1、毛乌素沙漠地貌类型及其分布
毛乌素沙漠的地貌类型按成因可分为构造地貌、堆积地貌、风沙地貌、黄土地貌、河流地貌5类；以形态分为波状高原、梁地、内陆湖沼、滩地（冲积湖积平原）、流动与半流动沙丘、固定沙地、黄土梁和河谷地8种地貌类型（图2.13）。分述如下：
（1）构造剥蚀地貌
1）波状高原：海拔1300～1400m，相对高差30～80m，由产状近似水平的白垩系棕红、灰绿色砂岩组成。因长期缓慢上升，经受剥蚀，高原面波状起伏。
图2.12 盐池泾川组罗汉洞组整合接触
图2.13 毛乌素沙漠及周边地区地貌图
2）梁地：梁地是鄂尔多斯构造剥蚀高原向东南的延伸，由产状近似水平的白垩系棕红色、灰绿色砂岩组成。多为长条状，局部呈馒头状，延长方向为北西45°～60°，大小不一，一般宽5～10km，海拔1300～1400m，地势自西北向东南渐趋低缓。丘顶光秃或覆盖有薄层风积砂。
（2）堆积地貌
1）内陆湖沼：大多为剥蚀、风蚀造成的凹地汇水形成。北部多为碱湖（苏打湖），南部有少数淡水湖。湖底沉积腐泥或砂土，湖周围有微向湖心倾斜的湖滨堆积。海拔1250～1370m。
2）冲积湖平原：俗称滩地。多呈沙、滩镶嵌状态，面积大小不等。依据地下水埋深状况有“干滩”、“湿滩”、“水滩”之分。滩地地势都较平坦，植物密集而繁茂，有碱滩、芨芨草滩。滩地地下水一般较浅，土壤湿润，局部积水沼泽化，地表多有盐分积聚，滩周围多是流沙环境。
（3）黄土地貌
呈长条梁状或峁状，标高1240～1320m，相对高差80m。由马兰期灰黄色黄土组成，黄土梁峁的顶面波状起伏，由于暂时性水流的冲刷切割，“V”字型冲沟发育。
（4）河流地貌
无定河河谷深切，沟深30～60m，断续发育三级阶地及河漫滩。河漫滩高出水面0.5～1m左右，地面平坦，微向河倾，宽10～100m，由全新世冲积砂砾石组成。
一级阶地为堆积阶地，高出河水面5m左右，阶地面平坦，微向河倾，宽50～300m，由全新世灰黄色粉细砂组成。二级阶地为基座阶地，高出河水面25m左右，上部残存少量河流冲积物，下部由萨拉乌苏组构成。三级阶地局部零星残存，高出河水面35m左右，也是以萨拉乌苏层为基座的阶地。
（5）风沙地貌。
详见2.6.2节。
2、毛乌素沙漠自然地理条件
毛乌素沙漠面积约为73344km2，位置处于内蒙古鄂尔多斯高原向陕北黄土高原的过渡区内，行政范围主要为内蒙古鄂尔多斯、陕北榆林和宁夏东北部，包括内蒙古自治区鄂尔多斯的南部（伊金霍洛旗南部、乌审旗全部、鄂托克前旗东南部、鄂托克旗东南部），陕西榆林地区的北部（神木、榆林、横山、靖边、定边、佳县）以及宁夏回族自治区盐池县的东北部（图2.1，图2.2）。其中内蒙古大约占有其面积的80％，陕西大约占15％，宁夏大约占5％。毛乌素沙漠地区现有人口为1.33×106人，其中农业人口为1.17×106，农村劳力为4.27×105人，人口密度为34人/km2，相对稀少。该地区为不同自然带的交接地段，自然条件恶劣，交通相对不便，但是资源相当丰富。拥有煤、石油、天然气、盐、高岭土等8类40余种矿产资源。
图2.1 毛乌素沙漠地区地理位置示意图
图2.2 毛乌素沙漠地区行政区划图
该区植被和土壤反映出过渡性特点。除向西北过渡为棕钙土半荒漠地带外，向西南到盐池一带过渡为灰钙土半荒漠地带，向东南过渡为黄土高原暖温带灰褐土森林草原地带。沙区土地利用类型较复杂，不同利用方式常交错分布在一起。农林牧用地的交错分布自东南向西北呈明显地域差异，东南部自然条件较优越，人为破坏严重，流沙比重大；西北部除有流沙分布外，还有成片的半固定、固定沙地分布。东部和南部地区农田高度集中于河谷阶地和滩地，向西北则农地减少，草场分布增多。
