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烏海地區(qū)地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)的桌子山—賀蘭山地層分區(qū)。區(qū)內(nèi)出露的地層除缺失上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系、下石炭統(tǒng)外，其他各時代的地層均有不同程度的發(fā)育。

一、上太古界千里山群

主要分布于千里山、桌子山一帶，甘德爾山東緣亦見零星出露。為一套淺到深變質(zhì)巖系。由此巖系構(gòu)成地臺的結(jié)晶基底。據(jù)其巖性、巖相組合特征，從老到新分4個巖性組：

1.四泉山組：主要由混合花崗巖、片麻巖及長英變粒巖組成。厚度1268～1715米。

2.察干郭勒組：由一套淺綠色片巖、磁鐵礦層及透輝石大理巖組成。厚度9～104米。此巖組是千里山變質(zhì)磁鐵礦的主要賦存層位。

3.千里溝組：主要由含石墨片巖、片麻巖及大理巖組成。厚度31.413米。

4.哈布其蓋組：主要由片麻巖及混合巖組成。厚度69～803米。

二、中元古界長城系西勒圖群

主要分布于桌子山地區(qū)的西勒圖等地，巖性為棕紅色、灰白色石英砂巖、石英巖夾少量砂礫巖和頁巖，厚度552～807米。是硅質(zhì)礦產(chǎn)的主要賦存層位。與下伏上太古界千里山群呈角度不整合接觸。

三、下古生界

1.寒武系

主要分布在桌子山及甘德爾山地區(qū)，千里山和烏達西亦有小面積出露。

（1）下統(tǒng)：

饅頭組：為灰褐色厚層白云巖，白云質(zhì)灰?guī)r及變質(zhì)石英砂巖夾灰綠色頁巖等，含三葉蟲化石。厚37.80米。與下伏西勒圖群呈平行不整合接觸。

（2）中統(tǒng)：

從老到新可分為3個巖組，即毛莊組、徐莊組、張夏組。巖性主要為薄層灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、頁巖及生物碎屑灰?guī)r、含三葉蟲化石?？偤?span lang="EN-US">266.7～573.3米。

（3）上統(tǒng)：

自下而上分為崮山組、長山組、鳳山組。巖性為石灰?guī)r、白云巖及部分鮞狀灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r。總厚147米。

2.奧陶系

奧陶系僅有下統(tǒng)和中統(tǒng)發(fā)育，廣泛分布于桌子山、甘德爾山一帶，千里山、老石旦、烏達以西地區(qū)亦有零星出露。

（1）下統(tǒng)：

三道坎組：分布在桌子山、甘德爾山、老石旦、烏達以西及千里山北部。主要巖性為淺灰色石英砂巖、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖互層，中下部夾生物碎屑灰?guī)r，厚50～198米。與下伏寒武系平行不整合接觸。

桌子山組：分布同三道坎組。上部巖性為灰、深灰色厚層灰?guī)r夾燧石結(jié)核灰?guī)r，中下部為深灰色厚層灰?guī)r夾黃色及淺褐紅色斑塊狀灰?guī)r，含頭足類化石。厚240～570米。本組石灰?guī)r質(zhì)量一般較好。

克里摩里組：巖性主要為灰黑色薄層灰?guī)r夾黑色頁巖，含筆石化石。厚100米。

（2）中統(tǒng)：

由老至新分為烏拉力克組、拉什仲組、呼和查布其組。零星出露于甘德爾山南部、拉什仲及公烏素以北地區(qū)。巖性主要為頁巖、砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、生物灰?guī)r及礫巖，巖性變化較大。含筆石、珊瑚等化石?？偤翊笥?span lang="EN-US">299米。