研究区内出露的地层，主要有新太古界、元古宇、古生界及中、新生界。现由老到新叙述如下。
一、新太古界
新太古界系区内最古老的地层单元和基底岩系，主要沿内蒙古隆起断续出露于太仆寺旗、赤峰市南部地区，构成了区域东西向基底火山－沉积建造。地区性地层名称主要有“红旗营子群、鞍山群和建平群等”，与其相当的地层在西部乌拉山和大青山地区为乌拉山群。根据《内蒙古自治区区域地质志》(1991)，太仆寺旗地区为红旗营子群，地层应在鞍山群或建平群之下，相当于新太古界的上集宁群。其北部的正蓝旗一带由乌拉山群黑云斜长片麻岩组成，出露零星。赤峰市南部地区则属于鞍山群或建平群。由于中、新生界沉积覆盖及华夏系和新华夏系构造的改造，该套地层多被分隔成3个呈北东向展布的菱形块体。
红旗营子群下部由石榴黑云浅粒岩组成，上部主要是细粒含石榴子石黑云母变粒岩夹长石石英岩、含石墨浅粒岩、含矽线石石榴子石浅粒岩和含石墨大理岩等。
王时麒等(1994)将赤峰南部地区变质岩划分为建平变质杂岩(相当于原建平群小塔子沟组)和大营子群(相当于原建平群大营子组)。
按照现有岩石组合特征，建平变质杂岩可以划分为3种类型:①片麻岩+斜长角闪辉石岩+麻粒岩+磁铁石英岩组合，分布于努鲁儿虎山隆起带东南部，即辽宁朱力科—建平—河北凌源一带;②斜长角闪(辉石)岩+片麻岩+磁铁石英岩组合，偶见麻粒岩，分布于努鲁儿虎山隆起带北部贝子府一带和马鞍山隆起带南部的黑里河断裂以南;③斜长角闪(辉石)岩+片麻岩+少量大理岩组合，偶见基性麻粒岩，主要分布在铭山隆起带上的红花沟等地区。
上述变质岩可以划分为上壳岩和侵入岩。上壳岩包括磁铁石英岩、大理岩、斜长角闪岩和黑云母二长片麻岩等;侵入岩包括辉长岩、不同期次侵入的英云闪长岩、奥长花岗岩、花岗闪长岩(TTG)组合。其中，TTG岩石约占变质岩出露面积的60%以上，上壳岩只呈孤零的捕虏体形式存在。
这套变质岩的全岩Sm－Nd年龄为2847Ma(属表壳岩系)，TTG岩系侵入岩的锆石U－Pb年龄为2600～2500Ma。采自赤峰红花沟地区的黑云斜长片麻岩(英云闪长岩)锆石U－Pb年龄为2575Ma(崔文元，1991;王时麒等，1994)，代表研究区TTG岩石侵位年龄。以2900±100Ma作为古(中)太古代和新太古代的界限年龄，研究区内出露的基底岩石时代属于新太古代(李永刚等，2003)。
大营子群主要分布于努鲁儿虎山隆起带中部大营子、金厂沟梁一带和马鞍山隆起带的中北部。按照岩石组合可以划分为两种类型:①片麻岩(花岗片麻岩、角闪斜长片麻岩、斜长片麻岩)+斜长角闪岩+结晶片岩(角闪片岩、角闪斜长片岩、绿泥片岩、阳起石片岩、黑云石英片岩)+大理岩组合，分布于努鲁儿虎山隆起带中部及马鞍山隆起带南部的黑里河断裂以北一带;②片麻岩+斜长角闪岩组合，大理岩少见，分布于马鞍山隆起带中部的楼子店—大城子一带。
这套变质岩原岩建造相当于拉斑玄武岩与科马提质岩互层的超基性火山岩系、玄武岩、安山岩及流纹岩夹科马提岩的中基性火山岩系，以及流纹岩、安山岩、火山碎屑岩、硅铁质岩的中酸性火山－沉积岩系，属于新太古代华北地块的优地槽火山岛弧建造。
总体上看，区内基底变质岩系构成了新太古代花岗－绿岩带的一部分。建平变质杂岩变质程度为高角闪岩相—麻粒岩相，以含大量磁铁石英岩、磁铁角闪岩类为特征;而大营子群及红旗营子群变质程度为低角闪岩相—绿片岩相。
该套变质岩为研究区内金矿最为主要的赋矿围岩，也是最为主要的矿源岩系之一。区内主要的大、中型金矿床及71%以上的金矿储量集中分布于该套地层中。除此之外，部分沉积变质型铁矿也主要发育在该套变质岩系中。
二、元古宇
