乌兰察布盟地域辽阔，地质历史上各时代地层发育比较齐全，从太古界到新生界均有出露，其沉积类型繁杂，岩相、岩性变化复杂，受岩浆活动和构造运动影响，变质作用广泛。主要以下太古界集宁群深变质相硅线榴石片麻岩、麻粒岩夹大理岩组成，及新生界第三系中新统玄武岩夹泥岩为主。有代表性的兴和县店子乡太古界地层剖面和四子王旗第三系标准地层剖面，已建议列入旗县级和国家级的地质遗迹保护区。

一 太古界

在距今30～35亿年早太古代，在集宁市、兴和县一带，由于地幔物质的上涌，在初始地壳上建立起巨厚的水下火山锥群，随后形成本区最古老的兴和原始陆壳，呈孤岛状出露于当时的古海洋中，后经数亿年的火山～沉积作用及多次构造变动，所形成的陆壳逐渐稳固，称之为集宁陆核。该陆核呈西宽东窄的长卵形，东西长600公里，南北宽300公里，从集宁到包头，在鄂尔多斯、桌子山、贺兰山均有出露。到25～30亿年间的晚太古代，陆核进一步扩大，西起阿拉善右旗，经狼山、乌拉山、大青山至赤峰，向东延伸到河北等省，并同邻近几个孤立的陆核联合起来，形成更广阔的大陆。下太古界桑干群主要出露于兴和、集宁、凉城一带，下部为麻粒岩、片麻岩、斜长角闪岩，上部为硅线榴石钾长片麻岩、浅粒岩。其中以兴和县南部韭菜疙瘩～黄土窑一线出露较好，层系较全，代表性较强。

二 古生界

奥陶系

分布于察右后旗五道湾，属华北地层区阴山地层分区下奥陶统，岩性为浅夹色厚层状灰岩夹深灰色块状灰岩，岩性、岩相比较稳定。

志留系

由于构造运动的不均衡性所致，阴山山脉及其以南的地区无志留纪沉积，而阴山以北的地槽区志留系则广泛分布，四子王旗白乃庙附近为内蒙古草原地层分区温洛克统白乃庙组，本组岩石主要为变质砂岩、千枚岩、石英岩、夹结晶灰岩以及绢云石英片岩等，含大量的床板珊瑚。

二叠系

分布零星，地层属内蒙古草原地层分区，主要见于化德县公腊忽洞以南三面井组和四子王旗北部西里庙至巴彦敖包一带西里庙组，三面井组岩性主要为一套正常浅海沉积的灰绿色复成份砂岩、长石细砂岩夹粉砂岩和板岩。西里庙组岩性为流纹质晶屑凝灰岩、流纹质熔结凝灰岩、流纹岩、结晶灰岩、泥质板岩等。

三 中生界

侏罗系

侏罗系全部为陆相地层，在乌盟南部及四子王旗北部零星出露，几乎全部由沉积岩组成，岩性简单，岩相变化不大。属阴山地层分区下侏罗统五当沟组，为断陷盆地中呈带状分布的含煤沉积地层，如察右中旗苏勒图。出露于卓资县的上侏罗统大青山组的陆相粗碎屑岩，下部为紫红色砂砾岩、含砾粗砂岩、细粒薄层状杂砂岩，夹泥灰岩透镜体或钙质粉砂岩；上部为灰绿色、黄绿色及灰白色含砾粗砂岩。中上侏罗统白盘组，岩性为一套陆相喷出岩，以安山质、玄武质火山熔岩及火山碎屑岩为主，夹紫红色砾岩，在卓资县一带分布较广。

白垩系

乌盟的白垩系均为陆相沉积，零星分布，发育在沉积盆地中，如旗下营盆地，局部地区夹煤线或薄煤层，属阴山地层分区下白垩统；分布于丰镇市、凉城县南部与山西省接界地带白垩系，为山西省左云县、右玉县境内大片分布的红色地层的北延部分。其岩性为紫红色泥岩、砂质泥岩与灰白、紫红色砂岩互层，夹少量紫红色砂砾岩、灰白、深灰色泥岩。

四 新生界

第三系

乌盟第三系地层均为陆相沉积，其广泛分布于全盟各旗县，根据地质构造、地貌特征及古地理条件，又进一步划分为3个地层分区。

锡林郭勒地层分区位于内蒙古高原东部，分布于锡林郭勒盟大部分地区及乌盟商都县、化德县、察右后旗及察右中旗一带。分布在商都、化德等地的为第三系渐新统，岩性为灰黑、蓝灰色泥岩、泥质粉砂岩及灰白、灰黄色砂砾岩、砂岩夹薄层泥岩；分布于察右后旗乌兰哈达～白音察干及察右中旗三道沟一带为第三系中新统汉诺坝组，岩性由灰、灰黑色致密状、气孔状伊丁玄武岩、橄榄玄武岩组成，局部夹泥灰岩及油页岩。

二连地层分区广泛分布于乌盟四子王旗一带，产状平缓，常形成陡崖裸露地表。是中国北方老第三纪地层出露最好、层序最全、哺乳动物化石最丰富的地区。地层为第三系上古新统脑木更组，一般出露海拔1100米以下，位于一级高原及二级高原陡崖的下部，为一套湖相红色泥岩建造。在南部脑木更、巴彦乌兰等地，岩性为棕红色泥岩及粉砂质泥岩，向北至乌兰勃尔和、苏崩等地，则以灰绿、黄绿色泥岩为主，夹灰黑、棕红色泥岩、灰白色粉砂岩和薄层泥灰岩。

集宁地层分区本分区主要分布于乌盟南部各旗县。第三系渐新统、中新统、上新统广泛分布，其中，中新统汉诺坝玄武岩颇为发育，构成特有的熔岩地形。渐新统分布于集宁～兴和一带，主要为灰、灰白色细砾岩、粉砂岩、细砂岩、夹灰黑色泥岩及褐煤数层，其下限不整合在下白垩统左之组之上，上限被中新统汉诺坝组假整合覆盖。中新统汉诺坝组广泛分布于兴和县、卓资县、凉城县一带，主要由灰黑、黑、紫灰色橄榄玄武岩组成，夹砖红色泥岩、灰白色泥灰岩及黑色油页岩；上新统主要分布于集宁～兴和之间的沟谷洼地中，以红色粘土为主，夹有灰色粘土、砂砾石层及钙质结核，其下限与中新统汉诺坝组呈假整合接触。

第四系

第四系上更新统马兰组主要分布于凉城县刘家夭、双古城一带，由土黄、灰黄色砂质黄土组成，局部夹薄层粗砂和细砾，垂直节理发育；全新统冲、洪积层广泛分布于凉城岱海盆地、黄旗海盆地周边以及山前平原和河流两岸，以砂砾卵石为主，夹粘砂土厚15～20米。湖积层主要分布于黄旗海、岱海一带，由浅灰～灰黑色淤泥、粘砂土及粘土质粉细砂组成，厚4～30米。

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