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境内地层发育齐全，前古生界至第四系均有分布。地层中普遍储存有丰富的金属和非金属矿产，是经济建设和人民生活的重要资源。
  一、前第四系
  （一）前长城系龙首山群（Anchln）主要分布在龙首山地区及祁连山主峰一带，形成于20亿年前。是境内最古老地层。在历次构造运动中，经受多次区域变质作用，形成一套深变质岩系。主要有黑云钾长片麻岩、黑云花岗片麻岩、大理岩、白云质大理岩夹斜长角闪片岩、斜长角闪岩。储存有磁铁矿、白云岩矿和大理岩矿。出露厚2100～3700米。
  （二）长城系珠龙关群（Chzh）主要分布在祁连山珠龙关一带，形成于14～20亿年之间，亦是境内较古老的地层。由碳酸盐——火山岩建造、火山岩——复理石建造及含铁复理石建造组成。属单相区域低温动力变质低缘片岩相为主地层。储存有变质型铁矿和白云岩矿，不整合于前长城系野马南山群之上，出露厚1022～6900米以上。
  （三）蓟县系墩子沟群（Jxdn）主要分布在龙首山及祁连山地区，形成于10～14亿年之间。由灰绿色粉砂质千枚岩、硅质灰岩、石英岩、变质砂岩、变质砾岩组成。属滨海——浅海陆塬碎屑岩——富硅镁碳酸盐建造，受区域低温动力变质作用，形成单相的低缘片岩相变质地层。与下伏前长城系龙首山群呈角度不整合接触，与长城系珠龙关群呈平行不整合接触，储存有变质型镜铁矿，地层厚690～1880米。
  （四）震旦系（Z）主要分布在龙首山及祁连山地区，形成于5.9～8亿年之间。由碎屑岩、碳酸盐、火山岩及冰碛砾岩等组成，在区域低温动力变质作用下形成一套浅变质岩系，上部层位储存有磷、锰、铁等矿产。部分地区在后期二长花岗岩侵入的外接触带，常储存有萤石矿。与下伏地层呈角度不整合接触，地层总厚1323～4813米。
  （五）寒武系（■）零星分布在大黄山、龙首山南缘的山丹县及祁连山山区的肃南县境内，形成于5.05～5.9亿年之间。岩性主要为一套灰色、灰绿色砂岩、板岩、千枚岩及中、基性火山喷发岩，夹少量碳酸盐及硅质岩。在区域动力变质作用下形成一套绿色浅变质岩系，中部储存有铁、锰矿和黄铁矿型多金属矿产。与下伏地层呈角度不整合或假整合接触，地层总厚大于4720米。
  （六）奥陶系（O）主要分布在民乐和肃南南部的祁连山和榆木山一带，形成于4.08～5.05亿年之间。下部为绢云硅质千枚岩、绢云千枚岩、夹石英岩、英安凝灰岩、凝灰质砂岩、大理岩；上部为细碧岩、细碧砏岩、变灰绿岩、变安山岩、夹凝灰岩、凝灰质千枚岩、石英角斑岩等，总厚大于7180米。该地层在区域动力变质作用下形成一套灰绿色浅变质岩系，下部细碧角斑岩建造中储存有黄铁矿型铜及多金属矿产，与下伏地层呈连续沉积。
  （七）志留系（S）主要分布在民乐、肃南南部的祁连山山区及榆木山一带，形成于4.08～4.38亿年之间。岩性主要为砂岩、砂质板岩、细砾岩、凝灰岩、千枚岩，属浅海相复理石建造和滨海碎屑岩建造，在区域动力作用下形成一套灰绿色浅变质岩系，总厚度为1000～2000米，与下伏地层呈平行不整合接触。
  （八）泥盆系（D）零星分布在肃南南部祁连山山区及榆木山一带，形成于3.6～4.08亿年之间。下部为巨厚的单一紫红色、暗紫色砾岩、沙砾岩和砂岩，上部为暗紫色细砂岩及粉砂岩。泥盆系为典型的山麓磨拉石相建造，地层总厚一般1100～3570米，与下伏地层呈角度不整合接触。
