固原市在地层上处于华北地层和祁连地层区内,两区以龙首~六盘深断裂为界。华北地层区的次级单元为陕甘宁盆缘分区,彭阳县和泾源县、原州区的部分地区位于该分区的平凉小区内。其余大部分地区位于河西走廊~六盘山分区的六盘山小区和北祁连分区的靖远~西吉小区内。平凉小区内地层分布特点是:下元古界、寒武系、奥陶系、石炭系至侏罗系均很发育,但因黄土大面积掩盖,仅零星见于残山或沟谷中;下白垩统广泛分布,厚度较大;新生界较发育,遍布全市。六盘山小区地层发育极不完全,缺失古生界、三叠系、侏罗系、上白垩统和古新统。下元古界零星分布。早白垩世接受了巨厚的河湖相碎屑岩沉积,砂岩中具铜矿化。靖远~西吉小区出露老地层为下元古界,古生界只有中~下泥盆统;新生界分布广,缺失古新统。大部分地区为第四系黄土覆盖,构成黄土丘陵。
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