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一、前第四系
  张掖地层发育较齐全，岩浆活动强烈，地质构造复杂，矿产资源丰富。该区域下古生界特别发育，并以巨厚海底火山喷发岩为特征。侵入岩以早古中代中深成花岗岩类为主，次为中基性、超基性岩类。构造则由一系列NWW-SEE向的紧密挤压褶皱和冲断层组成。
  （一）前长城系龙首山群（Anchln） 为一套中深级区域变质岩系，主要分布在西部一带，分南北两带沿北西—南东方向展布。北带出露于雅儿河脑至北大河一带以及金龙河、沙龙地区；南带西起刘口峡，东经黑大坂，沿讨赖山南坡延至阴凹槽黑山附近。分上下两个岩组。下岩组以片麻岩和各类片岩为主，夹大理岩、白云岩，局部混合岩化，变质较深；上岩组以片岩和碳酸盐为主，变质较浅。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（Chzh） 主要分布在吊大坂、龙孔、古浪峡一带。由朱龙关群下岩组含铁复理石建造和上岩组碳酸盐岩—火山岩建造或火山岩—复理石建造组成。岩性主要为粉砂质板岩、细砂岩、夹有含砾砂岩和硬砂岩、碳酸盐岩、硅质岩、火山熔岩等。
  其中下岩组是主要的含铁地层之一，“朱龙关式”铁矿赋存于下岩组中。与蓟县系平行不整合接触。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。
  （三）蓟县系（Jxdn） 主要分布在马营河脑以西，岩性以浅变质的海相碎屑岩为主，夹碳酸盐岩及火山岩。可分上、中、下三统，下部为玄武岩、细碧岩、灰岩、砂岩夹碧玉岩，产朱龙关式沉积变质铁矿；中部为碎屑岩；上部为灰岩、白云质灰岩夹碎屑岩，其顶部产规模巨大的沉积变质型铁矿（桦树沟铁矿）。与下伏地层均呈整合接触，储存有变质型镜铁矿，地层厚690～1880米。
  （四）震旦系（Z） 主要分布在合黎山七坝泉和龙首山前沿地带，出露范围小。
  岩性主要为灰绿色含砾千枚岩夹粉砂质千枚岩、灰白色白云质灰岩、灰黑色粉砂岩质、炭质千枚岩等。与上覆浅变质岩系之间为角度不整合接触。部分地区在后期二长花岗岩侵入（V42c）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（〓） 主要出露中寒武统黑茨沟群，分布在祁连山山区大岔牧场南—宝瓶河牧场一带，大黄山、龙首山南缘有零星分布。主要为中基性～中酸性火山岩夹灰岩及铁矿层。岩性为灰黑、灰绿色粗碎屑岩和千枚岩、凝灰板岩、火山碎屑岩、中基性凝灰岩夹硅质岩、大理岩或结晶灰岩及少量安山岩。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（0） 该系在本市分布极广，发育完整，尤以火山岩为主，总厚度达1800米以上。其中下奥陶统阴沟群分布广泛，为一套火山岩、碎屑岩建造，产铁、铜、金、磷矿产。可分南、北两带，北带分布于玉门—肃南地区，分三个岩组。下部、中部碎屑岩组，上部火岩组。南带沿讨赖山南坡分布，主要为碎屑岩夹中基性火山岩。中奥陶统妖魔山组沿走廊南山、冷龙岭带状展布，属浅海相碳酸盐岩。岩性为巨厚的结晶灰岩夹薄层灰岩及少量板岩和中基性火山岩。在金瑶岭以东为中堡组，岩性为碎屑岩及灰岩。上奥陶统南石门子组分布在南石门子及肃南寺大隆一带，为浅海相中基性火山岩建造、碎屑岩建造。
  （七）志留系（S） 境内志留系发育，沿寒武、奥陶系两侧呈带状展布。岩石组合以浅海相—滨海相碎屑岩为主，次为碳酸岩。火山岩在下、中统内零星可见。其中下志留统在北祁连西段，可分为上下两部：下部为小石户沟组，上部为肮脏沟组。主要分布在童子坝河—金瑶岭一带。岩性主要为砂砾岩、砂板岩、局部夹凝灰岩等。下至中志留统主要分布在肃南水关河一带。下部为碎屑岩建造，上部为中基火山岩建造。本统地层与汞锑金矿关系密切。中志留统泉脑沟山群出露于洪水坝河水域，属浅海相碎屑岩建造。岩性主要为碎屑岩夹礁灰岩、生物碎屑岩夹礁灰岩、生物碎屑灰岩。上志留统旱峡群分布于肃南县城周围，岩性为紫红色碎屑岩夹灰岩、泥岩、页岩。
  （八）泥盆系（D） 主要分布在肃南县青龙、民乐县扁都口—西大河及榆木山一带，属滨海相山间拗陷磨拉石建造。岩性为紫红色块状砾岩、砂砾岩夹硬砂岩、石英长石砂岩等，不整合接触。
  （九）石炭系（C） 主要分布在北祁连山前沿地带，属海、陆交互相含煤建造。
  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。本市缺失上统和下统，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。白垩系在本市缺失上统，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、第四系地层（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（Qp1PL—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。其岩性为橘黄色泥岩、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（Q2PPL） 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（Q3PaL—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，是本市主要含水层之一。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（Q2hL—aL） 广泛分布在基岩山区，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米。
  3.洪积层（QPLh） 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。主要由亚砂土、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（QLh） 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（QeoLh） 主要分布在高台北山、明花滩、鸭暖、平川、蓼泉、西城驿、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（Qch） 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。食盐和芒硝是全市第四纪主要矿产之一。