大同盆地位于山西省北部，包括大同市、大同县、怀仁县、山阴县、应县、浑源县、朔州市等7个县(市)，平原区总面积约为7440km2。
一、自然地理条件
1.气候
大同盆地属大陆性半干旱气候区。气候干燥，少雨，多风沙，昼夜温差大，日照充足。年平均气温为6.5～7.5℃，历年最高气温为38.3℃，最低气温为-37.3℃，无霜期120～140d，最大冻土深度为1.0～1.8m，平均风速3.0m/s，最大风速可达14～16m/s。
本区多年平均降水量为363～414mm，周边山区多于盆地中央。只有浑源县和朔州市多年平均降水量大于400mm，其余地区均小于400mm。与20世纪80年代相比，本区多年平均降水量有减少趋势。降水量年内分布不均，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，仅占全年降水量的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%。
本区多年蒸发量为降水量的4.7倍，多年平均蒸发量约为1883mm，蒸发量最大的地区为怀仁县和山阴县，大于2000mm。冬春两季，蒸发量为降水量的10～21倍，冬、春两季较为干旱，春旱突出。
2.水文
本区河流属海河水系，桑干河为主要河流，支流有恢河、黄水河、十里河、御河、浑河。桑干河发源于宁武管涔山之天池，由阳方口入盆地流经朔城区、山阴、应县、怀仁、大同至阳高出省境，入河北，注入永定河，干流长221km。
桑干河是盆地内地下水的排泄通道之一，径流量年内分配极度不均，为典型的夏雨型特征，洪水暴涨暴落，最大洪峰流量出现在7～8月，最小流量一般在5～6月，径流量的年际变化十分显著。据桑干河东榆林水文站资料，最大月流量为62.9m3/s，最小为0;桑干河固定桥站最大月流量为78.8m3/s，最小为0。
3.地貌
大同盆地四周群山环抱，西南为管涔山，西边为洪涛山、七峰山，东北至西南依次为六陵山、恒山、馒头山，以馒头山最高，海拔2426m。盆地内地形平坦开阔，西南高，北东低，海拔为950～1100m。盆地两侧山前分布着大小不一的洪积扇，组成山前倾斜平原，盆地中部为冲积平原。盆地总体呈NE-SW向展布，长约180km，最宽处为48km，最窄处仅有15km。山前倾斜平原坡度为3°～15°，向盆地倾斜，高程为1000～1200m;桑干河穿过盆地，冲积平原区位于盆地中部，地势平坦，坡度1°～3°，向河流倾斜，高程为950～1100m。
二、地层、构造
大同盆地是在中生代褶皱基底上发育的新生代地堑型断陷盆地，NE向、EW向和SN向断裂分别构成盆地边界。见图3-4-6。
图3-4-6 大同盆地构造略图(据韩颖等，2006)
(一)断裂
1.盆地边界断裂
(1)口泉断裂带
口泉断裂是大同盆地西部边界断裂，总体走向NE30°，南起山阴上神泉，经怀仁县大峪口、鹅毛口、大同市口泉，北到镇川堡一带，长约100km，影响带宽2～3km，断距1500～2000m，属活动基底断裂，新生代以来仍有活动。中生代，该断裂由一系列雁行状排列的逆冲断层组成，走向NE。新生代后，转换为张性断裂。
(2)新广武东山前断裂
是大同盆地与东南部山区之间的边界断裂，走向NE65°。
(3)大同县北部EW向断裂
为大同盆地北部边界断裂，EW走向，西起大同市，经阁老山，向东至河北省界，长60km，北部山区上升，南部山区下降，断裂带附近有新生代玄武岩喷出。
(4)担水沟断层
西起白家窑，东至大夫庄，长38km，为一走向近EW的正断层，倾向南，倾角60°～70°，两盘落差大于300m，东端落差较小，为100～150m。下磨石沟、大平易担水沟一带断层面清晰，破碎带宽约5m，可见断层泥和断层角砾岩，经历多期活动。