区内所涉及的元古宇零星分布于以下两个地区:一是位于西部太仆寺旗一带的古元古界二道洼群和中新元古界的化德群，以大理岩夹片岩为主，在太古宇红旗营子群中呈孤岛状分布;二是出露于南部黑里河一带及东南部邻区燕辽沉降带内部的中新元古界，包括下部长城群和上部蓟县群，沉积建造均以碳酸盐岩－泥质岩为主，夹陆源碎屑岩。依据层位关系，自下而上划分为常州沟组、串岭沟组、大红峪组。常州沟组为石英岩，可见厚度在200m以上;串岭沟组由砂岩、板岩夹石英岩组成，含层状磁铁矿，可见厚度40m;大红峪组由白云质大理岩、条带状大理岩夹石英砂岩、石英岩及板岩等组成，属浅海相沉积，厚度大于426m。
另外，在喀喇沁旗明安山地区，有一套结晶灰岩、条带状灰岩并夹极少的砂、板岩，厚度在1439m以上。在撰山子金矿南部，有一套片岩、片麻岩夹大理岩岩系。1∶20万(喀喇沁旗幅)地质报告中分别划分为奥陶系明安山群和下古生界奥陶－志留系，现1∶50万全国地质图数据库中将其划归为中新元古界，本书采用了后者的划分方案。
区内资料表明，元古宇是区内及邻区铅锌矿、钼矿、铁矿等多金属矿的重要矿源岩系。西部多伦地区的古元古界二道凹群是该地区沉积变质型铁矿及矽卡岩型铁矿的主要沉积建造及矿源岩系;研究区东南部邻区的燕辽沉降带中的中新元古界中赋存有肖家营子大型钼矿等。
三、古生界
区内古生界主要分布于赤峰北部和东部，是沿华北地块北缘形成的一套活动型火山－沉积岩系，包括典型的复理石建造、细碧角斑岩建造、硅质岩建造等，属于区域上温都尔庙－翁牛特旗加里东褶皱带的组成部分。包括寒武系、奥陶－志留系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系，其分布具有较为明显的地域分带性。其中，在翁牛特旗东南—敖汉旗西侧，以出露早古生代的奥陶－志留系为特征，分别构成了多伦复背斜和敖汉旗复向斜的核部及翼部。敖汉旗东部至下洼一带，则以广泛出露石炭系为特征。而二叠系则从东到西广泛出露。区内古生界由老到新特征如下。
(一)奥陶系－下志留统(O－S1)
该套地层零星出露于西拉木伦河两侧半拉山—白音板沟门一带和乌丹南部—西南部半博罗沟、穆家店、旗杆庙，沿少郎河两岸及解放营子羊肠子河一带。地层总厚度700～2865m。地层总体走向为近东西向，局部为北西向。该套地层普遍遭受中级区域变质作用。根据变质程度和岩性组合，该系分为上、中、下3部分:上部为黑云石英片岩、白云石英片岩、二云斜长片岩夹薄层灰质板岩;中部为角闪斜长片麻岩、黑云花岗片麻岩、糖粒状大理岩;下部为大理岩、角闪斜长片麻岩和斜长角闪片麻岩。
关于该套地层的划分仍然存在不同的意见。在《内蒙古自治区岩石地层》中认为这套片岩、大理岩等应该属于元古宙的产物。某些矿产勘查报告中仍然将该套地层划分为志留系下统双井组、中统水泉沟组，以及中上统晒勿苏组。但毫无疑问，该套地层是研究区内铅锌矿的主要围岩之一。
(二)中上志留统(S2+3)
该套地层多与奥陶系－下志留统相伴出现，区内主要分布于翁牛特旗隆起南部的解放营子、西拉木伦河中段的陈家营子—巴林桥一带，以及奈曼旗的下石碑至库伦旗南部等地。横向上岩相变化很大，但岩层延伸较为稳定，分布比较规律。以中上志留统(S2+3)为主，总体上为一套中低级变质的沉积岩及火山岩地层。翁牛特旗南部解放营子一带的羊肠子河沿岸出露中志留统晒乌苏组(S2s)，根据现行采用的岩石地层单元，该组为一套浅海相碳酸盐岩岩系，岩性主要是结晶灰岩、礁灰岩及泥灰岩，局部夹少量斑岩，厚度大于600m;整合在晒乌苏组之上的有八当山组火山岩(S2bν)和西别河组(S—Dx)。其中，八当山火山岩主要为流纹斑岩夹板岩，厚1064m，时代属中志留世;西别河组则是一套由浅海相的砂岩、灰岩、板岩、变泥岩及生物礁等构成的岩石组合，时代属于晚志留世—早泥盆世之间的产物。志留系各组均属连续沉积，与下伏地层(O—S1)之间为整合接触。总体上看，该套地层为东西向，但局部为北东东向或北东向。它们共同构成翁牛特旗复背斜及敖汉旗复向斜的一部分。
