沁水煤田为中生代末形成的构造盆地：元古界、太古界为盆地基底；古生界、中生界组成盆地的构造层，包括震旦纪，寒武纪，奥陶纪下、中统，石炭纪上统，二叠纪，三叠纪及局部残存的侏罗纪；新生界不整合覆盖于盆地之上。盆地最深处奥陶纪顶面深约2500米。
煤系：沁水煤田的煤系属华北型石炭二叠纪煤系，含煤地层包括晚石炭世本溪组、太原组及早二叠世山西组、下石盒子组。
本溪组: 由海陆交替相泥岩、砂质泥岩、粘土岩、石灰岩、褐铁矿层夹煤线组成，组厚10~50米。
太原组 由海陆交替相砂岩、泥岩、石灰岩和煤层组成，组厚50~150米。一般含煤层7~10层，其中3~5层可采，可采煤层总厚度4~10米，北厚南薄。
山西组: 由陆相及滨海相砂岩、泥岩夹煤层及薄层石灰岩组成，组厚40~110米。含煤层3~6层，其中2~4层可采，可采煤层总厚度2~7米。
下石盒子组: 由陆相砂岩、泥岩，底部夹煤线1~2层缓成，组厚90~214米。
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