地层是地球历史发展过程中形成的成层岩石的总称。主要由外动力地质作用中的沉积和成岩作用形成，是构成地球外壳(地壳)的基本单位之一。
本区地层分区属华北—东北南部区、燕山分区的山海关小区，地层特征属华北型。除较普遍缺失上奥陶统、志留系、泥盆系、下石炭统、三叠系、白垩系及古近系—新近系外，就华北地层而言，该区地层出露较全，化石丰富，各单位地层划分标志清楚，地层特征具有一定的代表性(图2-1)。全区范围内出露的地层主要有新元古界的青白口系，下古生界的寒武系、奥陶系，上古生界石炭系、二叠系，中生界侏罗系，以及新生界的第四系。地层顺序及其接触关系如图2-1、表2-1所示。
一、新元古界(Pt3)青白口系(Qb)
1.长龙山组(Qbc)
该组是本区最老的沉积地层，以沉积不整合覆于新太古界绥中花岗岩之上，主要分布在盆地的东部张岩子至东部落和南部鸡冠山等地，以张岩子村西剖面最好，厚度91m。本组由两套砂岩—页岩韵律构成。下韵律底部为灰白色含砾粗粒长石石英净砂岩，向上过渡为紫色、黄绿色杂色页岩。上韵律底部砂岩稳定成分增加，顶部出现蛋青色泥灰岩。砂岩中多见斜层理、交错层理、波痕及海绿石矿物，属典型滨浅海相沉积。
2.景儿峪组(Qbj)
景儿峪组的分布与长龙山组基本一致，在李庄村北出露较全，厚度38m，与长龙山组整合接触，分界标志层是其底部黄褐色或带铁锈色的中细粒铁质(含海绿石)石英净砂岩。下部为紫红色、黄绿色薄层状泥岩夹钙质泥岩，水平层理发育。上部为蛋清色中-薄层泥灰岩夹薄层紫红色泥岩。由碎屑岩、黏土岩过渡到碳酸盐岩沉积，具海侵沉积特点。
二、古生界(Pz)
本区古生界地层发育良好，与华北其他广大地区极为相似，主要分布在柳江向斜盆地的东西两翼。由于向斜东翼产状较西翼平缓，其出露宽度约为西翼的5倍，南北两端由于向斜轴的翘起，也有古生界地层出露。
(一)寒武系(Є)
1.府君山组(Є1f)
本组主要分布在东部落至沙河寨，西部上平山一带也有出露，东部落剖面出露较全，可作为本区标准剖面，厚度146m。
图2-1 柳江盆地石门寨地区地质图(据长春地质学院(1981)及河北省北京市天津市区域地质志图(1989)修编)
表2-1 柳江盆地地层简表
(据柳成志等，2006，略有修改)
府君山组岩性特征明显，下部为暗灰色厚层状结晶灰岩，含较多的莱德利基虫，上部为暗灰色豹皮状白云质灰岩夹暗灰色薄层灰岩，含核形石。与下伏景儿峪组为平行不整合接触，分界标志是下部暗灰色厚层状结晶灰岩，底部薄层灰岩中局部含有角砾或砾岩。本组属浅海相沉积。
2.馒头组(Є1m)
本组分布与府君山组一致，但由于抗风化能力弱而零星出露，东部落村北剖面较好，厚度71m。
本组岩性以砖红色泥岩为主，向上过渡为粉砂质页岩夹白云质灰岩透镜体。泥岩底部具角砾或砾岩，粉砂质页岩中含石盐假晶。与下伏府君山组呈平行不整合接触，分界标志是其底部角砾状薄层灰岩。本组属干旱条件下滨海相或潟湖相沉积。
3.毛庄组(Є1mz)
毛庄组分布与馒头组基本一致，出露较好的地方是沙河寨西山，化石较丰富，可作为本区标准剖面，厚度112m。
本组岩性以紫红色粉砂岩、页岩为主，页岩中含少量白云母片，其颜色要比馒头组暗一些，俗称为猪肝色。底部以出现黄绿色钙质页岩与馒头组分界。中部和上部夹两层白云质灰岩透镜体。灰岩透镜体中产辽西虫、幕府山虫等。顶部为页岩夹含核形石(葛万藻)的灰岩透镜体。与下伏馒头组整合接触，属滨海相潮上带沉积，其中白云质灰岩为潟湖相沉积。
4.徐庄组(Є2x)