在气候方面，该区气候处于干旱、半干旱过渡地带，但大部分地区属温带半干旱区，年平均温度6.0～9.0℃，年平均降水量东南部为440mm，向西递减至250mm。该区光照充足，蒸发量大，约为降水量的5～10倍，干燥度1.0～2.5。总之，由于该区位于我国季风区的西陲，因此和其他沙漠区相比，具有相对较好的水热条件。
在地形方面，毛乌素沙漠大部分属鄂尔多斯高平原向陕北黄土高原的过渡地区，海拔高度在1200～1600m之间，自西北向东南倾斜。西北部包括从鄂尔多斯中西部高地向东南延伸出来的梁地，向东南延伸较远的有陶图梁（乌审旗）、西黑梁（乌审旗达不察克镇）、吴公梁等，海拔多在1300～1500m之间。这些梁地梁面平坦，由于遭受切割，在梁间形成的若干谷地呈自西北向东南倾斜的平行湖积冲积平原，即“滩地”。从而形成“梁”、“滩地”平行排列的相间地貌。西北部主要为基岩梁地（主要是白垩纪红色和灰色砂岩），而中部及东南部则广泛分布着各种不同类型的第四纪地层，成为沙地形成的物质来源。
3、南方的洪涝灾害和毛乌素沙漠的气候变化有关吗？
洪涝灾害和毛乌素沙漠气候变化是没有关系的，洪涝灾害是由于气候异常，水肌过度导致的，强对流造成的洪涝，在鹅毛素沙漠的话，是因为干旱导致的。
4、毛乌素沙漠风沙地貌
2.6.2.1 毛乌素沙漠风沙地貌类型
（1）流动沙丘
流动沙丘几乎没有植物覆盖（图2.14，图2.15），由零星分布的高度和大小不一的各种新月形沙丘，以及成不同密集程度分布的新月形沙丘链及格状沙丘组成。
图2.14 毛乌素沙漠裸露的流动沙丘及其平、剖面形态
图2.15 由多个新月形沙丘组成的沙丘链（左）及格状沙丘（右）
单个新月形沙丘平面形态如新月，高度一般3～15m，宽度一般50～200m，纵剖面两坡很不对称，迎风坡微凸而平缓，坡度一般5°～10°，背风坡下凹而较陡，坡度在28°～33°之间（图2.15）。
流动沙丘当沙源充足时，可形成由两个或两个以上新月形沙丘组成的新月形沙丘链（图2.15）。沙丘链中沙丘的高度一般10～30m，沙丘链间距差别较大，一般为40～150m。
当新月形沙丘链密集分布而彼此衔接起来时则形成格状沙丘（图2.15）。格状沙丘在毛乌素地区分布面积不大，只在东南部成片成带的新月形沙丘链的内部有所分布。
（2）半流动沙丘
分布在乌审旗洼地、红碱淖南部和无定河北岸等地的半流动沙丘多属抛物线形沙丘（图2.16）。由于沙丘两翼较低，水分状况较好，为植物生长提供了条件，往往首先得到固定，而沙丘中部则继续向前推移，在盛行风作用下，常被推成与新月形沙丘相反的马蹄形状，通常称为“抛物线形”沙丘，属于一种半流动沙丘。抛物线形沙丘也是中部突出，不过它中部突出的一面为背风坡，比较陡峭，而凹进的一面为迎风坡，较为平缓（图2.17）。抛物线形沙丘中部的宽度与两侧没有多大差别，呈弧形沙堆状，高度一般为2～8m。
图2.16 抛物线形沙丘
图2.17 抛物线形沙丘背风坡（左）及迎风坡（右）产状示意图
（3）半固定沙丘
当沙丘基本上被植物固定时，土壤开始发育，但植物尚未完全覆盖整个沙丘（植被覆盖度小于40％），迎风坡仍可出现风蚀坑，这时沙丘已不能向前移动，但仍有风沙沿地表移动，处于这种状态的沙丘称为半固定沙丘（图2.18左）。
（4）固定沙丘
半固定沙丘进一步固定，植物覆盖度加大（植被覆盖度大于40％），沙土开始变紧，基本上已不发生风沙流动时便为固定沙丘。半固定沙丘和固定沙丘经常混杂在一起，其形态具“蹄”、“堆”、“垅”三种，高度1～20m（图2.18右）。
