湘中地区地层发育齐全，从中元古界至第四系均有存在。各时代地层分区、建造特征及其水文地质特性（表1-1）从老至新简述如下。
一、元古宙地层及其水文地质特性
1.中元古界冷家溪群
冷家溪群是湘中出露最老的地层，主要分布于沅陵、桃源、桃江、益阳等地，在长沙、衡阳、双峰也有零星出露，可与黔东的梵净山群、滇东的昆阳群和桂北四堡群等进行对比。它是一套浅灰、浅灰绿色为主的浅变质细粒碎屑岩、粘土岩及含凝灰质细粒碎屑岩组成的复理石建造，局部夹基性、中酸性熔岩，最大厚度超过2500m，未见底，属活动型沉积，构成了本区褶皱基底。
岩石中空隙、裂隙均不发育，水力传导率极小，属于不透水层。
2.新元古界板溪群
板溪群包括其下部的马底驿组（或高涧组）和上部的五强溪组（或漠滨组），可与黔东的下江群，桂北丹州群进行对比，主要分布于湘中盆地的北部和东部边缘，与下伏冷家溪群不整合接触（武陵运动）。它由一套厚度较大的砂岩、砂质板岩、凝灰质板岩夹少量碳酸盐岩、炭质板岩、火山熔岩及火山碎屑岩组成。通常以湘潭、溆浦、黔阳一线为界将其分为北区和中区。
表1-1 湘中出露地层岩性特征及其水文地层单元
北区：由紫红色、灰绿色浅变质砂岩、砂岩、板岩、凝灰岩及碳酸盐岩、炭质板岩组成，表现为两个大的旋回。据此划分为两个地层单位，即马底驿组及五强溪组，局部地区夹中基性和中酸性火山岩，具类复理石建造特征。总厚752～380m，与下伏冷家溪群呈角度不整合接触。
中区：为一套灰绿色、灰—深灰色，少量紫灰色浅变质砂岩、凝灰岩、板岩组成。韵律发育，为较典型的复理石建造。总厚度3290～4757m，与下伏冷家溪群平行不整合接触。
深部地球物理研究（中国地质勘察技术院，1990科研报告）揭示，湘中乃至华南的上部元古宇均属低阻稳定层，如华南上元古界的地层电阻率仅为n×10Ω.m。地层、岩石的电阻率主要取决于岩性、孔隙水，以及孔隙的连通状态。以浅变质砂岩、砂岩、板岩及碳酸盐岩为主的板溪群内，孔隙及层间裂隙极为发育，且孔隙连通性好，因而极可能为研究区乃至华南地区的区域性含水层。
3.震旦系
震旦系主要分布于盆地边缘及白马山-大乘山-龙山东西向隆起带上，自下而上分为下统（江口组、湘锰组、洪江组）和上统（金家洞组、留茶坡组）。下统主要为海洋冰川沉积类型和正常海洋与海洋冰川混合型沉积的冰碛砾岩、冰碛砾粉砂岩、粉砂岩及砂岩、板岩。上统主要为温暖气候条件下沉积的硅质岩、黑色板状页岩、碳酸盐岩。震旦系厚度773～5664m，自北而南递增，与下伏板溪群呈假整合接触，各组间基本上为连续海相沉积。岩石中孔隙、层间裂隙发育，导水性能好，为一含水层。震旦系是湘中重要的锑矿赋矿层位，22.7%的锑矿产于该层位，较著名的矿床有龙山金锑矿床、钱江冲锑矿床（史明魁等，1994）。
二、古生代地层及其水文地质特性
1.寒武系
本区寒武系发育较全，主要分布于雪峰山东侧及白马山-龙山、苗儿山-关帝庙等穹隆中。下寒武统主要为硅质、炭质、砂质板岩，厚度为195～408m；中寒武统主要为炭质、泥质碎屑岩和纹层状泥灰岩，厚度为113～718m；上寒武统为一黑色薄层泥灰岩、泥质灰岩为主的碳酸盐岩类，厚70～255m。寒武系与上、下地层一般为整合接触。
碳酸盐岩富含地下水，裂隙、岩溶发育，是一较好的含水层。该套地层也是湘中较为重要的锑矿赋矿层，湘中25.6%的锑矿赋存于寒武系（史明魁等，1994）。
2.奥陶系
奥陶系发育完整，出露良好，分布范围大致与寒武系一致。岩性以碎屑岩为主，下统为灰绿、灰黑色的砂质页岩；中统为灰黑色粘土质页岩，夹含锰灰岩或钙质白云岩；上统以页岩、硅质页岩、泥岩为主。总厚度为500～1000m，与下伏寒武系整合接触。
岩石中空隙度较小，含水、透水性极差，为弱透水层。
3.志留系
出露在盆地边缘，仅发育下统。为灰、灰绿、黄绿色中厚层状细粒砂岩、粉砂岩、板状页岩，底部有少量黑色炭质板状页岩。总厚度为723～400m，整合于奥陶系之上，而与上覆中泥盆统跳马涧组或半山组呈不整合接触。
岩石中空隙、裂隙不发育，渗透率较小为弱透水层。
4.泥盆系
泥盆系是湘中盆地中出露最广泛的地层之一，亦为锡矿山超大型锑矿田内出露和被揭露的主要地层。中统下、中部属滨海—陆相碎屑沉积，自中统上部至上统主要属浅海相碳酸盐岩。由南往北，碳酸盐沉积逐渐减少，泥砂碎屑沉积相应增加，相变为滨海至陆相碎屑沉积。沉积物厚度变化大（605～2028m），与下伏地层呈角度不整合。中统包括跳马涧组和棋梓桥组，上统包括佘田桥组和锡矿山组，现对各组岩性特征及水文特性分别叙述如下。