徐庄组分布较毛庄组分布更为广泛，在向斜两翼均可见到，出露较全的地方是东翼的东部落、揣庄、上花野和下花野等地，西翼的吴庄至秋子峪、上平山一线也有出露，厚度101m。
本组岩性以黄绿色含云母片粉砂岩、页岩及暗紫色粉砂岩夹少量鲕状灰岩透镜体或扁豆体为主。产丰富的三叶虫化石(毕雷氏虫、辽阳虫、原附栉虫、孙氏盾壳虫)及腕足动物化石。与下伏毛庄组呈整合接触，其分界标志层是其底部出现黄绿色页岩与紫色页岩互层，而毛庄组顶部则是比较单一的紫红色页岩。本组属浅海相沉积。
5.张夏组(Є2z)
张夏组受到破坏和覆盖较少，是寒武系地层在区内分布最广的地层之一，柳江盆地周围几乎都有分布，主要分布在东部落、288高地、揣庄、张庄、赵家峪、上平山及吴庄等地。以288高地东山脊发育较好、较全，可作为本区标准剖面，厚度120～130m。
本组岩性以底部厚层鲕状灰岩与下伏徐庄组整合接触。岩性明显分为三段:下部为鲕状灰岩夹黄绿色页岩;中部为叠层石灰岩及白云质灰岩和薄层鲕状灰岩互层，夹泥质条带灰岩和生物碎屑灰岩;上部为泥质条带灰岩、页岩。灰岩中含大量三叶虫化石:徳氏虫、双耳虫、叉尾虫、沟颊虫等。本组属浅海相沉积。
6.崮山组(Є3g)
崮山组分布与张夏组一致，以王家峪南山牛圈至288高地出露最全，厚度102m。
岩性特征十分明显，以紫色色调为主。下部紫色页岩、粉砂岩夹砾屑灰岩;中部灰色灰岩(藻灰岩、鲕状灰岩、泥质条带灰岩);上部紫色砾屑灰岩与紫色粉砂岩互层，顶部为灰色厚层藻灰岩。含三叶虫化石:蝴蝶虫、蝙蝠虫、光壳虫、圆劳伦斯虫等。底部以紫色砾屑灰岩与下伏张夏组泥质条带灰岩整合接触，似有水下冲刷面存在。本组属滨海相至浅海相沉积。
7.长山组(Є3c)
本组分布与崮山组相似，出露最好的地方是288高地东山脊上，厚度18m。
本组岩性底部以生物碎屑灰岩为主，含海绿石。向上为粉砂岩，砾屑灰岩和页岩互层，夹藻灰岩，顶部为厚层藻灰岩。产三叶虫化石:长山虫、庄氏虫、蒿里山虫以及原始的腕足动物化石。本组与崮山组整合接触，属浅海相沉积。
8.凤山组(Є3f)
凤山组分布除与崮山组、长山组一致外，在实习区北侧、西侧均有出露。288高地东侧出露较好，厚度92m。
下部为薄层泥质条带灰岩，往上为生物碎屑灰岩、钙质页岩、鲕状灰岩互层。底部以青灰色砾屑灰岩直接与长山组岩层接触，长山组顶部的紫色粉砂岩紧伏于其下。含三叶虫化石:褶盾虫、济南虫、方头虫、杂索克氏虫。本组与下伏长山组呈整合接触，属浅海相沉积。
(二)奥陶系(O)
1.冶里组(O1y)
冶里组分布与凤山组一致，分布在288高地至小王山及石门寨北亮甲山。288高地可作为本区标准剖面，厚度126m。
下部为质纯的泥晶灰岩夹砾屑灰岩及虫孔灰岩，在地形上，常形成陡砬子(音lá，山上耸立的大石);上部为灰色砾屑灰岩夹黄绿色页岩，与下伏地层整合接触，以灰色薄层砾屑灰岩与凤山组分界。灰岩中产三叶虫化石:小栉虫、田师府虫;页岩中产无羽笔石以及古介形虫，还有正形贝和腹足类化石———蛇卷螺。本组属浅海相较深水环境沉积。
2.亮甲山组(O1l)
亮甲山组命名地点就在本区石门寨北亮甲山，主要分布在亮甲山、小王山、潮水峪等地。亮甲山可作为本区标准剖面，厚度118m。
本组以中厚层豹皮状灰岩为主，下部夹少量砾屑灰岩和钙质页岩，是本区烧制石灰、水泥的主要原料;上部由少量白云质灰岩及含燧石结核、燧石条带灰岩。产头足动物满洲角石、腹足动物蛇卷螺及古杯海绵等化石。本组与冶里组整合接触，分界标志层是亮甲山组底部出现的中厚层豹皮状灰岩。本组属浅海相沉积。
3.马家沟组(O2m)