图2.18 半固定沙丘（左）及固定沙丘（右）的植被覆盖情况
2.6.2.2 毛乌素沙漠风沙地貌形成条件及动态发展演化规律
（1）风沙地貌形成的物质来源
无论哪种风沙地貌的形成，必须有其风沙来源。就毛乌素沙漠来说，风沙的来源主要有三种。其一是全区广布的紫红色白垩纪砂岩和灰绿色侏罗纪砂岩及其风化物（图2.19）；其二是毛乌素东南部晚更新世萨拉乌苏组（灰绿-灰黄色）（基岩附近及其上面的流动沙丘的沙粒来源于附近的基岩）（图2.20左）；另外，还有一些来源于黄土和滩地河湖沉积物（黄土梁上和丘间低地的沙丘其沙粒主要来自黄土）（图2.20右），这些易于剥蚀搬运的欠固结母岩及其风化产物，是毛乌素沙漠各种风沙地貌单元赖以形成的物质基础。
图2.19 紫红色白垩纪砂岩（左）和灰绿色侏罗纪砂岩（右）及其风化物
图2.20 晚更新世萨拉乌苏组（左）和黄土梁上的风积沙（右）
（2）风沙地貌动态发展演化的总体规律
从毛乌素沙漠各种风沙地貌类型的形成演化规律，不难看出，各种最基本的风沙地貌单元的形成及其演化一方面与局地风力、风向及其不同特征的风动力组合形式有关，另一方面也与砂颗粒的性质、砂源的丰富程度以地表和地下水动态密切相关。尤其是风动力特征和地表水热条件对风沙地貌的形成往往起着至关重要的决定性作用。
整体说来，研究区内水热条件相对较好，但气候多变、砂源充足，使得沙丘地貌之间在一定的气候条件下可以相互转化。若连年多雨，植被覆盖度增大，开始发育土壤剖面，流动沙丘可变为半固定乃至固定沙丘；若连年干旱，植被覆盖度减小，固定沙丘可变为半固定乃至半流动和流动沙丘（图2.21）。
图2.21 风沙地貌动态发展演化规律示意图
2.6.2.3 毛乌素沙漠风沙地貌的总体分布规律
毛乌素沙漠最基本的风沙地貌主要有流动沙丘、半流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘，由于风沙地貌的演化具有较强的动态性，使得这些风沙地貌广泛分布于研究区的梁地、滩地、河谷阶地和湖滨。但就其平面分布情况的特点来看，则主要有呈片状分布的风沙地貌单元、呈东—西带状分布的风沙地貌单元以及呈西北—东南带状分布的风沙地貌单元等三种形式，分述如下。
（1）呈片状分布的风沙地貌单元
平面上呈片状分布的风沙地貌单元主要有宫泊沟两岸及榆溪河左岸一带的密集分布区（图2.22上）、中北部偏东有以乌审召为中心的大片流动沙丘（图2.22下）、东南部有榆溪河与无定河之间的两河交汇地段的新月形沙丘链以及分布在红柳河支流黑河两岸的流动沙丘（图2.23）。
图2.22 东北部（上）及中北部偏东（下）风沙地貌遥感影像图
图2.23 东南部风沙地貌遥感影像图
东北部自神木向西南经高家堡到榆林，自神木向西北到红碱淖，新街至榆林公路以东（即宫泊沟两岸及榆溪河左岸一带）的流动沙丘，沙丘高一般7～20m，多数为密集的新月形沙丘链，其中心常有格状沙丘；中北部偏东以乌审召为中心的大片流动沙丘，流动沙丘一般高8～20m，多为密集的沙丘链。东南部榆溪河与无定河之间的两河交汇地段（北以白河为界，南以无定河为界），主要分布着密集的新月形沙丘链，沙丘下伏地貌多为湿滩地，沙丘中还分布着许多丘间低地，沙丘高度一般6～12m，另外在红柳河支流黑河两岸的流动沙丘，沙丘一般高6～15m，呈新月形链状展布。
图2.24 呈东—西带状分布的风沙地貌遥感影像图
（2）呈东—西带状分布的风沙地貌单元
