二连盆地的下部沉积充填是由侏罗纪伸展断陷(第一裂陷期)含煤粗碎屑岩建造和火山岩建造组成的，主要的沉积体系有冲积扇、湖泊和局部的沼泽;中部沉积充填为早白垩世的早中期，即Berriasiam至Barremian，为强烈断陷(第二裂陷期)的红色粗碎屑岩建造和黑色含油细碎屑岩建造，主要的沉积体系有扇三角洲、水下扇、浅湖、半深湖-深湖;上部沉积充填为早白垩世晚期至今(图2-5)。
1.下部充填序列———侏罗系
(1)阿拉坦合力群(J1-2al)
最大钻遇厚度658m。在地震反射剖面上与上、下反射层均为角度不整合接触，为一套河流相、滨浅湖相、湖沼相沉积。岩性组合表现为下粗上细的含煤岩系。地层中含煤层和炭质泥岩是重要的岩性标志。在井中，这套地层目前仅见于赛汉塔拉断陷的赛22井、吉尔嘎拉图断陷吉65井，分布零星，厚度变化较大。自然电位曲线多呈平直状或宽缓状，低幅异常，视电阻率曲线为基值抬高，呈比古生界稍低的刺刀状，块状高阻。
图2-5 二连盆地地层综合柱状与构造演化阶段
(2)兴安岭群(J3xa)
最大钻遇厚度889.47m，未穿。在地震剖面上往往表现为高振幅强反射界面，与下伏反射层呈不整合接触，与上覆下白垩统也为明显的不整合接触，不整合上、下分属两个裂陷盆地期的充填。兴安岭群为一套火山熔岩夹火山碎屑岩及河流相沉积岩，地表主要沿盆地东段各隆起区分布，尤其盆地东北部大兴安岭隆起区大面积出露。盆地井中主要为一套深灰、灰绿、灰褐、暗紫以凝灰岩及凝灰质胶结的红色砂砾岩，自然电位曲线近平直，视电阻率曲线呈块状高阻。
2.中部充填序列———下白垩统中下部
(1)阿尔善组(K1ba)
与下伏侏罗系或古生界角度不整合接触，钻遇最大视厚度为1734.5m，主要发育在阿南、阿北、乌里雅斯太、布图莫吉和呼、呼格吉勒图断陷等地(图2-5的T11与T7之间的地层)。由图2-5可知，阿尔善组主要分布在凹陷的中心，为一套灰绿、棕红色砾岩、含砾砂岩夹灰绿、灰、深灰色泥岩及碳酸盐岩和凝灰质砂砾岩、玄武岩。电阻率曲线为大锯齿和掌状高阻，自然电位呈平直到箱状、钟状负异常。
(2)腾格尔组(K1bt)
主要是湖相沉积，各断陷内均有发育(图2-5中的T7与T3之间的地层)。一般厚为3000～3600m，据电性、岩性和化石组合自下而上分为腾一段(K1bt1)和腾二段(K1bt2)。底部不整合面上为砂砾岩段，局部可见杂色砾岩，主体由深灰色、灰色或灰绿色的砂砾岩组成，底界显示明显的下切现象。
腾一段为暗色深湖泥岩和浊积岩。上部变粗，以砂岩、砂砾岩和较薄的泥岩为主(图2-6的T7与T5之间的地层)。自然电位曲线下部呈宽缓低幅负异常，中上部多为平直状，局部为钟形、指形中低幅负异常;视电阻率曲线下部为密集刺刀状高阻，中、上部为大段密集齿状低阻或齿状、刺刀状中阻。
腾二段厚900～1600m，主要由砂岩、砂砾岩、深灰色泥岩所组成。下部相对较粗，向上变细，并含有白云质泥岩。以扇三角洲、辫状河三角洲和湖相泥质沉积为主(图2-6的T5与T3之间的地层)。底界为局部不整合所限，顶为赛汉塔拉组上覆。自然电位曲线呈桶状、钟状、指状中幅负异常，视电阻率曲线为锯齿状、刺刀状中阻。
腾一段为全区主要的生油含油层系，腾二段为次要含油层系，且为稠油。
3.上部充填序列———赛汉组、二连组及新生代沉积
(1)下白垩统赛汉组(K1bs)
与下伏地层为不整合接触(见图2-6的T3特征)，在地震反射剖面上可见削顶等冲刷切割现象，为一套粗碎屑含煤岩系。下部为灰色粉砂岩、砂砾岩夹泥岩，中部为绿灰色泥岩夹深灰、灰黑色炭质泥岩和可采褐煤层，上部为灰绿、灰色砂岩夹灰绿、紫红、棕红色泥岩。钻遇最大厚度835m，一般400m左右。测井曲线形态与下伏地层有明显差异，自然电位曲线为钟形、箱形负异常，视电阻率曲线为刺刀状、齿状。该组主要是一套河流、沼泽相沉积，普遍含煤线，是早白垩世重要的成煤期。
图2-6 二连盆地过格日勒敖都凹陷地震剖面
(2)上白垩统二连组(K2e)
不整合覆盖在赛汉组之上，为一套河湖、冲积扇沉积的杂色碎屑岩建造。由于地层接近浅部，石油部门常常在处理地震信号时将其忽略，因此剖面上显示不出界面的特征。岩性为砖红色、灰绿色、土黄色含铁锰的粉砂岩、砂岩、砂砾岩夹泥岩、粉砂质泥岩，厚度30～400m不等。本组主要出露在二连浩特东北的二连盐池和川井地区，其次分布在二连浩特东南的本巴图、东乌珠穆沁旗西部的阿拉坦合力、阿巴嘎旗北部的额尔登戈壁等地。
(3)古近-新近系
古近-新近系发育比较齐全，从古新世至上新世均有出露，仅缺失渐新统，但出露零星，为一套河流和局部湖泊沉积体系充填物。古近-新近系产状平缓，常形成陡崖出露地表。
(4)第四系
二连盆地第四系分布也较广泛，出露厚度一般＜30m，主要有风成沙、湖积层以及玄武岩。风成沙发育在浑善达克沙漠的中部，呈近东西向的半固定沙丘和沙垄状，一般高10～30m。低洼汇水淖尔中有1～20m厚的湖积淤泥、黏土和粉砂，产碱矿和芒硝矿。在阿巴嘎旗、达来诺尔等地，出露大面积的第四系玄武岩，火山口、火山颈保存完好，构成玄武岩台地地貌景观。