(5)应县东部近SN向断裂
走向NW350°，长30km，为浑源浅凹与后所凹陷之间的分界断裂。
(6)马邑断层
自大夫庄到神武贯穿朔州盆地南北，长约48km，走向NE18°，为正断层，倾向东，倾角大于60°。断层西盘基岩埋深小于300m，东盘基岩埋深大于500m。断层南段的南榆林一带基岩埋深大于1000m。为一阶梯状断层组。断层两盘富水性有明显差异，构成了神头泉域的东界。
2.盆地内部主要断裂
(1)大同-怀仁断裂
走向NE30°～40°，北起长城，南到郭家窑，延长120km，为怀仁凹陷与黄花梁陷隆之间的控制性断裂，属正断层，东盘上升，西盘下降，断距约100～200m。
(2)大同-郑庄-山阴断裂
走向N40°～55°E，北起天镇，南到山阴，延长170km，为黄花梁陷隆与后所凹陷之间的控制性断裂，属正断层，西盘上升，东盘下降，断距300～800m。
(3)东后子口-应县北-滋润断裂
走向NE40°～50°，北起黎峪，经东后子口—米家窑—边耀—应县北—山阴旧城南—豆庄至滋润，长120km。边耀以北为东部山区与盆地的分界断裂，边耀-滋润段为后所凹陷内部的断裂。
(二)褶皱
褶皱主要分布在大同盆地的西部，主要有:云岗-黑流水向斜，走向NE45°，长30km，为侏罗系煤盆地;酸茨河-史家屯-平鲁向斜，走向NE50°，长105km，为石炭-二叠系煤盆地，两翼不对称，东翼倾角20°～30°，西翼倾角10°;马营背斜，走向NW320°～350°，北起吴马营，南到花疙坨，长约12km，两翼不对称，西翼倾角30°，东翼倾角15°;朔县向斜，隐伏于新生界之下，轴向SN，在西部贯穿朔州盆地，呈S形展布，北起下团堡，南至阳方口，长约28km，向斜南端被王万庄断层所截。
(三)地层
盆地周边山区，主要出露太古宇桑干群和五台群变质岩系、中-新元古界长城系和蓟县系灰白色燧石条带与灰白—浅灰红色巨厚层状白云岩，下古生界寒武-奥陶系厚层灰岩，以及石炭系—侏罗系海陆交互相和陆相煤系地层。
新生代地层分述如下:
1.新近系
(1)保德组(N2b)
以火山喷发玄武岩沉积为特征，主要发育在大同盆地内，盆地边缘及丘陵地带零星出露。主要为灰色、灰紫及灰黑色橄榄玄武岩，呈致密块状和气孔状，少数角砾状，具杏仁构造。玄武岩出露厚度一般为40～120m，在镇川堡村西寺儿梁一带，可达150m左右。盆地边缘，零星出露“保德红土”，多为褐紫、棕黄、棕红色含砾粘土、粉质粘土，夹零星或层状钙质结核和砂砾石层及砾石层。厚5～10m。
盆地内以湖相沉积为主，岩性为灰绿色砂泥岩互层，夹淤泥层和泥灰岩。在应县、山阴和镇川堡附近常见玄武岩夹层。湖相地层厚度变化较大，为5～100m，在凹陷中心厚度可达370m以上。
(2)静乐组(N2j)
分布于盆地内，盆地边缘丘陵地带有零星分布和出露，岩性主要为紫红、深红色或深棕红色的粘土，夹层状钙质结核，底部有砾石层或砂砾石层透镜体，厚5～20m。
盆地中的隆起带，岩性多为棕黄、棕红及褐色粘土、粉质粘土、粉土与层数不等、厚度不等的砂层、砂砾层及砾石层。埋深100～200m，厚10～40m。
2.第四系
(1)下更新统
泥河湾组(Q1n):盆地内广为发育，主要为河湖相沉积。岩性为灰绿色、杂色粘土、粉质粘土、粉土及砂层、砂砾或砾石层，常夹富钙粘土、泥灰岩、淤泥层或泥炭层。盆地中心厚度为200～400m，盆地边缘厚度为30～100m。
(2)中更新统
离石组(Q2l):盆地边缘丘陵地带广泛出露，主要为离石黄土，为灰黄、棕黄色粉土、粉质粘土，夹2～5层棕红色古土壤及钙质结核层，底部或下部砾石层分布不稳定。厚度一般为5～20m，个别地段可达30～40m。盆地内，为河湖相沉积，岩性为棕褐色砂层、砂砾石及砾石层，常夹灰绿色砂、泥岩。厚度为10～50m。