平面上呈带状分布的风沙地貌单元主要有最南部自定边孟家沙窝至靖边高家沟的东西走向的连绵沙带（图2.24上）和西北角苦水河的一条东西走向的流动沙丘组成的沙带（图2.24下）。其中孟家沙窝至靖边高家沟的东西走向的沙带中心多为高度为7～15m的格状沙丘，两侧则一般是高度为3～7m的新月形沙丘链。而西北角苦水河东西走向的沙带中，沙丘高度范围一般为7～18m。
（3）呈西北—东南带状分布的风沙地貌单元
除呈密集片状和东西向密集分布的流动沙地外，其余各处大多呈由西北向东南展布的流动沙地（图2.25）。
从整体地貌形态上来看，由中西部高地向东南延伸出来的一些梁地，梁面平坦，由于遭受割切，梁间形成若干谷地，自西北向东南为倾斜的平行湖积冲积平原，当地称为滩地，这样构成了“梁”、“滩”平行排列的相间地貌。
从风沙物源来看，梁地主要由白垩纪紫红色和侏罗纪灰绿色砂岩层所构成，固结程度很差，极易风化，风化物再经搬运，使得本区各种第四纪沉积物含沙量较大，成为沙地形成的物源，流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘分布广泛。
图2.25 呈东—西带状分布的风沙地貌遥感影像图
从风沙地貌的连续性方面来看，南部的呈西北—东南带状分布的沙丘（以珠和到吉拉为中心分布）连续性较好，但向北连续性明显降低。
由以上分布规律可见，虽然沙丘广泛分布于毛乌素沙漠全区，但呈密集连片成带的流动沙丘只见于南部、东部和东南部。
5、毛乌素沙区有哪些土地类型？
毛乌素沙区土地利用类型较复杂，不同利用方式常交错分布在一起。农林牧用地的交错分布自东南向西北呈明显地域差异，东南部自然条件较优越，人为破坏严重，流沙比重大；西北部除有流沙分布外，还有成片的半固定、固定沙地分布；东部和南部地区农田高度集中于河谷阶地和滩地，向西北则农地减少，草场分布增多。
6、毛乌素沙漠地质环境条件研究
关于沙漠地质环境条件方面的研究，最早起始于19世纪末有关风沙地貌学的研究。起初主要是国外旅行家或探险家对沙丘形态等进行简单定性的描述与分析，研究区域主要涉及撒哈拉沙漠、南亚次大陆、阿拉伯半岛、卡拉哈利沙漠和中亚地区沙漠等。其后Bagnold在1941年出版了经典著作“The Physics of Blown Sand and Desert Dunes”［4］，为风沙地貌学、风沙物理学理论体系的形成奠定了基础。此后，风沙地貌学研究日渐完善，研究方法、手段变得多样化，研究结果定量化，研究区域扩大化（几乎涵盖世界上所有沙漠地区）。研究内容包括：沙丘（沙漠）起源、沙区风沙情况及沙丘（沙漠）分类及演化等。对沙漠化的原因、风沙的物质来源、沙漠化的扩展、沙区环境演变与风况的关系及沙区输沙量与风况的关系等进行了研究。上述研究成果使得人们对风沙地貌的特征、成因、分布、演变等有了较为清晰的认识。
在新中国成立前的半个世纪内，对毛乌素沙漠的研究多集中于地质学和环境演变方面，但多为基于资料收集和初步分析的阶段，且主要是由一些国外学者利用野外考察所得的材料和印象对本地区的自然情况进行了初步报道，还未出现关于该地区的区域性研究论著。
新中国成立后对毛乌素沙漠的研究进入了一个新阶段，20世纪50年代开展的大规模地质勘探与考察对该地区的地质学研究不断深入。1962年，北京大学地理系与中国科学院治沙队共同组成了毛乌素沙区综合考察队，对毛乌素沙地进行了综合考察，内容涉及风沙来源与荒漠化问题、气候、水文、植被、土壤、土地分类与评价、农林牧生产等各个方面，主要对毛乌素沙地进行了较为宏观层面上的研究。
