盆地的沉积盖层主要包括：下白垩统大磨拐河组（K1d）和伊敏组（K1y），新近系呼查山组（N12h）和局部地区发育的五叉沟组（N2w）玄武岩系，以及第四系松散堆积物（见表1-1）。在整个查干诺尔盆地区的沉积盖层当中，缺失上白垩统和古近系。
中生界下白垩统大磨拐河组（K1d），在本区地表未见出露，但根据钻孔资料可知岩性主要为：灰色、深灰色、灰黑色泥岩、粉砂质泥岩，灰色泥质粉砂岩、粉砂岩、粉细砂岩，棕灰色含有粉—细砂岩，底部以杂色砂砾岩为主，富含炭屑，偶见黄铁矿，夹煤线。与下伏地层呈角度不整合接触关系，厚度约2000m。根据岩性特征，本组自下而上可分为5个岩性段。1段：发育了大套的砂砾岩，以山麓洪积相为主；上部岩性主要为大段的杂色砂砾岩、泥砾岩，夹薄层深灰色、灰黑色粉砂质泥岩，灰色泥质粉砂岩、粉砂岩；下部岩性为紫红色泥岩、粉砂质泥岩，灰绿色泥质粉砂岩与杂色砂砾岩、泥砾岩呈不等厚互层；厚度630m。2段：沉积较为稳定，厚度变化不大，以滨浅湖相沉积为主；上部岩性为深灰、灰黑色泥岩、粉砂质泥岩与灰色泥质粉砂岩、粉砂岩呈不等厚互层；下部岩性以杂色砂砾岩为主，其次为深灰色粉沙质泥岩、粉—细砂岩；厚度153m。3段：沉积较稳定，厚度变化不大，为半深湖相沉积为主，岩性组合以砂泥岩薄层互层为特征；上部岩性主要为深灰、灰黑色泥岩、粉砂质泥岩，夹薄层灰色泥质粉砂岩、粉砂岩；下部岩性主要为深灰色、灰黑色泥岩、粉砂质泥岩，灰色泥质粉砂岩、粉砂岩，以及灰色粉—细砂岩与杂色砂砾岩呈不等厚互层；厚度560m。4段：沉积较稳定，厚度变化不大，以深湖相沉积为主，发育了大段黑色泥岩；上部为巨厚层状灰黑、黑色泥岩夹薄层灰黑色粉砂质泥岩，灰色泥质粉砂岩；底部为薄层状深灰、灰黑、黑色泥岩、粉砂质泥岩与灰色泥质粉砂岩、粉砂岩呈略等厚互层，夹薄层杂色砂砾岩；厚度260m。5段：地层厚度变化大，沉积不稳定，主要为深灰、灰黑色泥岩与灰色砂岩互层，以浅湖相沉积为主；上部岩性主要为深灰、黑灰、灰黑色泥岩、粉砂质泥岩，夹中—厚层灰色泥质粉砂岩、粉砂岩、粉细砂岩，具正旋回的韵律特征；厚度400m。
中生界下白垩统伊敏组（K1y），主要分布于盆地西部古宁浑迪-哈沙廷呼都格-那尔图一带，盆地中东部则被新近系和第四系所覆盖。露头上见到的岩性主要为一套灰白色、灰褐色砂砾岩、砾岩、不等粒长石质杂砂岩、泥质粉砂岩和泥岩夹煤线，含有大量植物和孢粉化石，最常见的有：Sphenobaiera sp.，Carpolithus sp.等植物化石和Coniferus，Densoisporites，Jiaohepollis，Inerturopollenites等孢粉化石（郝诒纯等，2002）。根据钻孔资料分析，这套岩石与下伏大磨拐河组呈平行不整合接触。在岩性特征上，该组可划分为3个岩性段：下段，是全区发育较好的地层，沉积稳定，广泛分布于盆地中东部，厚度变化不大，具河流—沼泽相沉积特征，岩性为浅灰、黄褐、紫灰色凝灰质砂砾岩夹薄层泥岩，灰、绿灰色泥质、钙质胶结的砂岩、砾岩，灰褐色泥质页岩，厚度约125m；中段，全区分布，沉积稳定，厚度变化不大，为河流—沼泽相沉积，岩性主要为灰、灰绿色泥岩，钙质胶结砾岩夹薄层泥岩及粉砂岩，灰绿色泥质页岩夹薄层泥质粉砂岩，厚度约80m；上段，主要分布于盆地西部，沉积厚度变化较大，为河流相沉积，岩性为灰绿色砾岩、灰黑色泥岩及页岩夹泥质粉砂岩，在泥岩和页岩中含大量炭屑及动植物化石，厚度约265m。
新生界新近系中新统至上新统呼查山组（N12h），主要分布于呼查乌拉一带的低缓山坡地带，岩石组合为砾岩、砂岩、粉砂岩及泥岩等内陆河湖相碎屑沉积建造，但岩层出露很差，仅在呼查乌拉出露有偏下部的湖相沉积砂、泥岩，成岩度很低，呈半胶结的松散状态。与下伏伊敏组呈角度不整合接触关系，厚度大于150m。
新生界新近系上新统五叉沟组（N2w），主要出露于伊和布日赫日乌拉-那尔图一带，呈北东向带状展布，面积约250km2。岩性主要为玄武安山岩，其次为安山岩和安山玄武岩，颜色以紫灰、灰紫和灰色为主，发育气孔状构造，属于火山喷出相溢流亚相的产物。岩层产状平缓，一般小于10°，厚度0～290m。与下伏伊敏组和呼查山组呈微弱角度不整合接触。
新生界第四系在区内广泛分布，尤其在盆地中东部的下伏地层绝大部分被其松散堆积物所覆盖。下更新统冰水堆积物），主要分布于盆地外围宝格都乌拉苏木-贝尔苏木一带，以及乌尔逊河两岸，构成了大面积的冰水堆积平原；冰水堆积物由浅黄、灰黄、灰白色砂砾石组成，偶夹细砂、粉砂及粘土层，表层有亚砂土和腐殖土，厚度一般在 10～25 m之间。上更新统冰水堆积物，主要分布在盆地外围乌兰诺尔西南部及黄旗庙一带的冰积谷地之中，地表未见出露。据水文钻孔资料可知，堆积物分上下两个部分：上部为浅黄、灰褐色亚砂土、细砂土及中细砂土；下部主要为浅黄色砂砾石。堆积物厚度变化较大，一般在8～20 m之间。上更新统风成砂堆积物，主要分布于查干诺尔盆地外围的东北部，堆积物为细砂和粉砂，据有明显的砂垅、砂坑、砂坎、砂包等风成地貌，厚度大于13 m。全新统残坡积物，主要分布在阿尔善查干诺尔、呼查乌拉一带，堆积物的岩性基本上与其所处部位的原地基岩相一致，并以物理风化为主，反映了干旱—半干旱气候特征；风成砂堆积物，主要分布于呼伦湖南东岸，堆积物以灰黄、浅黄色长英质中细砂为主，地貌上多为活动沙丘和半固定沙丘两种类型，厚度约2～10 m；湖沼及化学堆积物，零星分布于盆地内湖泊沼泽地之中，多由富含硝、碱、盐和石膏的灰黑、黑褐色亚粘土、粘土及粉细砂，厚度一般为5～10 m；洪积物，主要分布于区内德勒勃尔黑花努德以东及查干诺尔湖泊北西侧，堆积物有石块、碎石、砂土，厚度在1～20cm之间；冲积物），主要分布于区内冲沟等低洼地带，岩性为砂砾石及砂质淤泥，厚度一般为5 m左右。
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