(3)上更新统
许家窑组(Q3x):广布于大同盆地内及盆地边缘。盆地边缘为桑干河、南洋河及其主要支流冲积物，组成河流Ⅲ级阶地以及Ⅱ级阶地底部，岩性为灰黄、棕黄及灰褐色粉土、粉质粘土、粘土及砂层、砂砾层或砾石层;盆地内，夹有数层灰绿色砂、泥层、富钙质及富炭质粉质粘土薄层，在大同火山群分布区，湖相沉积层中上部夹大同期玄武岩。盆地边缘，所见厚度为5～30m，在盆地内为10～50m。自盆地边缘至盆地内，灰绿色砂泥层增多，单层厚度加大。
马兰组(Q3m):马兰黄土主要分布于盆地边缘，为灰黄色、浅黄色粉土，均质疏松，垂直节理发育，大孔隙发育。局部地区下部夹有一层棕黄—浅棕红色古土壤。厚2～20m。
峙峪组(Q3s):分布广泛，为桑干河及南洋河冲积物，组成Ⅱ级阶地。具二元结构，上部岩性主要为灰黄、浅棕、棕黄及浅褐等色调的粉土、粉质粘土，下部为砂、砂砾石层。平原区为河湖相沉积，岩性为灰绿色砂泥层，夹有灰白色薄层状泥灰岩或黑色泥炭层。水平层理清晰，厚5～30m。
(4)全新统
为现代冲洪积相沉积，岩性主要为砂层、砂砾层及砾石层。在桑干河、南洋河及其他较大支流沿岸形成Ⅰ级阶地。
三、盆地发展史
大同断陷盆地是汾渭地堑的一部分，位于盆地的北端，是在中生代NE向褶皱构造基底上发育的新生代盆地。见图3-4-7。
图3-4-7 桑干河新裂陷地质构造剖面(据山西省地质石油普查队资料，1980)
古近纪，在NW-SE向区域拉张应力作用下，NE向、NNE向和NEE向3组断裂拉张，有的断裂深达上地幔，引发玄武岩喷发，形成大量繁峙期玄武岩，沿这些断裂发生断块陷落，盆地开始形成。
新近纪，盆地进入裂陷期，盆地不断张裂、沉陷，形成湖盆，沉积了数百米厚的保德组和静乐组河湖相地层。早期，玄武岩喷发强烈，形成大量的黄花岭期玄武岩，分布于保德组湖相地层中;晚期，火山活动减弱，古气候变得温凉、潮湿，形成了静乐组以棕黄、棕红及褐色粘土、粉质粘土、粉土为特征的河湖相地层。
早更新世，盆地进入拗陷期，气候温湿，湖盆面积扩大，大部分地区为水体覆盖，湖泊发育鼎盛，形成泥河湾组河湖相沉积。早更新世末至中更新世，盆地停止沉降，转为抬升，湖泊进入收缩期，气候变得干冷，水体范围逐渐缩小，水体出现咸化。中更新世末—晚更新世，气候由温凉变为干冷，蒸发强烈，湖泊萎缩，统一的大湖分解为数个小湖，湖水逐渐咸化，最后消亡。晚更新世至全新世，气候比较温润，桑干河切穿湖盆，盆地以冲洪积相沉积为主，局部地区还有火山喷发，形成大同火山群。
盆地形成发展的历程中，不同时期的沉积物分别形成了保德组、静乐组深层承压含水岩组、泥河湾组承压含水岩组以及许家窑组和峙峪组潜水-微承压含水岩组。
四、地下水系统
1.岩溶含水系统
区内朔州的洪涛山和鲁县大面积出露寒武-奥陶系灰岩，岩溶发育，构成岩溶含水系统，其底界为寒武系下统的页岩，朔州的神头泉群是岩溶水天然集中排泄带。
神头泉是山西著名的岩溶大泉之一，位于大同盆地西南朔州盆地北缘、洪涛山南坡，泉域总面积4950km2，是以平鲁向斜为主体构成的巨大岩溶储水构造，NE-SW向的洪涛山山前大断裂与NWW向担水沟断层的次级断裂相交，形成阻水构造，上升成泉。大泉排泄点分布在源子河洪积扇的中上部5km2范围内，共有大小100多个泉点，多年平均总流量为8690L/s。小平易以西至下窑沟、马关河一带隐伏岩溶发育，岩溶地下水丰富，单井出水量为8000～27000m3/d。
朔州盆地内，近SN向和NE向断层较发育，是泉域南部神池、宁武一带奥陶系岩溶水排向神头泉的通道。该区岩溶水承压水头较高，东侧水磨头福善庄700～900m深的钻孔揭露中寒武统和下奥陶统的岩溶水水头高出地面2m左右，自流量可达60m3/h。
