大同盆地位於山西省北部，包括大同市、大同縣、懷仁縣、山陰縣、應縣、渾源縣、朔州市等7個縣(市)，平原區總面積約為7440km2。
壹、自然地理條件
1.氣候
大同盆地屬大陸性半幹旱氣候區。氣候幹燥，少雨，多風沙，晝夜溫差大，日照充足。年平均氣溫為6.5～7.5℃，歷年最高氣溫為38.3℃，最低氣溫為-37.3℃，無霜期120～140d，最大凍土深度為1.0～1.8m，平均風速3.0m/s，最大風速可達14～16m/s。
本區多年平均降水量為363～414mm，周邊山區多於盆地中央。只有渾源縣和朔州市多年平均降水量大於400mm，其余地區均小於400mm。與20世紀80年代相比，本區多年平均降水量有減少趨勢。降水量年內分布不均，夏季(6～9月)降水量最多，占全年降水量的74%～79%;冬季(12～2月)降水量最小，僅占全年降水量的1.5%～3%;春季(3～5月)降水量占全年降水量的15%左右;秋季(10～11月)降水量占全年降水量的6%～8%。
本區多年蒸發量為降水量的4.7倍，多年平均蒸發量約為1883mm，蒸發量最大的地區為懷仁縣和山陰縣，大於2000mm。冬春兩季，蒸發量為降水量的10～21倍，冬、春兩季較為幹旱，春旱突出。
2.水文
本區河流屬海河水系，桑幹河為主要河流，支流有恢河、黃水河、十裏河、禦河、渾河。桑幹河發源於寧武管涔山之天池，由陽方口入盆地流經朔城區、山陰、應縣、懷仁、大同至陽高出省境，入河北，註入永定河，幹流長221km。
桑幹河是盆地內地下水的排泄通道之壹，徑流量年內分配極度不均，為典型的夏雨型特征，洪水暴漲暴落，最大洪峰流量出現在7～8月，最小流量壹般在5～6月，徑流量的年際變化十分顯著。據桑幹河東榆林水文站資料，最大月流量為62.9m3/s，最小為0;桑幹河固定橋站最大月流量為78.8m3/s，最小為0。
3.地貌
大同盆地四周群山環抱，西南為管涔山，西邊為洪濤山、七峰山，東北至西南依次為六陵山、恒山、饅頭山，以饅頭山最高，海拔2426m。盆地內地形平坦開闊，西南高，北東低，海拔為950～1100m。盆地兩側山前分布著大小不壹的洪積扇，組成山前傾斜平原，盆地中部為沖積平原。盆地總體呈NE-SW向展布，長約180km，最寬處為48km，最窄處僅有15km。山前傾斜平原坡度為3°～15°，向盆地傾斜，高程為1000～1200m;桑幹河穿過盆地，沖積平原區位於盆地中部，地勢平坦，坡度1°～3°，向河流傾斜，高程為950～1100m。
二、地層、構造
大同盆地是在中生代褶皺基底上發育的新生代地塹型斷陷盆地，NE向、EW向和SN向斷裂分別構成盆地邊界。見圖3-4-6。
圖3-4-6 大同盆地構造略圖(據韓穎等，2006)
(壹)斷裂
1.盆地邊界斷裂
(1)口泉斷裂帶
口泉斷裂是大同盆地西部邊界斷裂，總體走向NE30°，南起山陰上神泉，經懷仁縣大峪口、鵝毛口、大同市口泉，北到鎮川堡壹帶，長約100km，影響帶寬2～3km，斷距1500～2000m，屬活動基底斷裂，新生代以來仍有活動。中生代，該斷裂由壹系列雁行狀排列的逆沖斷層組成，走向NE。新生代後，轉換為張性斷裂。
(2)新廣武東山前斷裂
是大同盆地與東南部山區之間的邊界斷裂，走向NE65°。
(3)大同縣北部EW向斷裂
為大同盆地北部邊界斷裂，EW走向，西起大同市，經閣老山，向東至河北省界，長60km，北部山區上升，南部山區下降，斷裂帶附近有新生代玄武巖噴出。
(4)擔水溝斷層
西起白家窯，東至大夫莊，長38km，為壹走向近EW的正斷層，傾向南，傾角60°～70°，兩盤落差大於300m，東端落差較小，為100～150m。下磨石溝、大平易擔水溝壹帶斷層面清晰，破碎帶寬約5m，可見斷層泥和斷層角礫巖，經歷多期活動。
