矿区内地层主要为奥陶系，呈残山状分布于矿床的南部；其次为沿河谷分布的第四系残、坡积物及河流冲击物（图2—2）。
（一）地层
矿区内出露地层为中—上奥陶统哈巴河群上亚群，分布于角闪辉长岩体（钽、铌矿化体）的西侧和南侧，呈弧形厚层状展布，在岩体内为顶盖残留体，呈大小不等的透镜状分布，片理走向300°～360°，倾向北东，倾角60°～90°。主要岩性有：
1）棕色及灰色的含十字石黑云母斜长石石英片岩，主要分布在西部，结构为鳞片粒状变晶结构，部分为筛状变晶结构，片状及块状构造。矿物成分主要有石英及中长石，粒径0.25～0.5cm，他形粒状，石英变晶颗粒较大，斜长石呈微粒集合体，嵌于石英颗粒之间，形成变余砂状构造，含石英50%～60%，含中长石10%～20%。其次是黑云母，半自形片状，粒径0.1～0.5cm，多分布在石英颗粒之间，大致平行排列，含量15%～25%，少数斜长石具绿泥石化，副矿物十字石含量小于7%，亦可见磁铁矿、磷灰石、锆石、白云母、电气石等。
2）含红柱石黑云母—石英片岩，多分布在矿区南西部，显微镜下呈鳞片结构、片状构造，主要由石英及黑云母组成，石英他形粒相互镶嵌，含量40%～50%。黑云母呈褐色片状，定向排列，少量变质为矽线石，含量30%～45%。其次是红柱石、十字石、斜长石、角闪石等，红柱石他形粒状，微粉红色，颗粒一般较粗大，呈变斑晶分布，常与石英镶嵌而成筛状，含量1%～10%。矽线石灰色，毛发纤维状，含量1%～3%，副矿物有磁铁矿、绿泥石、锆石、磷灰石等，含量小于1%。
图2—2 疆富蕴县可可托海稀有金属矿区地形地质图
3）棕色灰色石英黑云母片岩，在角闪辉长岩内多呈小残留体，为粒状结构、片状构造，有时可见石英与黑云母组成明暗条带，黑云母呈现0.5～1cm条带与石英相互交替产出。主要成分石英含量60%～80%，含黑云母15%～30%，其次为中长石，副矿物有磷灰石、锆石、石榴子石、电气石、绿泥石及白云母等。
以上片岩与变质基性岩（辉长岩）接触处，片岩的片理消失而发生角岩化及弱硅化（黑云母角闪岩、石英角岩），部分接触处为白云长英岩边缘体，片岩与黑云母花岗岩接触处发生黑云母化、黑云母含量可达30%～40%，其片理更为显著。
第四系上更新统—全新统（Q3—4），分布于河流两岸及谷沟底部、山坡坡脚及阴坡地带。主要是残坡积冲积物，由砾石、砂、黄土、淤泥等松散沉积物组成。
（二）岩浆岩
1.基性岩类
变质基性（辉长岩）岩类主要有角闪岩、斜长角闪岩、角闪斜长岩及脉岩，其次是角闪斜长变粒岩（中性岩类）等。出露面积4.5km2，占总面积近50%，分布在矿床中间部位，垂深达1300m以上（地表可见350m，钻孔深900m以上）。
角闪斜长岩主要分布在矿区东部，长1400m，宽400～800m；斜长角闪岩分布在中部，长2000余m，宽400～1500m。角闪岩多分布在斜长角闪岩之中，呈卵形及拉长状，大小700m×100m～250m×400m；角闪斜长变粒岩分布在西部，多点出露，面积较小，一般300m×500m～200m×100m。各岩类出露长轴方向，都为北西—南东向，与区域构造方向一致。各岩类之间接触关系：角闪斜长岩与斜长角闪岩呈渐变过渡关系，角闪岩分布于斜长角闪岩之中，呈变质结晶分异的渐变过渡形式，角闪斜长变粒岩与其周围的斜长角闪岩及结晶片岩为侵入或穿切关系。