马家沟组分布同亮甲山组，以亮甲山及北部茶庄北山发育较好，在亮甲山剖面厚度为111m。
本组岩性主要为暗灰色白云质灰岩夹部分白云岩、含燧石结核豹皮状白云质灰岩，底部以具微层理、含角砾、燧石结核黄灰色白云质灰岩，与亮甲山组分界。白云岩具“刀砍纹”，有的具砾屑、燧石条带，顶部为含泥质灰岩，风化后呈黄色，俗称“黄皮子”灰岩，在华北其他地区多存在此岩层，标志明显。产头足动物化石:阿门角石、链角石、灰角石、多泡角石;腹足动物化石:马氏螺;三叶虫:古等称虫。本组与亮甲山组呈整合接触，属浅海相较深水沉积，晚期海退。
华北地区在奥陶纪晚期普遍上升为陆地，直到中石炭世才下降接受沉积，因而缺失了上奥陶统、志留系、泥盆系和下石炭统等地层。
(三)石炭系(C)
1.本溪组(C2b)
本溪组在本区东翼区半壁店191高地、小王山一带发育较好。小王山剖面可作为本区标准剖面，厚度为82m。石门寨西门至瓦家山剖面厚度为70.7m。
本组岩性下部为陆相铁质砂岩或褐铁矿(山西式铁矿)、黏土矿(G层耐火黏土)，平行不整合于马家沟组之上;上部为细砂岩、粉砂岩再到湖泊、沼泽相黏土岩，夹3～5层海相泥灰岩透镜体，含F层耐火黏土。
陆相粉砂岩中含植物化石:鳞木、科达、芦木、轮叶、脉羊齿。泥灰岩中含类:小纺锤;腕足动物:马丁贝、帅尔文贝;双壳类:古尼罗蛤、小花蛤、燕海扇等。本组属海陆交互相沉积。
2.太原组(C3t)
太原组在本区半壁店、小王山一带发育良好，厚度在小王山剖面为51m;石门寨西门至瓦家山剖面为47.5m。
本组有两个沉积韵律:下韵律底部为青灰色含铁质中细粒长石岩屑杂砂岩，风化后呈黄褐色，具大型球状风化，向上过渡为青灰色页岩夹D层黏土或泥质灰岩透镜体;上韵律底部为薄层细粒岩屑杂砂岩，具小型球状风化，往上为青灰色细粒砂岩夹泥灰岩透镜体及少量煤线。
本组产大量植物化石:脉羊齿、栉羊齿、楔叶、鳞木;动物化石腕足类:网格长身贝、戟贝;双壳类:古尼罗蛤、裂齿蛤。
本组与下伏本溪组整合接触。分界标志明显，标志层是底部的巨大球状风化青灰色含铁质中细粒长石岩屑杂砂岩，风化后具小孔，分布稳定，过去称云山砂岩，在辽宁太子河区则称黄旗砂岩或小孔砂岩。本组属海陆交互相沉积。
(四)二叠系(P)
1.山西组(P1s)
山西组主要分布在石门寨西门、小王山、黑山窑等地，以石门寨西门至瓦家山剖面最好，是本区重要的含煤、黏土矿层位，厚度为61.8m。
山西组岩性由灰色、灰黑色中细粒长石岩屑杂砂岩、粉砂岩、炭质页岩及黏土岩构成两个沉积韵律:下韵律底部含长石多、含砾，单层厚度大，顶部为黏土矿或煤层(可采煤层);上韵律顶部为B层黏土层。本组与下伏太原组整合接触，分层标志是其底部灰色、灰白色长石岩屑杂砂岩，但在横向上有时变为含砾中粗粒或中细粒长石岩屑杂砂岩，颜色由灰白色变为黄灰色，层位稳定。
本组含植物化石种属较多，如轮叶、楔叶、栉羊齿、芦木、带羊齿。
本组属大陆近海沼泽相沉积。
2.下石盒子组(P1x)
下石盒子组在本区黑山窑、石门寨西门、石岭等地较为发育，厚度115m。
本组岩性主要为灰色中粒长石岩屑杂砂岩、细粒岩屑杂砂岩、泥质粉砂岩、黏土质粉砂岩构成三个沉积韵律。第一韵律顶部为灰绿色含云母泥质粉砂岩，第二、三韵律顶部分别为A2和A1层黏土，颜色为紫色、紫灰色。
粉砂岩中产植物化石:带科达、中芦木、多脉带羊齿。
本组与下伏山西组分界清楚，山西组顶部为B层黏土矿，下石盒子组底部为黄褐色含砾粗粒岩屑长石杂砂岩(岩貌特殊，俗称小豆砂岩)，与山西组整合接触，属河流相、湖泊沼泽相沉积。