(5)應縣東部近SN向斷裂
走向NW350°，長30km，為渾源淺凹與後所凹陷之間的分界斷裂。
(6)馬邑斷層
自大夫莊到神武貫穿朔州盆地南北，長約48km，走向NE18°，為正斷層，傾向東，傾角大於60°。斷層西盤基巖埋深小於300m，東盤基巖埋深大於500m。斷層南段的南榆林壹帶基巖埋深大於1000m。為壹階梯狀斷層組。斷層兩盤富水性有明顯差異，構成了神頭泉域的東界。
2.盆地內部主要斷裂
(1)大同-懷仁斷裂
走向NE30°～40°，北起長城，南到郭家窯，延長120km，為懷仁凹陷與黃花梁陷隆之間的控制性斷裂，屬正斷層，東盤上升，西盤下降，斷距約100～200m。
(2)大同-鄭莊-山陰斷裂
走向N40°～55°E，北起天鎮，南到山陰，延長170km，為黃花梁陷隆與後所凹陷之間的控制性斷裂，屬正斷層，西盤上升，東盤下降，斷距300～800m。
(3)東後子口-應縣北-滋潤斷裂
走向NE40°～50°，北起黎峪，經東後子口—米家窯—邊耀—應縣北—山陰舊城南—豆莊至滋潤，長120km。邊耀以北為東部山區與盆地的分界斷裂，邊耀-滋潤段為後所凹陷內部的斷裂。
(二)褶皺
褶皺主要分布在大同盆地的西部，主要有:雲崗-黑流水向斜，走向NE45°，長30km，為侏羅系煤盆地;酸茨河-史家屯-平魯向斜，走向NE50°，長105km，為石炭-二疊系煤盆地，兩翼不對稱，東翼傾角20°～30°，西翼傾角10°;馬營背斜，走向NW320°～350°，北起吳馬營，南到花疙坨，長約12km，兩翼不對稱，西翼傾角30°，東翼傾角15°;朔縣向斜，隱伏於新生界之下，軸向SN，在西部貫穿朔州盆地，呈S形展布，北起下團堡，南至陽方口，長約28km，向斜南端被王萬莊斷層所截。
(三)地層
盆地周邊山區，主要出露太古宇桑幹群和五臺群變質巖系、中-新元古界長城系和薊縣系灰白色燧石條帶與灰白—淺灰紅色巨厚層狀白雲巖，下古生界寒武-奧陶系厚層灰巖，以及石炭系—侏羅系海陸交互相和陸相煤系地層。
新生代地層分述如下:
1.新近系
(1)保德組(N2b)
以火山噴發玄武巖沈積為特征，主要發育在大同盆地內，盆地邊緣及丘陵地帶零星出露。主要為灰色、灰紫及灰黑色橄欖玄武巖，呈致密塊狀和氣孔狀，少數角礫狀，具杏仁構造。玄武巖出露厚度壹般為40～120m，在鎮川堡村西寺兒梁壹帶，可達150m左右。盆地邊緣，零星出露“保德紅土”，多為褐紫、棕黃、棕紅色含礫粘土、粉質粘土，夾零星或層狀鈣質結核和砂礫石層及礫石層。厚5～10m。
盆地內以湖相沈積為主，巖性為灰綠色砂泥巖互層，夾淤泥層和泥灰巖。在應縣、山陰和鎮川堡附近常見玄武巖夾層。湖相地層厚度變化較大，為5～100m，在凹陷中心厚度可達370m以上。
(2)靜樂組(N2j)
分布於盆地內，盆地邊緣丘陵地帶有零星分布和出露，巖性主要為紫紅、深紅色或深棕紅色的粘土，夾層狀鈣質結核，底部有礫石層或砂礫石層透鏡體，厚5～20m。
盆地中的隆起帶，巖性多為棕黃、棕紅及褐色粘土、粉質粘土、粉土與層數不等、厚度不等的砂層、砂礫層及礫石層。埋深100～200m，厚10～40m。
2.第四系
(1)下更新統
泥河灣組(Q1n):盆地內廣為發育，主要為河湖相沈積。巖性為灰綠色、雜色粘土、粉質粘土、粉土及砂層、砂礫或礫石層，常夾富鈣粘土、泥灰巖、淤泥層或泥炭層。盆地中心厚度為200～400m，盆地邊緣厚度為30～100m。
(2)中更新統
離石組(Q2l):盆地邊緣丘陵地帶廣泛出露，主要為離石黃土，為灰黃、棕黃色粉土、粉質粘土，夾2～5層棕紅色古土壤及鈣質結核層，底部或下部礫石層分布不穩定。厚度壹般為5～20m，個別地段可達30～40m。盆地內，為河湖相沈積，巖性為棕褐色砂層、砂礫石及礫石層，常夾灰綠色砂、泥巖。厚度為10～50m。
