通过对大兴安岭北段研究区内石炭系地层的研究分析,将其划分为红水泉组和莫尔根河组,两者岩石普遍经历了轻度变质作用,总体呈横向的指状交错相变接触,形成的沉积环境为岛弧弧后盆地。红水泉组自下而上可划分为三个岩性段:下部砾岩段,以粗粒复成分砾岩、砂砾岩为主;中部砂泥质岩石段,以细粒杂砂岩、粉砂岩、千枚岩、板岩为主;上部砂砾岩段,以细粒杂砾岩、含砾粗砂岩为主,局部夹有碳酸盐岩。中上部层位含有大量浅海生物化石。莫尔根河组也划分为三个岩性段:下部和上部为厚层火山岩,基性—酸性均可发育,局部出露大量硅质岩;中部为碳酸盐岩和碎屑岩,包括含生屑灰岩、大理岩、杂砾岩、杂砂岩等,富含腕足、珊瑚、海百合茎化石。红水泉组普遍为滨海—浅海相碎屑岩沉积,在靠近岛弧一侧发育有重力流形成的冲积扇、扇三角洲相沉积。莫尔根河组主要为海相火山岩沉积,还发育有浅海相碳酸盐夹碎屑岩沉积、半深海相硅质—泥质岩沉积。通过生物化石和锆石U-Pb年龄分析可知两者沉积时代对应于早石炭世杜内阶—谢尔普霍夫阶,地层中常见碎屑岩和火山岩的互层,呈指状交错相变接触,应为同时期沉积产物。对研究区早石炭世火山岩的地球化学特征分析可知,拉斑玄武岩和碱性玄武岩共生,部分具有亚碱性向钙碱性过渡演化趋势;稀土元素球粒陨石标准化配分曲线为较平坦的右倾型,REE总量一般,LREE较丰富,HREE亏损;微量元素中富集Th、U、Pb和大离子亲石元素Rb,强烈亏损高场强元素Nb、Sr、Ti。通过综合研究分析,认为大兴安岭北段在早石炭世处于大洋板块与活动大陆边缘的俯冲带处,头道桥—乌奴耳一带隆升形成岛弧,岛弧西北侧牙克石、鄂温克旗等地为处于拉张背景的弧后盆地,大量接受来自岛弧、海底火山喷发的沉积,也有少量的大陆边缘沉积。至晚石炭—早二叠世板块俯冲结束,弧后盆地海相沉积缺失,陆陆碰撞导致地表隆升接受风化剥蚀。另外在红花尔基—乌尔其汗多金属成矿带附近的莫尔根河组地层中赋存铜矿化,其中上部层位的海相富钠基性火山岩(细碧质)与硅质粉砂岩、板岩互层的地层中Cu、Au、Zn丰度较高,可能与海底火山喷发—热液喷流作用有关,是寻找多金属矿床的重要目标层位。