2.玄武岩裂隙-孔隙含水系统
新生代玄武岩多期喷发，其中大同期橄榄玄武岩节理裂隙发育，气孔较多，形成玄武岩裂隙-孔隙含水层，主要分布于大同以东的火山群、桑干河沿岸、山阴的黄花梁等地及大同县桑干河北岸、大同火山群周围地区。第四纪玄武岩形成大面积缓坡低台地，在一些浅沟和桑干河岸边有泉水出露，流量一般1L/s左右，单井涌水量可达500～1000m3/d。盆地中部黄花梁周边地区，地下水埋藏较浅，单井出水量为500m3/d。玄武岩裂隙-孔隙水水质较好，为HCO3-Ca·Mg型水，矿化度小于0.5g/L。
3.基岩裂隙含水系统
区内基岩裂隙含水系统主要由构造裂隙、风化裂隙网络组成，由于降水稀少，补给不足，富水性较弱。如泉口断裂鹅毛口段，断裂带两侧主要为碎屑岩，在鹅毛口沟内3km处深420.63m的勘探孔不同层位抽水试验表明:二叠系降深120余米，涌水量仅1.2m3/d;石炭系抽水降深150多米，涌水量为5.4m3/d;奥陶系抽水降深25m，涌水量仅为16m3/d。
4.第四系孔隙含水系统
大同盆地新生代松散沉积物厚数百米，在凹陷处可达1000～1500m。盆地边缘山前地带主要为冲洪积相砂卵砾石层，构成潜水含水系统;向盆地中心逐渐相变为河湖相砂、泥互层，成为承压含水系统的主要分布区。区内中、上更新统洪积、冲积砂砾石层为主要含水层，厚50～100m。
(1)潜水含水系统
主要分布在盆地边缘山前倾斜平原，较大河流形成的倾斜平原由粗大的卵石、砾石组成，厚度大，渗透性好，储水空间大，直接接受河流渗漏补给，水量充沛，尤其是洪积扇轴部富水性强，单井出水量可达10000m3/d，是区内最富水地带之一，已成为城镇重要的供水水源地。可分为以下几个子系统:
恒山山前潜水含水子系统:分布在恒山山前倾斜平原，受山前大断裂控制形成大小相连的30多个洪积扇，含水层岩性为卵砾石和砂层，厚30～80m，富水性强，单井出水量在1500～2000m3/d以上，个别地段达3000～8000m3/d。洪积扇边缘和扇间洼地富水性较差，单井出水量一般小于1000m3/d。新、旧广武、马兰峪、茹越、大小石峪和北楼口洪积扇等上游轴部水位埋深10～60m，单井出水量为3000m3/d左右。王千庄、唐峪河和凌云口洪积扇单井出水量可达3000～8000m3/d。
雷公山-七峰山山前潜水含水子系统:由十里河、口泉河、鹅毛口河及大小峪口5个洪积扇组成，其中十里河洪积扇最大，面积40km2，下游与御河冲积层相交重叠。口泉、鹅毛口和大峪口洪积扇面积约20～30km2。洪积扇轴部中、粗砂和砾石层发育，地下水较丰富，100～150m内含水层有数至十数层，厚15～60m，单井出水量1000m3/d左右，较富地区可达1500～2000m3/d。
朔州源子河潜水含水子系统:分布在朔州市源子河的洪积扇，含水层岩性为砂砾石层，厚30～70m，水位埋深20～38m，受隐伏岩溶水的顶托补给，地下水丰富，单井出水量为1500～3000m3/d。
(2)潜水-承压含水系统
分布在大同盆地中部，沿桑干河、黄水河一带分布。上部为潜水，下部为承压水。
上部潜水:为冲积、淤积的亚砂土、亚粘土，10～30m以下以湖相杂色黏性土堆积为主，夹中、细砂或粉砂层，厚5～10m，在洪积倾斜平原与冲湖积平原过渡带或古河道厚度可达15～20m。潜水位埋深很浅，多为2～3m，蒸发浓缩作用强烈，形成大面积的盐渍化，盐渍化面积占平原面积的25%～30%。