(3)上更新統
許家窯組(Q3x):廣布於大同盆地內及盆地邊緣。盆地邊緣為桑幹河、南洋河及其主要支流沖積物，組成河流Ⅲ級階地以及Ⅱ級階地底部，巖性為灰黃、棕黃及灰褐色粉土、粉質粘土、粘土及砂層、砂礫層或礫石層;盆地內，夾有數層灰綠色砂、泥層、富鈣質及富炭質粉質粘土薄層，在大同火山群分布區，湖相沈積層中上部夾大同期玄武巖。盆地邊緣，所見厚度為5～30m，在盆地內為10～50m。自盆地邊緣至盆地內，灰綠色砂泥層增多，單層厚度加大。
馬蘭組(Q3m):馬蘭黃土主要分布於盆地邊緣，為灰黃色、淺黃色粉土，均質疏松，垂直節理發育，大孔隙發育。局部地區下部夾有壹層棕黃—淺棕紅色古土壤。厚2～20m。
峙峪組(Q3s):分布廣泛，為桑幹河及南洋河沖積物，組成Ⅱ級階地。具二元結構，上部巖性主要為灰黃、淺棕、棕黃及淺褐等色調的粉土、粉質粘土，下部為砂、砂礫石層。平原區為河湖相沈積，巖性為灰綠色砂泥層，夾有灰白色薄層狀泥灰巖或黑色泥炭層。水平層理清晰，厚5～30m。
(4)全新統
為現代沖洪積相沈積，巖性主要為砂層、砂礫層及礫石層。在桑幹河、南洋河及其他較大支流沿岸形成Ⅰ級階地。
三、盆地發展史
大同斷陷盆地是汾渭地塹的壹部分，位於盆地的北端，是在中生代NE向褶皺構造基底上發育的新生代盆地。見圖3-4-7。
圖3-4-7 桑幹河新裂陷地質構造剖面(據山西省地質石油普查隊資料，1980)
古近紀，在NW-SE向區域拉張應力作用下，NE向、NNE向和NEE向3組斷裂拉張，有的斷裂深達上地幔，引發玄武巖噴發，形成大量繁峙期玄武巖，沿這些斷裂發生斷塊陷落，盆地開始形成。
新近紀，盆地進入裂陷期，盆地不斷張裂、沈陷，形成湖盆，沈積了數百米厚的保德組和靜樂組河湖相地層。早期，玄武巖噴發強烈，形成大量的黃花嶺期玄武巖，分布於保德組湖相地層中;晚期，火山活動減弱，古氣候變得溫涼、潮濕，形成了靜樂組以棕黃、棕紅及褐色粘土、粉質粘土、粉土為特征的河湖相地層。
早更新世，盆地進入拗陷期，氣候溫濕，湖盆面積擴大，大部分地區為水體覆蓋，湖泊發育鼎盛，形成泥河灣組河湖相沈積。早更新世末至中更新世，盆地停止沈降，轉為擡升，湖泊進入收縮期，氣候變得幹冷，水體範圍逐漸縮小，水體出現鹹化。中更新世末—晚更新世，氣候由溫涼變為幹冷，蒸發強烈，湖泊萎縮，統壹的大湖分解為數個小湖，湖水逐漸鹹化，最後消亡。晚更新世至全新世，氣候比較溫潤，桑幹河切穿湖盆，盆地以沖洪積相沈積為主，局部地區還有火山噴發，形成大同火山群。
盆地形成發展的歷程中，不同時期的沈積物分別形成了保德組、靜樂組深層承壓含水巖組、泥河灣組承壓含水巖組以及許家窯組和峙峪組潛水-微承壓含水巖組。
四、地下水系統
1.巖溶含水系統
區內朔州的洪濤山和魯縣大面積出露寒武-奧陶系灰巖，巖溶發育，構成巖溶含水系統，其底界為寒武系下統的頁巖，朔州的神頭泉群是巖溶水天然集中排泄帶。
神頭泉是山西著名的巖溶大泉之壹，位於大同盆地西南朔州盆地北緣、洪濤山南坡，泉域總面積4950km2，是以平魯向斜為主體構成的巨大巖溶儲水構造，NE-SW向的洪濤山山前大斷裂與NWW向擔水溝斷層的次級斷裂相交，形成阻水構造，上升成泉。大泉排泄點分布在源子河洪積扇的中上部5km2範圍內，***有大小100多個泉點，多年平均總流量為8690L/s。小平易以西至下窯溝、馬關河壹帶隱伏巖溶發育，巖溶地下水豐富，單井出水量為8000～27000m3/d。
朔州盆地內，近SN向和NE向斷層較發育，是泉域南部神池、寧武壹帶奧陶系巖溶水排向神頭泉的通道。該區巖溶水承壓水頭較高，東側水磨頭福善莊700～900m深的鉆孔揭露中寒武統和下奧陶統的巖溶水水頭高出地面2m左右，自流量可達60m3/h。