(三)下泥盆统(D1)
区内仅出露下泥盆统前坤头沟组，孤立地分布于敖汉旗前坤头沟一带。地层由浅海相碎屑岩夹灰岩组成，主要包括灰褐色、灰绿色碎屑岩(杂砂岩)、板岩夹灰岩及基性火山岩。地层可划分为上、下两部分。其中，上部为复成分砂岩、板岩和基性火山岩;中部为砂质板岩、千枚岩板岩，夹砂岩、灰岩;下部为复成分砂岩，夹板岩、钙质粉砂岩、细砂岩等。不完全厚度为1438m。地层走向近北西－南东向，倾角一般70°左右。与上覆二叠系青凤山组呈断层接触。
(四)石炭系(C)
出露广泛，类型齐全，多属浅海相至海陆交互相沉积岩、火山沉积岩和火山岩。断续分布于赤峰北部的桥头、敖汉旗至东部奈曼旗的下石碑一线。按照两分法，自下而上分为下石炭统朝吐沟组(C1ch)、白家店组(C1b)和石嘴子组(C1s);上石炭统酒局子组(C2jj)。各组之间皆为整合关系。
下石炭统朝吐沟组(C1ch):分布于敖汉旗朝阳沟、赤峰七大分、二道杖和奈曼旗木匠沟至半烧锅等地。为一套以变质火山岩为主的岩石组合，由变质基性至中酸性熔岩、变火山碎屑岩夹绢英片岩及少量石英岩组成，厚度2215m以上。
白家店组(C1b):指分布于敖汉旗一带、位于朝吐沟组之上，被石嘴子组超覆的一套海相碳酸盐岩岩系，与石嘴子组的砂板岩部分层段呈犬齿状相变关系，因此，在不同地段的剖面上可以出现数量不等的砂板岩夹层。该组灰岩在区域上厚度变化较大，白家店组灰岩在敖汉旗杨家杖子一带厚2533.3m，向四周延伸厚度逐渐变小，碎屑岩夹层增多。在白家店厚度为500m左右，到奈曼旗房后沟脑一带厚度变化为230m。
石嘴子组(C1s):在区内指分布于赤峰一带的石炭纪海相砂、泥(板)岩组合，分布于敖汉旗白家店南山、家道沟、奈曼旗房后沟脑等地。与白家店组灰岩呈指状(犬齿状)交错相变，在交界处可以出现数量不等的灰岩夹层。
上石炭统酒局子组(C2jj):分布于敖汉旗家道沟、范家杖子、捣各朗营子、三官营子、玳瑁沟、库伦旗向阳所等地;岩性为一套陆相或海陆交互相砂页(板)岩，含煤，局部可夹灰岩透镜体、中酸性凝灰岩，厚度为135～664m。
总体来看，该套地层以火山沉积岩为主，由下而上沉积岩逐渐减少以至消失，沉积韵律清楚;岩石普遍经受浅变质作用，一般多具有板岩化、千枚岩化，局部见片理化及青磐岩化。在岩体的接触带多形成接触变质作用，形成红柱石板岩和角岩化。
(五)二叠系(P)
主要为下二叠统，少量为上二叠统，分布广泛，为一套巨厚的浅海相或海陆交互相沉积－火山岩地层，岩相变化较大并遭受轻微变质。根据现行采用的岩石地层划分方案，区内二叠系主要包括三面井组、额里图组和于家北沟组。
三面井组(Ps):指分布于锡林郭勒盟南部镶黄旗至多伦一带，不整合在岩体或石炭系之上的一套浅海至滨海相碎屑岩组合，下部常发育含燧石灰岩和生物碎屑灰岩，上界与额里图组整合接触或被中生代火山岩不整合覆盖;区内主要见于西部正镶白旗额里图牧场二分场等地，整体厚度为269m左右;该组沉积时限为早二叠世早期。
额里图组(Pe):呈东西向分布于镶黄旗、正镶白旗、正蓝旗、多伦县、克什克腾旗及翁牛特旗等地。岩性及厚度变化较大，由西向东厚度明显变小，正常碎屑岩较少、火山岩增多。在克什克腾旗于家北沟一带，本组以安山岩为主夹凝灰岩，底部被花岗岩侵入，上与于家北沟组整合接触;翁牛特旗武家沟南山为中酸性火山碎屑岩夹安山岩，下界不清，上界与于家北沟组整合接触。额里图组地质时限为早二叠世晚期，总厚度大于1544.7m。