脉岩为斜闪煌岩（暗色微晶闪长岩），呈岩墙状，在矿床范围内经常见到，片岩内也有分布。岩墙长数米至200m，厚度0.5～2.5m。走向近东西向，倾向350°～10°，倾角70°～85°。在3号脉岩钟部分露天场的东、西、南都见到斜闪煌岩墙，被近南北向破碎带断开，后又被伟晶岩脉切穿。
上述岩石在显微镜下鉴定特征如下。
（1）角闪岩
矿物组成主要是角闪石，其次为斜长石及黑云母、石英、绿泥石等，偶尔见到辉石、橄榄石残体，副矿物有磷灰石、磁铁矿、褐铁矿、电气石等。具斑状变晶结构，基质具细粒花岗状变晶结构、变余嵌晶结构，局部为变余含长结构。块状构造。普通角闪石斑晶（0.5～1.0cm）占20%左右，宽板柱状，内含显微片状或尘埃状磁铁矿、赤铁矿包裹体，还含有少量板状及板条状斜长石嵌晶，嵌晶多具卡氏及卡—钠复合双晶。基质由大量柱状普通角闪石（l～2mm）杂乱交生，其间夹少量板状及他形的斜长石，钠长石双晶普遍。在角闪石柱体间含极少量金云母，角闪石部分绿泥石化，显示出变质作用。很少见辉石（普通辉石）橄榄石（贵橄榄石），均被闪石交代，又被绿泥石化。
（2）斜长角闪岩
主要矿物有角闪石、斜长石，其次是石英、黑云母、绿泥石等，副矿物为磷灰石、榍石、磁铁矿、褐铁矿等。具花岗纤状变晶结构，局部具变余嵌晶含长结构、筛状结构。块状及片麻状构造。角闪石为纤柱集晶0.5～2.5mm，长轴平行排列，个别的保留有较大及较好的柱状及板状晶、半自形晶，其中包含尘埃状磁铁矿及粒状斜长石包体，形成筛状结构。斜长石（拉长石）为板状他形镶嵌集晶，0.3～2mm，各种双晶发育。石英呈较细粒他形粒状（0.3mm左右）填充在角闪石与拉长石晶粒间。角闪石部分绿泥石化，拉长石部分具绢云母化。
（3）角闪斜长岩
与斜长角闪岩主要区别是角闪石量减少、斜长石量增大，二者量相近，斜长石牌号降低，其他特点同斜长角闪岩。
（4）角闪斜长变粒岩
主要组成矿物为斜长石（45%～90%）、石英（3%～25%）、角闪石（3%～40%）及少量黑云母，副矿物有榍石、磁铁矿等。结构多样，有半自形细、中、粗粒结构，长英岩结构。长英岩结构中由于角闪石晶体大于长石、石英，故常呈非均匀粒状以至斑状结构，其中角闪石晶形长0.1～1.5cm、宽0.3cm，而斜长石及石英晶体仅为0.01～0.5cm。块状构造及碎裂构造。斜长石弱自形晶，1～2mm，其中常包含石英晶体，长轴由于受应力在晶体颗粒边缘碎裂化并重结晶为微细粒状斜长石，原岩中长石双晶纹也被弯曲或断裂，具环带构造，长石具定向排列。斜长石属中长石。角闪石为青绿色、浅绿黄色，强多色性，晶体呈拉长柱状，有时呈放射状集合体。局部绿帘石化强烈。石英，他形粒状，波状消光。
从其矿物成分、结构多变上看，其形成时间与上述岩石属同一时期最晚期形成的产物，其外部条件不稳定，温度、压力等多变，故矿物颗粒由粗—中—细直到长英岩状结构。
（5）斜闪煌岩（暗色微晶闪长岩）
岩石由角闪石、斜长石、黑云母及少量不透明矿物及副矿物组成。角闪石，自形—半自形晶，小柱状，细—微粒状，半定向排列，有时见少量呈微斑晶，总含量42%～55%。斜长石，板状、细粒等轴状，半自形晶，粒径0.lmm左右，具环带构造，属中性长石，含量40%～55%。黑云母、石英含量1%～3%，石英以他形晶粒存在于角闪石与斜长石之间，波状消光。副矿物为磁铁矿、褐铁矿、钛铁矿及磷灰石等。据脉岩成分及产状关系，可能是基性岩体晚期伴生的脉岩（沿原生裂隙侵入而成）。
2.酸性岩类
