屑岩、半泥质岩、泥质岩、少量的碳酸盐岩和变质火山岩组成。侵入于变质地层中的早期花岗质片麻岩以石英闪长质、花岗闪长质、二长花岗质片麻岩为主体，含有少量的英云闪长质、奥长花岗质片麻岩。三个变质地块元古代星星峡群变质岩系和花岗质片麻岩的岩石组合、地球化学和Sm-Nd同位素地球化学特征对比表明它们曾经是一个更大的变质基底陆块，被后期的地质作用所分离。这个早期大陆块与塔里木克拉通没有明显的亲缘关系。
星星峡群变质沉积岩和花岗质片麻岩的Nd同位素特征、碎屑锆石U-Pb年龄数据指示在中天山东段星星峡群的底部存在一个古元古代的大陆地壳。星星峡群变质沉积岩的最年轻的Nd同位素模式年龄是1.29Ga，而侵入其中的花岗质片麻岩主要形成于1220-1140Ma，并伴有近同期的变质作用。这些同位素年龄数据指示星星峡群变质沉积岩形成于～1.2Ga，相当于华北克拉通的蓟县期。
中天山东段星星峡群变质沉积岩的岩石组合、地球化学和Nd同位素地球化学特征表明这些变质沉积岩的物源区主要是以长英质岩石为主，化学风化程度和成分成熟度都较低，沉积分选较弱。它们的地球化学、Nd同位素特征和碎屑锆石年龄表明这些变质沉积岩的原岩主要来源于古-中元古代的地壳物质，有年轻的弧物质的加入，并自东向西弧物质呈增加的趋势，这些变质沉积岩的原岩形成于大陆岛弧体系下的弧后盆地构造背景。在古地理位置上，库米什-干沟地块的位置更靠近弧的一侧，而尾亚-星星峡地块更靠近陆的一侧。
元古代花岗质片麻岩主要由石英闪长质片麻岩和花岗闪长岩-二长花岗片麻岩组成。岩石组合、地球化学和Nd同位素特征表明这些花岗质片麻岩为钙碱性系列花岗岩，与北美Cordilleran花岗岩类似。岩石成因研究表明，石英闪长质片麻岩形成于板片流体和俯冲沉积物的交代后亏损地幔熔融体，在上升过程中受到地壳AFC作用的产物；花岗闪长质-二长花岗质片麻岩的岩石起源于钙碱性或高钾钙碱性的安山岩或玄武质安山岩的部分熔融。它们形成于中等成熟度大陆弧的构造背景。
地质学、岩石学和地质年代学研究表明中天山东段中-新元古代时期发生了～1.2Ga和1000-～900Ma两个构造热事件，前者与包括华南在内的全球范围内的格林威尔期增生-造山事件在时间上接近，后者与Rodinia超大陆的汇聚过程密切相关。在古生代演化过程中，遭受到至少四期构造热事件的改造，即：(1)～460Ma的岩浆事件；(2)～370Ma的变质事件;(3)～320Ma的退变质事件和(4)～280Ma的构造热事件。