80年代毛乌素沙地的荒漠化问题逐渐成为人们关注的焦点。研究着重于植被生态学，其次为环境演变与历史地理、草地建设与畜牧业发展，荒漠化等问题再次之。国内学者对毛乌素区域地理、地质构造及沙漠的形成、分布、运移及其发展规律方面有所研究。北京大学地理系与中国科学院治沙队在以前研究的基础上出版了《毛乌素沙区自然条件及其改良利用》，该书对该区土壤的形成、分布及分类进行了简要的阐述，并对沙区土壤的机械组成和化学成分进行了一些初步研究。朱震达［5，6］、朱震达等［7，8］指出现今的毛乌素沙漠是历史时期形成的，其沙漠化过程大约延续在唐代后的千余年间，并由西北向东南逐渐推进。
90年代的研究主要围绕环境演变和历史地理方面的问题，着重于毛乌素沙漠的形成、演变与成因问题以及一些时期的古环境重建，与80年代以前相比，这个时期的研究在研究尺度上开始向微观与宏观两个方面发展。董光荣等［9～14］对鄂尔多斯第四纪特别是晚更新世以来的环境演变进行了研究，认为影响毛乌素沙地形成、演变的因素首先是冰期气候波动，其次才是新构造运动和人类不合理的经济活动。中国林业科学院等单位组织实施了“毛乌素沙区立地分类评价与适地适树研究”项目，对毛乌素沙地的乔灌木立地类型进行了研究［15］，中国科学院植物研究所在毛乌素沙漠地区设立了鄂尔多斯草地沙地生态站，使得研究手段从以前的以地面调查为主走向定位研究；内蒙古草场资源遥感应用考察队伊克昭盟（现为鄂尔多斯）分队采用遥感技术与野外调查相结合的方法对鄂尔多斯高原的自然资源和环境进行了相关研究［16］，以期研究监测沙漠化动态。史培军于1991年出版了专著《地理环境演变研究的理论与实践———鄂尔多斯地区晚第四纪以来地理环境演变研究》［17］，对该地区的环境演变问题进行了进一步探讨。李保生等人［18］在萨拉乌苏河流域研究了新近命名的“米浪沟湾地层剖面”，该剖面记录了距今150ka以来毛乌素地区27个旋回的沙漠与河湖相和古土壤沉积发育的交替演变的历史。指出这种沉积模式是由过去亚洲冬季风与夏季风相互对峙、互为消长的作用而产生的结果。吴波等［19］分析了50年代以来毛乌素地区荒漠化发展及其时空特征，指出荒漠化迅速扩展主要是由于不合理的人类活动造成的，气候波动也有一定的影响。对于毛乌素沙漠成因问题的研究，虽然在初始沙漠化的发生时间及沙漠形成原因两个方面尚存在争论，但有关理论已趋于成熟，研究深度也较为深入全面，在不同成因观点的争论过程中对毛乌素沙漠地质环境条件的研究也逐渐趋于全面深入。
进入21世纪，随着各类工程向沙漠地区的发展，工程实践中开始遇到越来越多的与沙漠这一独特的地理单元有关的岩土工程问题和工程地质问题，有些问题变得日益突出，成为严重阻滞该区各类工程建设的瓶颈。在这些工程建设中，以公路工程建设居多，如新疆交通科学研究院等单位［20］和一些学者如彭世古［21］、任仓钰［22，23］、刘文白等［24，25］，他们大多围绕甘肃、陕西、新疆等地沙漠地区特殊地质地段的公路建设技术开展了一些研究工作，多集中于公路设计、施工、养护技术和公路环境影响评价、路面材料与耐久性及沙害防治等问题的研究，获得了沙漠地区一些基础的工程力学指标和经验。出发点基本都是基于解决某一实际工程实践中所遇到的问题所做的一些基于点上的研究。目前有关砂土颗粒级配及矿物成分分析的一些试验一般只是为了满足单一工程的需要［26～28］，而胶结状态、微结构分析等方面则几乎是空白。
对于毛乌素沙漠的层序地层学方面的研究资料还较为缺乏，仅有的极少数成果也只对较浅部地层的结构进行过一些研究［29］，其着眼点在于研究全新世的古气候特征；而对于该区工程实践涉及深度范围内的地层结构缺乏应有的认识，仅有的一些认识也仅仅局限在个别场地［30］，且其着眼点仅在于研究剖面土壤水分动态。侯光才等［31］出版的《鄂尔多斯盆地地下水勘查研究》对鄂尔多斯盆地地下水的赋存条件、循环机理和地下水资源特征等方面进行了系统研究，其中涉及毛乌素沙漠地下水资源环境部分的研究是目前该方面较为系统深入的研究成果，对毛乌素沙漠的含水层结构也有着较为深入的认识。