  （九）石炭系（C）区内石炭系极为发育，广泛分布在肃南、山丹、高台、民乐等地的祁连山山区及河西走廊平原区。形成于2.86～3.6亿年之间，该时期是本区主要成煤期之一。石炭系可分为上、中、下三个统：下石炭统以浅海和滨海相灰岩、泥灰岩为主，夹石英砂岩、炭质页岩和煤层，厚160米左右；中石炭统以海陆交互相粗碎屑岩为主，厚150米左右；上石炭统以海陆交互相和湖滨相的灰绿色、暗紫色、紫红色中粒砂岩，灰黑色薄层粉砂岩，灰白色含砾粗砂岩、石英砂岩、夹炭质页岩和煤层组成，厚160米左右，与下伏地层呈不整合接触。龙首山地区石炭系在区域动力变质作用下形成不同程度的变质岩系。主要有黑云斜长混合岩、黑云斜长片麻岩、绢云千枚岩、变细粒硬砂岩、二云母片岩、绢云母石英片岩、硅质白云岩、大理岩及结晶灰岩，总厚度达5400米左右，与下伏地层呈角度不整合接触。
  （十）二叠系（P）境内二叠系发育齐全，与石炭系往往相伴出露，在山丹、民乐、高台、肃南等地区出露较好。形成于2.48～2.86亿年之间。二叠系下部以陆源灰绿色中细粒砂岩、粗砂岩、沙砾岩和砾岩为主，北部龙首山地区受海底火山喷发影响，夹流纹质熔岩和凝灰岩，厚220米；上部为陆源紫红色粗砂岩、砾岩及含砾粗砂岩，北部龙首山地区夹粉砂岩、细砂岩及流纹质熔岩和凝灰岩，厚383米，与下伏地层呈连续沉积。
  （十一）三叠系（T）主要分布在河西走廊及祁连山前山地带，形成于2.13～
  2.48亿年之间。三叠系中下部为陆源紫红色、浅灰绿色含砾砂岩夹黄绿色砾岩、粉砂岩及灰黑色砂岩；上部为紫红色砾岩、砂岩夹灰白色、灰黑色粉砂岩及炭质页岩，总厚2180米左右，与下伏二叠系呈假整合接触。
  （十二）侏罗系青土井群（Jzg）零星分布在榆木山、高台北山及祁连山前山地区。侏罗系青土井群形成于1.63～1.88亿年之间，是境内另一成煤期。本区缺失上统和下统。仅有中统青土井群沉积。其岩性为灰白色、浅黄绿色细粒粗砂岩、夹页岩、炭质页岩及煤层。厚130米左右，与下伏地层呈角度不整合接触。
  （十三）白垩系新民堡群（K1xn）主要分布在河西走廊及祁连山山前和龙首山、合黎山、大黄山地区。白垩系在本区缺失上统，仅沉积下统新民堡群，形成于0.975
  1.44亿年之间。新民堡群下部为灰色、浅红色含砂岩、沙砾岩、砾岩及褐红色泥岩夹黄绿色、灰色、蓝灰色泥岩、页岩、粉砂岩，厚859米；上部为紫红色砾岩及紫灰色、青灰色、灰白色沙砾岩、泥质砂岩夹泥岩、岩质页岩和薄煤层，厚1336米。与下伏地层呈角度不整合接触。地层中储存有石膏和地沥青。
  （十四）新第三系（N）主要分布在河西走廊及山间盆地广大地区，境内缺失老第三系。新第三系形成于248～2460万年之间。上第三系中统白杨河组（N1b）：上部为红色砂岩、橘红色泥岩夹石膏；中部为棕红色砂岩、泥岩夹砂岩和石膏；下部为暗紫红色、棕红色泥岩、砂岩互层。总厚454米，与下伏地层呈角度不整合接触。下第三系上统疏勒河组（N2S）：下部为杂色砂岩、页岩、泥岩、砾岩；中部为棕红色砂岩、粗砂岩、砾岩、泥岩、砂质泥岩；上部为灰黄色砂岩、砾岩夹棕红色泥岩、砂质泥岩。总厚710米左右，与下伏地层呈角度不整合接触。地层中储存有沉积型优质石膏。
  二、第四系（Q）
  境内第四系分布范围广，覆盖面积大，沉积厚度也大，时代齐全，成因类型多。