酸性岩有花岗岩及其脉岩类，花岗岩类为黑云母二长花岗岩、二云母二长花岗岩、白云母碱长花岗岩，脉岩为细晶岩脉、伟晶岩脉及石英脉。其中，黑云母二长花岗岩分布面积最大，在矿区四周并与矿区外围的花岗岩基相连为一体，其他花岗岩仅为岩株或岩脉分布在矿区东西两边。脉岩类以伟晶岩脉规模最大，分布最广，多处矿区中部。细晶岩脉及石英脉小而少，分布在矿区中部及南部。无论岩株长轴方向或岩脉的走向都为北西向。
（1）花岗岩类
1）黑云母二长花岗岩。与矿田大花岗岩基相连为一体，因此在矿区的东、北、西三方都可见到，矿床呈残留体形式分布于黑云母二长花岗岩体顶部。花岗岩颜色为亮灰及浅褐灰色，粒状结构，以粗粒为主，在接触处及小岩株体内多为中、细粒，另常见似斑状结构，斑晶（2～4cm）由钾长石组成，其中常包含斜长石嵌晶。块状构造及片麻状构造。在花岗岩接触带处片麻构造最为普遍。在显微镜下观察，斜长石（更—中长石）40%～60%，钾长石10%～30%，石英20%～30%，黑云母8%～12%，及少量白云母等。副矿物有：磷灰石、锆英石、榍石、磁铁矿等。次生矿物有绢云母、绿帘石、黝帘石及绿泥石等。其中钾长石晶体一般较大，大的晶体中常含斜长石嵌晶，即为斑晶，也就构成斑晶结构。黑云母，暗棕色，片状1～6mm；白云母少见，常沿黑云母而生，但在接触处白云母显著增多，晶体变大，其含量（7%～10%）大于黑云母（5%～7%），而且又不与黑云母连生成为独立的大片白云母，常具波状消光；石英为小颗粒，波状消光。矿物的波状消光，由于石英、长石被压碎、长石双晶带的移位，在与斜长角闪岩、角闪斜长岩及片岩接触处，具有强片麻化，片麻化方向与接触方向一致等现象，表明了花岗岩受挤压作用。
2）二云母二长花岗岩。矿区内分布的面积小而少，在中部1号与3B号伟晶岩脉之间呈岩株及透镜体状（长100～150m）呈侵入体出现，东部黑云母二长花岗岩与角闪斜长岩接触处成脉状（长170m、宽10～30m）产出。分布面积最大岩体在西南的萨雷—布拉克上游西岸，呈株状体（400m×200m）。斜长石与碱性长石（微斜长石）二者含量相近（25%～35%），石英一般都在20%～30%之间（石英正长岩中石英含量为5%～20%）。另外，黑云母、白云母各占3%～4%。故定为二云母二长花岗岩，呈侵入体产出。
3）白云母碱长花岗岩。分布面积很小，仅在东部黑云母二长花岗岩接触处呈脉状（400m×150m）侵入于角闪斜长岩中，走向北西，倾角陡。上述二云母二长花岗岩与白云母碱长花岗岩区别仅是后者中白云母及碱性长石量增多。其结构构造及矿物成分种类皆相似，如颜色为亮灰及淡灰色，中、细粒花岗结构，块状构造、局部花斑构造；镜下观察矿物组成有：碱性长石、斜长石、石英、白云母及少量黑云母。副矿物：石榴子石、磷灰石、锆英石等，次生矿物有绿帘石。其中：微斜长石为他形晶体，大小不一，0.1mm至数mm，常与同时消光的棱角状石英成规则连晶而构成微文象结构，含量30%～50%；斜长石半自形与他形晶粒状，颗粒0.01～1.0mm（小于石英颗粒），含量20%～30%；石英为不规则他形粒状，有的呈线状分布的尘状包体，含量40%左右；白云母片状1～2mm，含量4%左右，有时达7%～8%。黑云母较少，褐色片状1～3mm。二者都出自黑云母二长花岗岩，并呈渐变过渡关系。二者的株状侵入体，其长轴方向及脉状走向方向都为北西向，与区域构造方向一致，为黑云母二长花岗岩体浅成相侵入体。
（2）脉岩
脉岩为浅色脉岩，有细晶岩、伟晶岩及石英脉等。
