晚古生代华北陆块两侧多处于活动大陆边缘，在相邻陆块或陆弧碰撞过程中，以挤压隆升为主，华北陆块也相应抬升，如O3—C1时期长达1.3亿年的剥蚀夷平。石炭纪周边压应力开始缓解，C2晚期海水由东北和西部向陆块漫侵，随后整个陆块普遍沉积一整套海陆过渡，含多组煤层、暗色泥岩、砂岩等旋回组合，成为我国重要的能源大宝库。尤其是煤炭，大型矿山基地林立。石炭、二叠系煤炭总资源量1.491×1012t。其中太原组和山西组就占94.9％［317］，山西组是成煤的顶峰。天然气、煤成气经过近年的勘查，也显现其威力。
上古生界沉积等厚线与两侧活动带走向大致相符（图111）。偏东部隆、坳起伏显著，鄂尔多斯则保持南北向中央隆起态势。晚古生代华北陆块海区有一个从北向南转移的过程，图34表示由太原期、山西期、石盒子期沉积环境和成煤盆地的变化。
1. 泥盆系沉积很局限
祁连山前沉积了较厚的磨拉石，中宁、中卫地区可达2000多米，岩性成分复杂，成熟度很低，为造山运动山前高坡度粗杂堆积。D3时期沉积范围有所扩大，以紫红色砂岩、粉砂岩及泥岩为主，都不利于油气生成。
陆块北缘温都尔庙沉积了一套含珊瑚、腕足类等生物的滨浅海陆源碎屑建造，但被随后的构造复杂化，未能系统保存。
整个华北陆块主体，泥盆纪都处于隆升剥蚀状态。
2. 石炭纪沉积与烃源
石炭纪时期，华北陆块在长期剥蚀夷平的基础上缓慢下沉，周边也相对平静，碎屑物供应也不多，整个石炭系沉积厚度仅约200m。贺兰坳拉槽和巴彦浩特沉积厚度超过1000m，东部稍厚也只有三四百米。
石炭纪早期，陆块还处于加里东隆升剥蚀的后期，仅克拉通边缘有零星沉积。
到本溪期，海水从东北和祁贺两个方向进入陆块，没有越过鄂尔多斯中央隆起（图112）。这是经历一亿多年隆升后首次对奥陶系风化壳的填平补齐。此时，贺兰坳拉槽沉积了较厚的羊虎沟组。本溪组开始了最早的煤系沉积，以滨岸潮坪-沼泽相为主。
太原期（C3）海水完全覆盖陆块，成为一个范围广大的沉积整体。C3时期区域构造很平稳，沉积厚度仅100～180m，反映周边碎屑物供应很贫乏。陆块东部和中部为浅海台相灰岩，海陆交互暗色泥岩夹层。由于气候温湿，灰岩与煤系沉积总趋势是愈往南愈新。贺兰海槽到太原期仍很活跃，地层厚度在1000m以上，由于太原组成煤条件良好，煤炭资源量约占全陆块整个上古生界46％以上，和山西组平分秋色（48％）［317］。暗色生烃泥岩和煤层多是对应的，以Ⅲ型干酪根为主的太原组烃源岩，也主要沉积在陆块中、北部。
图111 华北陆块晚古生代沉积厚度图（据石油工业部石油物探局四处）
图112 华北早石炭世岩相古地理图（据孟祥化、葛铭，1988）
3. 二叠系沉积和烃源
二叠纪是华北陆块构造、气候、古地理重要转折期。周边不断上升（尤其是北方），碎屑物逐步增多，沉积物由海陆交互转变为内陆河湖沉积，并不断向东南迁移，由富煤、富烃高峰转为不利于生烃成煤环境。图113的成煤黑色箭头鲜明地反映这一突然的转化，表示古地理和生态突变关系［317］。 图113 华北板块C—P主要植物的生态域分布及古气候图［317］｜Bm-1.赤道和热带常湿生态域；Bm-2.热带和亚热带夏湿生态域；Bm-3.亚热带沙漠生态域；TR—热带雨林气候；SV—稀树林气候；SA—亚热带干旱气候
山西期在沉积之初继承太原组的各种特征，但北部山区比较活跃，在北京以北普遍见到粗碎屑和砾岩，煤层变为不稳定。石灰岩、暗色泥岩和稳定富煤层明显向南转移。徐州、济南、太原一带地层较厚，生烃泥岩和煤层最有利。西部贺兰槽的作用已减弱，巴彦浩特和六盘山地区以海退后陆相为主。海西运动后多遭剥蚀，深钻井中不见二叠系。
石盒子期由于北部碰撞挤压强烈，普遍抬升成为蚀源区，从北向南形成一系列较大的河流。陆块除东南两淮地区仍有海相沉积、普遍发育一套煤系地层外，大部分都属内陆河湖相沉积，煤炭资源迅速减少，只占华北的5％左右［317］；暗色泥岩也在相应减少。但由于河流发育，特别是早石盒子期，成为华北陆块最有前景的储集层段。因为砂岩群组下面是太原组、山西组，在广大范围内是近水楼台；以及下石盒子组砂体伸入中部湖沼，也有利于接受侧向运移的油气。而紧叠其上的上石盒子组和石千峰组，属于干旱气候下的杂色泥岩、砂岩及局部石灰岩、石膏层，总厚度很大，封盖条件很有利。
因此，上古生界沉积大旋回匹配成生、储、盖良好组合系统：
以太原组、山西组为主的烃源岩；
以山西组、下石盒子组为主的砂岩储层；
以上石盒子组、石千峰组为主的盖层组系。
各层系内部在不同地区，还发育有次级生、储、盖组合。
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