跳马涧组：中下部为灰白色石英砂岩，上部为紫红色石英细砂岩、粉砂岩和砂质页岩，厚度95.5～536.4m。孔隙不发育，导水性能差，为弱透水层。
棋梓桥组：岩性横向变化大，可大致分为灰岩区和页岩区，厚216.2～766.1m。灰岩区主要分布于天马山、炉观、洋溪、锡矿山一带。在大观、禾青、严塘、猪婆山周围以及雷鸣桥一带，岩性主要为深灰色厚层状灰岩、生物灰岩夹泥灰岩，厚173～721.9m。页岩区主要分布于金凤团、桃林、坪上及龙山周围，厚200m。不同岩相区，其水文地质特性各异，总体上分析灰岩区为含水层，页岩区为弱透水层。
佘田桥组：岩性变化极为复杂，大致分为页岩灰岩区、灰岩区和砂岩区，厚110.1～708m。页岩灰岩区主要分布于西半部团山、天马山、炉观、桃林、大观及巨口铺、严塘、禾青和锡矿山等地；灰岩区分布于猪婆山周围，厚110.1m；砂岩区分布于雷鸣桥一带，下段以泥灰岩、灰岩为主，上段为页岩、砂岩及厚层状石英砂岩。
在锡矿山，佘田桥组按岩性分为三段：上段为钙质页岩，厚40m；中段以深灰薄—厚层状灰岩为主，厚220m；下段为灰、深灰色中厚—厚层状含白云母粉砂岩、钙质砂岩，厚45m。该组水文地质特性变化复杂，孔隙度、导水能力中下段较大，平均渗透系数为0.0017m/h（湖南有色地质勘探246队地质报告，1985），而上段为弱透水层。
锡矿山组：锡矿山组是区内最主要的含铁地层，下段为泥灰岩、泥质灰岩、灰岩互层；上段以碎屑岩为主，厚155.6～534.2m，横向变化大。在锡矿山，该组由下而上分为五段（长龙界段、兔子塘段、泥塘里段、马牯脑段、欧家冲段）。长龙界段以钙质页岩为主，厚70m；兔子塘段为深灰色瘤状灰岩，厚30m；泥塘里段为黄绿色粉砂质页岩，夹鲕状赤铁矿，厚20m；马牯脑段下部为蓝灰色泥灰岩，中部为深灰色瘤状灰岩与纯灰岩互层，上部为砂质灰岩，厚240m；欧家冲段下部为黄绿色页岩，上部为灰白色薄至中厚层状石英砂岩，粉砂岩夹页岩，厚116m。
该组各段水文地质特性各异，灰岩段含水性良好，平均渗透系数0.0005m/h，属含水层，而砂岩段导水性能较差，属弱透水层，其中长龙界段页岩在锡矿山锑矿形成过程中起着隔水作用，使得成矿流体的向上运移受阻，于该岩性段下部地质构造有利部位汇聚成矿。
5.石炭系
石炭系广泛分布于盆地内部，地层发育完好，主要为碳酸盐岩、含煤碎屑岩，厚度一般大于1000m，可分为上、中、下统。下统自下而上分为岩关阶和大塘阶。
岩关阶自下而上又分为邵东段、孟公坳段和刘家塘段。岩性主要以砂岩粉、砂岩、钙质页岩、泥灰岩为主。岩石含水、透水性差，为弱透水层。
大塘阶自下而上分为石磴子段、测水段和梓门桥段。石磴子段下部为灰岩，上部为灰岩与泥灰岩互层，厚135～247m，含水性好。测水段主要为砂岩、粉砂岩夹砂质页岩、黑色页岩及煤层，厚100～200m，为弱透水层。梓门桥段下部为灰黑色泥灰岩和灰岩互层，上部为灰岩、泥质灰岩夹泥灰岩和少量白云质灰岩及生物灰岩，厚31～137m，为灰岩含水层。
中统黄龙组岩性单一，为巨厚层块状白云岩。在涟源、冷水江、田坪等地，下部见有厚30～100m浅灰色灰岩、白云质灰岩。总厚度408m。为含水层。
上统船山组岩性甚为稳定，由浅灰色厚层块状灰岩、白云质灰岩夹白云岩、灰质白云岩组成，厚度200～426m，为灰岩含水层。
6.二叠系
二叠系在湘中广泛出露，是最重要的含煤地层，总厚833～1040m。上统上部是含铁锰质的硅质岩和页岩；下部为含煤碎屑岩。下统为灰岩、硅质岩和泥砂质含煤沉积。
岩石含水、透水性较差，尤其页岩与煤层的渗透系数较小，为弱透水层。
三、中生代地层及其水文特性
1.三叠系
三叠系发育不全，仅零星出露。下统主要由页岩、粉砂岩及厚层灰岩组成，厚300～846m。中上统不发育/缺失。为弱透水层。
2.侏罗系
侏罗系零星分布于盆地内部，海相和陆相两类沉积均有，且赋存有煤、油页岩等矿产。由于岩性以页岩、粉砂岩为主，其含水透水性较差，为弱透水层。
3.白垩系
白垩系为陆相沉积，下统主要为滨海、浅湖相砂泥岩，局部夹盐湖相膏泥岩，其次为山麓相砾岩、砂岩。上统岩相复杂，除有山麓相砾岩、砂岩及滨湖相砂泥岩外，局部尚有盐湖相膏泥岩及火山岩。透水性能好，为含水层。
新生代地层为陆相沉积物，零星分布在山间盆地中。
对于湘中地区根据各地层单元的岩性特征、水文地质特性以及岩性组合、地层的区域性展布情况等，可建立其水文地层单元，如表1-1所示。