2.玄武巖裂隙-孔隙含水系統
新生代玄武巖多期噴發，其中大同期橄欖玄武巖節理裂隙發育，氣孔較多，形成玄武巖裂隙-孔隙含水層，主要分布於大同以東的火山群、桑幹河沿岸、山陰的黃花梁等地及大同縣桑幹河北岸、大同火山群周圍地區。第四紀玄武巖形成大面積緩坡低臺地，在壹些淺溝和桑幹河岸邊有泉水出露，流量壹般1L/s左右，單井湧水量可達500～1000m3/d。盆地中部黃花梁周邊地區，地下水埋藏較淺，單井出水量為500m3/d。玄武巖裂隙-孔隙水水質較好，為HCO3-Ca·Mg型水，礦化度小於0.5g/L。
3.基巖裂隙含水系統
區內基巖裂隙含水系統主要由構造裂隙、風化裂隙網絡組成，由於降水稀少，補給不足，富水性較弱。如泉口斷裂鵝毛口段，斷裂帶兩側主要為碎屑巖，在鵝毛口溝內3km處深420.63m的勘探孔不同層位抽水試驗表明:二疊系降深120余米，湧水量僅1.2m3/d;石炭系抽水降深150多米，湧水量為5.4m3/d;奧陶系抽水降深25m，湧水量僅為16m3/d。
4.第四系孔隙含水系統
大同盆地新生代松散沈積物厚數百米，在凹陷處可達1000～1500m。盆地邊緣山前地帶主要為沖洪積相砂卵礫石層，構成潛水含水系統;向盆地中心逐漸相變為河湖相砂、泥互層，成為承壓含水系統的主要分布區。區內中、上更新統洪積、沖積砂礫石層為主要含水層，厚50～100m。
(1)潛水含水系統
主要分布在盆地邊緣山前傾斜平原，較大河流形成的傾斜平原由粗大的卵石、礫石組成，厚度大，滲透性好，儲水空間大，直接接受河流滲漏補給，水量充沛，尤其是洪積扇軸部富水性強，單井出水量可達10000m3/d，是區內最富水地帶之壹，已成為城鎮重要的供水水源地。可分為以下幾個子系統:
恒山山前潛水含水子系統:分布在恒山山前傾斜平原，受山前大斷裂控制形成大小相連的30多個洪積扇，含水層巖性為卵礫石和砂層，厚30～80m，富水性強，單井出水量在1500～2000m3/d以上，個別地段達3000～8000m3/d。洪積扇邊緣和扇間窪地富水性較差，單井出水量壹般小於1000m3/d。新、舊廣武、馬蘭峪、茹越、大小石峪和北樓口洪積扇等上遊軸部水位埋深10～60m，單井出水量為3000m3/d左右。王千莊、唐峪河和淩雲口洪積扇單井出水量可達3000～8000m3/d。
雷公山-七峰山山前潛水含水子系統:由十裏河、口泉河、鵝毛口河及大小峪口5個洪積扇組成，其中十裏河洪積扇最大，面積40km2，下遊與禦河沖積層相交重疊。口泉、鵝毛口和大峪口洪積扇面積約20～30km2。洪積扇軸部中、粗砂和礫石層發育，地下水較豐富，100～150m內含水層有數至十數層，厚15～60m，單井出水量1000m3/d左右，較富地區可達1500～2000m3/d。
朔州源子河潛水含水子系統:分布在朔州市源子河的洪積扇，含水層巖性為砂礫石層，厚30～70m，水位埋深20～38m，受隱伏巖溶水的頂托補給，地下水豐富，單井出水量為1500～3000m3/d。
(2)潛水-承壓含水系統
分布在大同盆地中部，沿桑幹河、黃水河壹帶分布。上部為潛水，下部為承壓水。
上部潛水:為沖積、淤積的亞砂土、亞粘土，10～30m以下以湖相雜色黏性土堆積為主，夾中、細砂或粉砂層，厚5～10m，在洪積傾斜平原與沖湖積平原過渡帶或古河道厚度可達15～20m。潛水位埋深很淺，多為2～3m，蒸發濃縮作用強烈，形成大面積的鹽漬化，鹽漬化面積占平原面積的25%～30%。
下部承壓水:平原地區30～50m以下為承壓水，局部自流。含水層主要為泥河灣組和中晚更新世河湖相砂層、粉細砂層，含水巖組厚50～100m，單井湧水量為500～1500m3/d，礦化度為1～3g/L，在山陰合盛堡、大蟲堡等地，氟離子含量較高。