  （一）下更新统玉门组（Q1PL-fgL）主要分布在祁连山、龙首山、大黄山山前平原区及丘陵区。玉门组是在距今73～248万年之间沉积的。其岩性为一套洪积和冰水洪积的杂色砾岩、砂砾岩和砂岩。砾石分选性及磨圆度较差，砾石直径粗大，为泥质、钙质等胶结，局部坚硬。厚度变化较大，一般200～300米，最厚可达700米以上，与下伏第三系呈角度不整合接触。
  （二）下更新统坝格楞组（QP1aL-L）主要分布在河西走廊绿洲区下部，地表出露范围较小。坝格楞组成因类型属冲积、湖积。与玉门组为同期异相沉积。其岩性以橘黄色泥岩、砂质泥岩夹中细砂及砂砾石，多为钙质半胶结。地层厚150～300米，与下伏第三系呈不整合接触。
  （三）中更新统下酒泉组（QLP）主要出露在马营河、摆浪河、元山子一带及榆木山、龙首山山前、民乐永固、肃南红湾寺、马蹄寺等地区。下酒泉组是在距今20～73万年之间沉积的，其岩性为洪积的巨厚砂砾卵石，泥质半胶结，较疏松。是境内地下水主要含水层之一。地层厚200～300米，与下伏地层呈不整合接触。
  （四）上更新统上酒泉组（Qp3aL-pL）广泛分布在祁连山、龙首山、大黄山、榆木山山前的大片戈壁地区及山区现代沟谷两岸。上酒泉组是在距今1.2～20万年之间沉积的。为冲积、洪积灰色砾卵石。山前颗粒粗大，向绿洲区逐渐变细，并夹有薄层亚砂土、亚黏土及粉细砂，构成多层结构地层。岩石松散，无胶结，层状水平，是本区主要含水层之一。地层厚30～50米。与下伏地层呈不整合接触。
  （五）全新统（Qh）境内全新统广泛分布，成因类型较多，岩性、岩相复杂，是在距今1.2万年以来形成的。按成因类型划分如下：
  1.冲积砂土、沙砾卵石（QhaL）分布在黑河及山区沟谷两岸，由水流冲刷、搬运、堆积而成。多呈二元结构，即上部为亚砂土，厚1～3米，是现代耕植层；下部为砂砾卵石，厚10～20米，是浅层潜水的主要含水层，与下伏地层呈嵌入不整合接触。
  2.残坡积层（Qh2L-aL）广泛分布在基岩山区，特别是北部的合黎山地区最为发育。岩性以碎石为主，成分就地取材，因地而异。多为棱角状，直径大小不一，厚0.5～1.0米。h）
  3.洪积层（QPL主要分布在祁连山、大黄山、龙首山、榆木山山前及山间盆地洪积扇裙地带及暂时性水流的河谷内，由洪水冲刷搬运堆积而成。岩性复杂。主要有亚砂土、亚黏土砂砾石、砂碎石、卵砾石等组成，地层厚3～5米。
  4.湖积层（QhL）零星分布在张掖城区东部和北部乌江、大湾、蓼泉、鸭暖及高台城区北部、黑泉等地的泉水溢出带、湖泊地区。湖积层是在湖水作用下和地下水溢出后大量植物繁衍腐烂堆积而成。岩性为黑色、灰黑色淤泥质亚砂土、亚黏土、淤泥、泥炭等组成，富含大量腐殖质及植物根系，局部形成泥炭和草炭、厚一般2～3米。
  5.风积层（Qhh）主要分布在高台北山、明花滩、鸭暖、平川、蓼泉、西城、朝元寺等地。风积层是在风的吹扬和搬运下沉积松散、流动性很大、对人类工农业生产威胁较大的中细砂。多呈垅岗状沙丘、新月形沙丘、平坦沙地和丛草沙堆分布，高一般5～10米，最高可达30米以上。
  6.化学沉积（Qhch）主要分布在高台盐池及西碱场等地。化学沉积是地下水在强烈蒸发作用下水中化学成分遗积地表而形成的。其岩性主要为食盐、芒硝、钾盐、石膏等。化学沉积物厚一般1～1.5米。最厚可达3米左右，食盐和芒硝是全区第四纪主要矿产之一。