于家北沟组(Py):现指西拉木伦河以南中生代火山岩和额里图组中酸性火山岩之间的一套海陆交互相沉积，主要在正镶白旗至翁牛特旗一带出露。岩石为灰绿、黄绿色凝灰质砂岩、砂砾岩、砾岩、粉砂岩夹板岩和火山碎屑岩组合。上界与满克头鄂博组不整合接触，下界与额里图组整合接触。于家北沟组沉积时限为早二叠世晚期—晚二叠世早期。
古生界为区内较为重要的铅锌、铜矿源岩系之一，尤其是奥陶－志留系和二叠系，区内小营子等大中型铅锌矿等均产于该套地层中。在撰山子金矿古生代地层还成为金矿的直接赋矿围岩。在北大山—峰水山一带也是直接的赋矿围岩。
另外，在研究区东南邻区(燕辽沉降带)内广泛出露古生代地层，但其沉积建造特征与区内不同。燕辽沉降带中主要为一套稳定型盖层沉积，以碳酸盐岩夹碎屑岩建造为主。
四、中生界
晚二叠世末期，中朝板块与西伯利亚板块对接成为欧亚大陆以后，中新生代以来，中国东部受滨太平洋构造域的影响，以形成一系列北东—北北东向的隆起带和坳陷带的构造格局为特征，并伴随有强烈的火山活动及岩浆侵入。在火山喷发间歇期，发育了以陆内河湖相为主的碎屑岩－泥质岩系和含煤碎屑岩系。中生界包括三叠系、侏罗系和白垩系，以白垩系最为发育。其中，对于侏罗系和白垩系的划分，我们参考最新公布的《国际地层表》(2004)，以145.5±4Ma作为二者之间的划分界线。现按由老到新的顺序对区内中生界作如下叙述。
(一)三叠系(T)
仅零星见于研究区东南部辽西地区，岩性为长石砂岩、砾岩、砂质页岩等。
(二)侏罗系(J)
侏罗系主要分布在研究区东南部辽西地区及南部的燕辽沉降带(冀北—辽西地区)之内。其中，下侏罗统北票组以沉积岩为主，间夹少量火山岩。中侏罗统以蓝旗组中酸性火山岩为主;区内仅见零星的上侏罗统沉积。上侏罗统－下白垩统土城子组以紫红色砂、砾岩为主，不整合盖在下侏罗统之上。
(三)侏罗－白垩系(J－K)
综合起来，区内岩石地层单元自下而上主要有土城子组、满克头鄂博组、玛尼吐组、白音高老组和热河群(包括义县组、九佛堂组和阜新组)和孙家湾组等。
土城子组(JKt):指广泛分布在大兴安岭—燕山地区的紫红色碎屑岩，下部为紫色、紫红色、灰绿色砾岩、砂岩、粉砂岩、粉砂质页岩;中部为灰紫色、黄褐色复成分砾岩夹砂岩及岩屑杂砂岩;上部为灰绿色砂岩、凝灰岩偶夹紫红色砾岩。在区内主要出露于喀喇沁旗朝阳沟、小牛群、克什克腾旗胡萝卜淖等地，厚度从197～1503m不等。该组地层区域上不整合在万宝组及新民组之上，其上被满克头鄂博组不整合覆盖。其地层沉积时代为晚侏罗世中晚期至早白垩世早期。
满克头鄂博组(Kmk):指不整合于林西组、土城子组、万宝组或新民组之上，被玛尼吐组整合覆盖的酸性火山熔岩、酸性火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩，偶夹中性火山岩。广泛出露于大兴安岭—燕山地区，横向上岩性及厚度变化较大。
玛尼吐组(Kmn):指整合于满克头鄂博组之上、白音高老组之下的中性火山熔岩、中酸性火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩、沉积岩夹少量酸性火山岩地层。其下与满克头鄂博组以安山岩大量出现为界，其上以酸性火山岩大量出现与白音高老组分界。野外主要以一套灰紫色、灰色、灰绿色安山岩、粗安岩、英安岩、中性凝灰岩夹凝灰质砂岩、沉凝灰岩为特征。厚度一般为几百米，局部可达1000m以上。