下部承压水:平原地区30～50m以下为承压水，局部自流。含水层主要为泥河湾组和中晚更新世河湖相砂层、粉细砂层，含水岩组厚50～100m，单井涌水量为500～1500m3/d，矿化度为1～3g/L，在山阴合盛堡、大虫堡等地，氟离子含量较高。
五、地下水循环
大同盆地地下水补给、径流和排泄主要受水文地质、地貌条件及气象、水文等因素的影响。
1.地下水的补给
盆地内地下水的补给来源主要有大气降水入渗、河流渗漏补给、山区基岩的侧向补给。
山前倾斜平原潜水含水系统是区内最主要的供水水源，其补给主要来自河流渗漏补给、大气降水入渗和山区基岩的侧向补给。地下水补给条件好，水位埋藏浅，水力坡度适中，水交替积极，富水性强，水质好，地下径流向盆地中心汇集。
盆地中心的冲湖积平原，地下水补给主要来自大气降水入渗、侧向径流补给和灌溉回渗，地下径流滞缓。
2.地下水径流
桑干河及其支流横贯全区，是盆地的侵蚀基准面，地下水运动状况基本受其控制。地下水由洪积倾斜平原向盆地中心运动，到盆地中心，含水介质颗粒变细，水力坡度变缓，地下水流呈现滞流状态，缓慢地向桑干河排泄。
3.地下水排泄
地下水排泄主要为人工开采、蒸发和地下径流排泄。洪积倾斜平原地下水补给条件好，水位埋藏浅，单井涌水量大，水质好，易于开采，人工取水成为地下水重要的排泄方式，有些地段长期过量开采，引起大面积水位下降，形成降落漏斗。如大同市大量开采西山前洪积倾斜平原和御河沿岸漫滩阶地地下水(采水量达31×104m3/d)，使地下水位普遍下降，成为区域性下降漏斗，仅大同市就有城西、城南、城北古店-白马城和御河铁路桥4个地下水降落漏斗。
蒸发主要出现在盆地中部的冲湖积平原，该地区地形平坦，水流滞缓，地下水水位埋深多为2～3m，潜水蒸发成为主要排泄方式。
冲湖积平原一部分地下水向人工排水渠系和桑干河系排泄。
六、地下水化学特征
1.浅层地下水
大同盆地浅层孔隙地下水水化学类型呈环带状分布，从盆地边缘到中心，水化学类型由HCO3型→HCO3·SO4型→HCO3·SO4·Cl型和·SO4·Cl型演化。水化学作用依次为溶滤型、径流型和蒸发型。
山前倾斜平原主要接受大气降水入渗、河流渗漏和基岩山区侧向补给，水交替积极，以溶滤作用为主。由冲洪积扇顶部到边缘，大多为HCO3-Ca·Mg型水，矿化度为0.2～0.5g/L。
盆地中部冲湖积平原地形平缓，地下水埋深小，以蒸发排泄为主，地下水化学类型由HCO3·SO4型→HCO3·Cl型→Cl·HCO3型→Cl·SO4型，为矿化度大于1.0g/L的微咸水，部分地区为矿化度大于5g/L的咸水。
2.中深层地下水
从山前倾斜平原上部到边缘，水化学类型变化依次为HCO3-Ca型，HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Ca·Mg·Na型，矿化度为0.23～0.71g/L。朔州神头一带，受下伏神头泉岩溶水顶托补给，水质较好，为HCO3-Ca·Mg型水，矿化度为0.35g/L。部分地区受煤系地层影响，出现HCO3·SO4型水，矿化度也较高。
冲湖积平原，水化学类型主要为HCO3·SO4型、HCO3·SO4·Cl型、HCO3·Cl型和SO4·Cl型，局部出现Cl·SO4型和Cl·HCO3型。矿化度为1～3g/L的微咸水。
七、地下水资源
据山西省地质调查院完成的《山西六大盆地地下水资源及其环境问题调查评价》报告(2006)，大同盆地第四系孔隙水多年平均补给量为7.17×108m3/a。其中，大气降水入渗补给量为2.53×108m3/a，侧向补给量为3.13×108m3/a，河流渗漏补给量为0.596×108m3/a，渠系渗漏补给量为0.363×108m3/a，地表水灌溉入渗补给量为0.12×108m3/a，地下水灌溉入渗补给量为0.432×108m3/a。