北天山优地槽褶皱带是天山区最大的一个构造单元，西起国境线的伊犁河附近群山准噶尔阿拉套山，经博罗霍洛、伊林哈比尔尕、觉罗塔格、博格多及哈尔里克山至星星峡以北，再东延入蒙古和甘肃境内。南界以时隐时现的深大断裂与“中天山”分开；北侧与准噶尔华力西褶皱带毗连，二者关系为中新生代地层所覆盖。带内古老岩系仅以孤岛状出露在准噶尔阿拉套山和博罗戳洛山，分别呈北东东向和北西西向的条带状展布，构成复背斜核部在温泉地区。

太古界变质杂岩系用地层方法可靠确定出来，因为其上被下元古界各种片麻岩所不整合超覆。岩性为一套白云绿泥石片麻岩、贯入片麻岩、结晶灰岩和眼球状片麻岩。太古界变质岩系厚约米。下元古界为结晶灰岩类片岩，厚约米。

在博罗霍洛地区，最老地层为上元古界的碳酸盐岩夹硅质岩，普遍含磷。其上被震旦上统的含磷碳酸盐夹冰碛岩所不整合覆盖，厚约米。上述两地区的岩性特征、厚度及不整合关系，反映出“北天山”在嵩阳一吕梁运动时期是有影响的，推测本区应有相应的花岗岩类岩石存在，但还未发现塞武系、奥陶系仅在博罗霍洛地区出现。寒武系以海相碎屑岩和碳酸盐岩为主，普遍含磷，未变质，厚度小于米。与变质杂岩系和震旦上统间为平行不整合接触，表明有过上升和间断，沉积厚度和岩性又反映为台型建造。

奥陶系与寒武系相伴出露，分布较寒武系稍广。下一中奥陶系为碳酸盐岩和矽、页岩组成的类复理石建造，厚度不大于米。与寒武系为整合接触关系；晚奥陶世沉积分布局限，为一套含珊瑚化石的灰岩，厚度在以下。中奥陶统见少量中一基性火山岩说明开始是沉降，后是急剧上升，可能还有褶皱。到志留纪时整个北天山普遍下降，沉积了广泛的浅海陆源碎屑岩和碳酸盐与笔石页岩相建造，厚度、岩性变化均大，部分地区以火山细碎屑岩为主，表明各地沉降不均一，其中亦有中一基性熔岩夹层，局部见到与奥陶系为假整合接触。厚度-米。说明晚期加里东运动在各地的影响不同，开始表现为上升，后下降，较寒武一奥陶纪时更不稳定。

泥盆纪时，各地是广泛的海浸，但因构造运动的差异，使地层缺失，岩性建造和厚度变化有所不同。如温泉地区缺失下泥盆统。中一上泥盆统以区域性不整合覆盖于前泥盆纪地层和花岗岩之上，其岩性为砂页岩和碳酸盐岩组成的类复理石建造，厚度小于米表明晚加里东运动后本区有一次大的上升褶皱，后又缓慢下沉，从分布位置看沉降中心向北推移，断裂活动加剧。而博罗霍洛地区在晚加里东后成为隆起蚀源区。在伊林哈比尔尕、觉罗塔格和哈尔里克地区虽有泥盆纪沉积，但出露不全，反映地壳运动的差异和不均衡性。岩性均为中一基性火山岩、火山碎屑岩、碳酸盐岩为主，厚度均在以上。说明华力西早期（天山早期）地壳下沉很快，有强烈的断裂活动和岩浆活动。

百炭纪时整个天山地区均沉降，尤以“北天山”沉降幅度更大，各地均见它超覆不整合于前石炭纪地层和花岗岩之上，其岩性：底部常见底砾岩、底砂岩和碎屑岩，向上则为套基性、中性和酸性火山岩和火山碎屑岩组成的多韵律，多阶段，厚度巨大的沉积物。

各地岩性变化较大，均有自身的变化规律，总厚度达万米。在浅海、滨海、海湾地区以正常碎屑岩为主，厚度在左右，此时有铁、锰矿的沉积相应的花岗岩岩浆活动特别发育，亦具多期次的特征。必须指出：石炭纪时海盆十分不稳定，地壳活动十分强烈，反映在石炭纪地层本身存在五次以上的不整合关系和三次以上的间断，而且断裂活动达到了前所未有的强度。其它，如超基性岩、基性岩和中性岩也十分发育。这些特征显示了地槽进入了极其强烈活动阶段。就构造线的总体方向仍与加里东褶皱带的方向基本一致，说明受同一构造力的影响，而且越来越强烈表现出华力西早一中旋迴（天山旋週）是晚加里东旋迴构造运动基础上的继续和发展的这一历史上的连续关系，但各自又有其自身的发展特征。

华力西中期（天山中期）又是在华力西早期（天山早期）基础上发展的这一连续关系。中石炭世末和晚石炭世末，“北天山”地槽各地相继上升，迴返褶皱，致使早二叠世沉积仅分布在伊宁盆地、哈密盆地、乌鲁木齐山前拗陷和些山间断陷盆地等地区，堆积了一套海一陆相的由碎屑岩、火山岩和火山碎屑岩组成的红色“类磨拉石”建造；在稳定的盆地中沉积了一套湖沼相含煤碎屑岩。这种突变特征不仅表现在沉积环境和建造上，而且在构造运动的强度、断裂活动和岩浆活动上也反映得极为明显，它显示了地槽以突变方式进入到晚期阶段。晚二叠世沉积就更加局限，各地差异也更加明显，侵入活动更弱，火山活动仅在小范围内存在，成分更加单调。这些地区也是在华力西中期和晚期（天山中期和晚期）初阶段的基础上的延续，岩浆活动严格受断裂控制，仅沿多次活动的断裂上呈小岩枝侵入，接近地槽尾声。印支一喜山期在本区基本上稳定，仅在断裂活动带上发生差异明显的块断式升降运动，尤其在几个盆地中，未发现岩浆活动。