白音高老组(Kb):为一套杂色酸性火山碎屑岩、酸性熔岩、酸性熔结凝灰岩夹中酸性火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩、沉积岩及安山岩。其整合在玛尼吐组中性火山岩之上，区域上被梅勒图组中基性火山岩不整合覆盖。厚度300～800m不等。
热河群(KR):为土城子组之上、孙家湾组之下的一套含有热河动物群的火山岩夹沉积岩组合，包括义县组、九佛堂组和阜新组。
义县组(Ky):指发育在赤峰地区不整合于上、中侏罗统及其更老地层之上的以中基性火山岩、火山碎屑岩为主，局部夹中酸性、酸性和碱性火山岩、火山碎屑岩及多层沉积岩，底部常有砾岩，含热河动物群化石。其上被九佛堂组平行不整合覆盖。在区内集中分布于宁城县、敖汉旗地区、东山区大庙镇至翁牛特旗桥头一线，以及辽西等地。总体上为两套中基性火山岩(局部相变为酸性)，夹沉积岩组合。
九佛堂组(Kjf):指平行不整合于义县组之上，被阜新组整合覆盖的灰色、绿灰色夹杂色钙质粉砂质页岩、粉砂岩夹泥灰岩、砂岩、砾岩、油页岩的沉积岩组合，含热河动物群。区内主要分布于元宝山、平庄两个盆地中，其次是赤峰市松山区大庙镇一带，以及敖汉旗北部长胜乡一带。其上被阜新组不整合覆盖，厚度100～530m不等。
阜新组(Kf):指整合于九佛堂组之上，以灰白色、灰色砂岩、砾岩为主夹深灰色(局部出现紫红色)泥岩、炭质页岩和多煤层的一套含煤地层，其上被孙家湾组不整合或平行不整合覆盖，含动植物化石。广泛出露于元宝山、平庄盆地以及区域其他地区。厚度110～900m不等。
孙家湾组(Ksj):在内蒙古境内仅出露于元宝山盆地和平庄盆地，岩石类型主要为一套红色粗碎屑岩，下部为紫红、黄褐色砾岩，局部夹砂岩及煤线，上部以黄褐色砂岩和砾岩为主夹泥岩及煤层。与下伏阜新组或义县组不整合接触。总厚度大于600m。
中生界是区内金、铅锌矿、钼矿的重要矿源岩系之一，但普遍成矿规模较小，部分达到中型。目前发现的金矿主要有奈林沟小型金矿，钼矿有油房西铅锌银矿等。
五、新生界
新生界涉及的地层包括第三系(古、新近系)和第四系。
(一)第三系(古、新近系，E、N)
区内第三系(古、新近系)的沉积特征和展布方向，严格受地貌条件的控制。根据岩性组成，分为上、下两个组:汉诺坝组和老梁底组，时代均为中新世。下部老梁底组仅见于赤峰初头朗以西一处，主要由砂岩、页岩夹砾岩及泥岩、薄层粉砂岩组成;顶部为一层砂砾岩。厚度约25m。上界与汉诺坝组不整合接触;下界与义县组或更老地层不整合接触。上部汉诺坝组为一套灰黑色、黑色、紫灰色橄榄玄武岩、辉石玄武岩、致密块状及气孔状玄武岩夹红色、砖红色泥岩、灰白色泥岩、砂质粘土、砂岩及页岩，有时含煤线。厚数十米至数百米不等。广泛分布于乌丹、赤峰以西地区，沿河谷两岸构成平坦的台地，产状近于水平。下界不整合于下白垩统九佛堂组或阜新组、白音高老组之上。在赤峰老梁底村不整合于老梁底组之上，厚度仅24m左右。汉诺坝组上界被第四系沉积物覆盖。
(二)第四系(Q)
主要为泥砾层、砂土、亚粘土、黄土及冲、湖积层，沿河谷地带分布。局部出露有玄武岩及冰水沉积物。
区域上，在第三纪(古、新近纪)砂砾石层及第四纪砂砾石中赋存有砂金及砂铂矿等。根据1∶20万区调资料，第三纪(古、新近纪)砂砾石层中砂金达200粒/cm3，但含矿层位不稳定，受古河道控制。另外，在喀喇沁旗南部的七家沟、大窑沟、小苇子沟等地的第四系砂砾石松散堆积物中，均含有砂金，曾经为地方开采，但一般规模不大。
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