3.上石盒子组(P2s)
上石盒子组出露局限性较大，以盆地东翼石门寨西门欢喜岭至瓦家山一带较好，厚度72m。
本组岩性为灰白色中厚层状含砾粗粒长石砂岩夹紫色细粒砂岩及粉砂岩。由1～2个沉积韵律构成。第一韵律底部是在A1层铝土矿之上(另一个韵律的开始)的灰白色中厚层状含砾粗粒长石砂岩，具大型斜层理，与下石盒子组整合接触。此层厚度大，分布稳定，俗称南山砂岩。本组属河流相沉积。
4.石千峰组(P2sh)
石千峰组出露十分有限，仅在黑山窑、欢喜岭一带出露较好，厚度150m。
本组是一套河流相紫色岩石，底部为含砾砂岩和砾岩，往上为细粒砂岩、粉砂岩及部分黄绿色泥岩。本组与下伏上石盒子组整合接触，分界标志是上石盒子组顶部黄白色含砾岩屑长石砂岩，其上为石千峰组紫色含砾岩屑杂砂岩(结构松散)。
粉砂岩中产栉羊齿、轮叶、楔叶、丁氏蕨及腹足动物化石，多代表干旱条件下的陆相沉积。
三、中生界(Mz)侏罗系(J)
1.北票组(J1b)
在本区分布面积广，主要在中部地区。本组角度不整合于石千峰组之上，以本组底部的底砾岩同石千峰组分界，上、下岩层产状差别很大。
以黑山窑—大岭一带出露较好，分上、中、下三个岩性段。下段岩性以灰白色中、粗粒长石石英杂砂岩、黑色炭质页岩、粉砂岩及煤线为特征。其中含有大量的植物和少量昆虫及双壳类等化石，属湖泊相沉积环境，其中发育有湖相三角洲和湖泊滨岸沼泽，厚度为161.1m。中段岩性以砾岩及含砾粗砂岩为主，夹少量粉砂岩和页岩，厚278m，与北票组下段整合接触，属大陆湖泊、河流、沼泽相沉积。上段岩性由灰黄色大砾岩、含砾粗砂岩、粉砂岩、黑色炭质页岩组成，含煤线，厚215m，以底部大砾岩与中段分界。
北票组三个岩段岩性特征明显，分界清楚。但南北厚度变化大，在瓦家山、旁水崖、义院口等地，北票组覆盖在古生界不同时代层位上，并有超覆现象。在黑山窑北票组呈南北走向，覆盖在东西走向的石千峰组紫色粉砂岩之上，两组岩层走向近于直交。该组所夹煤系仅在义院口、夏家峪等处可以开采。
北票组含有丰富的植物化石，常见的有:长叶松形叶、华丽似刺葵及纤细拜拉银杏等;其次是双壳类和昆虫类等。
2.蓝旗组(J2l)
蓝旗组以一套火山岩系分布在盆地中部老君顶至大洼山一线(柳江盆地的核部)，在上庄坨、旁水崖一带出露较好，厚度在1000m以上。本组与北票组等老地层呈角度不整合接触。
根据岩性组合和喷发旋回，分为下、中、上三部分:下部为偏酸性的安山质火山角砾岩及集块岩，流纹质集块岩夹凝灰岩及火山熔岩，厚度在300m以上;中部以中性火山熔岩为主，灰绿色安山质、角闪安山质、粗安质火山熔岩夹集块岩、火山角砾岩，厚度400m左右;上部为中基性火山熔岩(黑绿色、紫红色、青灰色碱性玄武岩、玄武安山质、辉石安山质火山熔岩)和熔结集块岩、集块岩互层，夹少量火山角砾岩及凝灰岩，厚度在600m以上。
3.孙家梁组(J3s)
孙家梁组分布局限于实习区东南隅蟠桃峪一带，未见与其他地层的直接接触关系。从区域资料上看，本组与蓝旗组呈角度不整合接触，厚度在350m以上，是一套灰色酸性、中碱性火山熔岩和火山碎屑岩，包括流纹质、粗面质和粗安质火山熔岩、凝灰岩、火山角砾岩与集块岩。
四、新生界(Cz)
石门寨地区新生界仅有第四系零星分布，且主要为河流阶地松散堆积物，没有胶结成岩，主要为河流冲积、洪积物，其次为坡积物、残积物。见有少量洞穴堆积，分布在黄土营、山羊寨、李庄、茶庄等地石灰岩溶洞中，为砂砾、黏土堆积物，已开始固结变硬。洞穴中脊椎动物化石有狼、熊、鹿、野猪等，鉴定其形成时代为第四纪中更新世。