五、地下水循環
大同盆地地下水補給、徑流和排泄主要受水文地質、地貌條件及氣象、水文等因素的影響。
1.地下水的補給
盆地內地下水的補給來源主要有大氣降水入滲、河流滲漏補給、山區基巖的側向補給。
山前傾斜平原潛水含水系統是區內最主要的供水水源，其補給主要來自河流滲漏補給、大氣降水入滲和山區基巖的側向補給。地下水補給條件好，水位埋藏淺，水力坡度適中，水交替積極，富水性強，水質好，地下徑流向盆地中心匯集。
盆地中心的沖湖積平原，地下水補給主要來自大氣降水入滲、側向徑流補給和灌溉回滲，地下徑流滯緩。
2.地下水徑流
桑幹河及其支流橫貫全區，是盆地的侵蝕基準面，地下水運動狀況基本受其控制。地下水由洪積傾斜平原向盆地中心運動，到盆地中心，含水介質顆粒變細，水力坡度變緩，地下水流呈現滯流狀態，緩慢地向桑幹河排泄。
3.地下水排泄
地下水排泄主要為人工開采、蒸發和地下徑流排泄。洪積傾斜平原地下水補給條件好，水位埋藏淺，單井湧水量大，水質好，易於開采，人工取水成為地下水重要的排泄方式，有些地段長期過量開采，引起大面積水位下降，形成降落漏鬥。如大同市大量開采西山前洪積傾斜平原和禦河沿岸漫灘階地地下水(采水量達31×104m3/d)，使地下水位普遍下降，成為區域性下降漏鬥，僅大同市就有城西、城南、城北古店-白馬城和禦河鐵路橋4個地下水降落漏鬥。
蒸發主要出現在盆地中部的沖湖積平原，該地區地形平坦，水流滯緩，地下水水位埋深多為2～3m，潛水蒸發成為主要排泄方式。
沖湖積平原壹部分地下水向人工排水渠系和桑幹河系排泄。
六、地下水化學特征
1.淺層地下水
大同盆地淺層孔隙地下水水化學類型呈環帶狀分布，從盆地邊緣到中心，水化學類型由HCO3型→HCO3·SO4型→HCO3·SO4·Cl型和·SO4·Cl型演化。水化學作用依次為溶濾型、徑流型和蒸發型。
山前傾斜平原主要接受大氣降水入滲、河流滲漏和基巖山區側向補給，水交替積極，以溶濾作用為主。由沖洪積扇頂部到邊緣，大多為HCO3-Ca·Mg型水，礦化度為0.2～0.5g/L。
盆地中部沖湖積平原地形平緩，地下水埋深小，以蒸發排泄為主，地下水化學類型由HCO3·SO4型→HCO3·Cl型→Cl·HCO3型→Cl·SO4型，為礦化度大於1.0g/L的微鹹水，部分地區為礦化度大於5g/L的鹹水。
2.中深層地下水
從山前傾斜平原上部到邊緣，水化學類型變化依次為HCO3-Ca型，HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca·Mg·Na型，礦化度為0.23～0.71g/L。朔州神頭壹帶，受下伏神頭泉巖溶水頂托補給，水質較好，為HCO3-Ca·Mg型水，礦化度為0.35g/L。部分地區受煤系地層影響，出現HCO3·SO4型水，礦化度也較高。
沖湖積平原，水化學類型主要為HCO3·SO4型、HCO3·SO4·Cl型、HCO3·Cl型和SO4·Cl型，局部出現Cl·SO4型和Cl·HCO3型。礦化度為1～3g/L的微鹹水。
七、地下水資源
據山西省地質調查院完成的《山西六大盆地地下水資源及其環境問題調查評價》報告(2006)，大同盆地第四系孔隙水多年平均補給量為7.17×108m3/a。其中，大氣降水入滲補給量為2.53×108m3/a，側向補給量為3.13×108m3/a，河流滲漏補給量為0.596×108m3/a，渠系滲漏補給量為0.363×108m3/a，地表水灌溉入滲補給量為0.12×108m3/a，地下水灌溉入滲補給量為0.432×108m3/a。