1）细晶岩。在矿区边部及花岗岩体附近，常见由花岗岩体侵入于斜长角闪岩或角闪斜长岩中的花岗细晶岩脉。如矿区东南部，见有两组细晶岩脉，后者北西向切穿前者近东西向的脉岩，脉长100～300m，厚1～10m，北西向脉岩规模大于东西向的。矿床内部，常见细小的浅色脉岩，长数十米，厚小于0.5m。如3号脉岩钟部分露天采场揭露出浅色细晶岩脉，走向北西（290°～310°），倾向北东，倾角60°～80°，成组出现，它切穿早期斜闪煌岩脉，又被最晚期伟晶岩脉切割。此浅色细晶岩显微镜下鉴定，主要由斜长石（中长石）组成，其次为角闪石、黑云母及石英等。斜长石含量70%～90%，角闪石、黑云母、石英含量10%～30%。细粒花岗结构，块状构造。按其成分可称为花岗闪长细晶岩。可能是花岗岩质物质经基性岩部分同化作用而成。
2）石英脉。石英脉多产于黑云母二长花岗岩中，产状不稳定，脉长150～200m，厚10m左右，分布在斜长角闪岩及角闪斜长岩中较少。呈透镜状，长30m，厚小于10m。在片岩内，有时见到长数米的石英小透镜体。
3）伟晶岩脉。伟晶岩脉在矿床中出露的有23条之多，经岩心钻探新发现盲脉有16条。可可托海矿区内伟晶岩脉占整个可可托海矿田伟晶岩总数仅1%，但其拥有的稀有金属储量却最多，地质特征也最典型。伟晶岩脉多数产于角闪岩及斜长角闪岩中，少数在片岩及花岗岩内。伟晶岩脉除个别形态复杂（3号脉）外，其他多为脉状及板状。片岩及花岗岩内的伟晶岩脉规模较小，一般长100～200m，个别达400～500m，厚度1.5～4m。产状多变，走向北西及北东，倾向南西及南东，倾角60°～80°。产于角闪岩及斜长角闪岩中的伟晶岩脉，规模大，长数百米到1000m，个别达2000m，厚度5～40m，局部膨胀处（3号脉岩钟）的体积达250m×150m×200m。走向北西（300°～340°），倾向南西，倾角12°～40°。富含稀有金属矿物，主要有绿柱石、锂辉石、铌—钽铁矿类及铯榴石等，其中规模最大、结构构造最典型的是3号矿脉。
（三）构造
矿区内控矿构造主要是北西向和近东西向两个断裂，构成区内主体构造格局。由于晚期构造活动的叠加和继承性，控矿构造为叠加构造。
北西向断裂长1～2km，走向290°～310°，倾向南西或北东，倾角20°～45°。东西向断裂，大多被花岗伟晶岩脉所充填，严格控制着区内伟晶岩的形态和分布，为成矿前的断裂。
北北西向断裂组内发育构造破碎带和蚀变带，并有规模较小的伟晶岩带产出，它控制着蚀变带的分布和规模。在断裂两侧，特别是上盘，次级平行的小断裂发育，形成不同蚀变类型和强度的蚀变岩，呈平行排列，成群（带）分布。该组断裂总体走向为345°，倾向为北东东或北东，倾角65°～75°，是区内最为发育的一组断裂构造。
近东西向断裂构造带，形成时间明显晚于北西向断裂构造带，北西向伟晶岩脉往往被错断。但由于断裂构造的长期活动，亦可见到近东西向的伟晶岩脉被北西向构造所错断。该组断裂走向近东西，倾向南，倾角55°左右。此组断裂的部分被花岗伟晶岩脉所充填，使伟晶岩脉形成转折和肘拐状，部分受热液蚀变作用而形成近东西向的蚀变带，其规模小于北西向断裂，一般长几百米至1000m。在两组断裂的交汇处，伟晶岩往往出现膨大，形成柱状和馕状矿体。
区内节理发育，纵横交错，分布密度一般为2～4条/m2。节理一般是在中基性辉长岩冷却成岩阶段形成原生节理，后经花岗岩浆的上升侵入作用和构造活动，使原生节理继承发展和追踪，同时又形成新的节理，使区内节理构造更加复杂化。