综观国内外的研究历史及现状可以看出，研究成果多集中于古人类和考古文化、植物学、农牧业生产、生态学及地质学等领域，使我们对毛乌素沙漠的成因、水文水资源及土壤资源等，气候、沙漠和沙漠化问题有了一定认识，对毛乌素沙漠的区域自然地理概况有了初步的了解，同时也在一定程度上从一些角度揭示了毛乌素沙漠地区的地质环境条件，这些研究成果虽然尚缺乏系统性，但还是为以后的研究工作奠定了一定的基础。
7、毛乌素沙漠地区地层条件
研究区内出露地层比较简单，除第四系广布外，还有白垩系地层出露；部分地区有古近系出露；侏罗系和三叠系地层出露较少［31］。
本区白垩系的主体由保安群构成（图2.8）。保安群在本区主要分布于伊盟隆起、伊陕斜坡，地表在北部伊盟隆起有大面积出露，南至靖边县南部的白于山北麓为毛乌素沙漠覆盖，仅有小片出露于地形较高处。保安群自下而上可划分为宜君组（K1y）、洛河组（K1l）、环河组（K1h）、罗汉洞组（K1lh）和泾川组（K1jc）5个岩石地层单位。
宜君组（亦称宜君砾岩）（图2.9），主要为杂色砾岩、砂砾夹砂岩透镜体及少量泥岩薄层。多呈扇状、楔状、丘状、透镜状产出，从边缘向内部变薄、尖灭或过渡为洛河组砂岩。由于在本区分布有限且与洛河组呈连续过渡，故并入洛河组，统称为宜君-洛河组。
洛河组（亦称洛河砂岩），为一套近缘冲积扇→辫状河→沙漠相沉积组合，厚度一般在250～350m之间，在榆林、鄂尔多斯市一带有所出露。洛河组的岩性以砖红、棕红、紫红色块状中、细粒长石石英砂岩为主，少量含砾砂岩、粗砂岩、粉细砂岩，其中砂岩占地层比例达90％以上，以发育巨型交错层理、板状层理为特征（图2.10）。岩石结构成熟度和成分成熟度较高，结构疏松，孔隙发育且连通性好。
图2.8 保安群残留厚度等值线图
图2.9 宜君-洛河组残留厚度等值线图
图2.10 洛河组岩性照片
环河组在北部内蒙古境内成片出露，与洛河组整合接触，厚度一般在200～600m之间。本区以河流相沉积为主，偶见湖泊沉积。岩性为紫灰色、棕红、青灰色岩屑长石砂岩、砂岩、含砾砂岩为主，夹棕红色泥岩、泥质粉砂岩等，钙泥质接触式-孔隙式胶结，发育多个粗→细的沉积旋回。
罗汉洞组（K1lh）地表呈“厂”字形出露于鄂尔多斯-鄂托克旗以北，定边-鄂托克前旗以西的盆地边缘地带。罗汉洞组是继环河组河湖沉积相之后，鄂尔多斯盆地复抬升，气候逐渐转为干旱，形成以河流、沙漠相为主的沉积组合（图2.11）。该组在北部主要为冲积扇→辫状河相，岩性由棕红、姜黄色砂岩、含砾砂岩、砾岩夹透镜状泥岩、砂质泥岩组成；南部西侧主要为辫状河相→沙漠沙丘亚相，岩性主要为棕红色、紫红色不等粒、中粒、中细粒岩屑长石砂岩、钙质细砂岩、长石石英砂岩夹紫红色泥岩、粉细砂岩薄层。
图2.11 罗汉洞组中的槽状层理（达拉特旗：左）及河流相沉积（杭锦旗：右）
泾川组主要分布于伊克乌素—杭锦旗一线及西部盐池一带，南北向呈条带状断续出露，与罗汉洞组连续过渡（图2.12），厚度最大在300m以上。泾川组下部在伊克乌素—杭锦旗一线以北为典型的山麓洪冲积相和辫状河沉积，岩性为黄绿、灰绿色砾岩夹灰白、棕红、灰黄色灰质砂岩；上部为土红、黄绿色中细砂岩、含砾粗砂岩与砾岩互层，富含钙质结核。鄂托克旗布隆庙、鄂托克前旗西部大庙、北大池一带为湖泊相沉积，岩性为蓝灰、灰绿、棕灰色及砖红色中薄层状泥岩，夹灰绿、黄灰色钙质细砂岩和泥灰岩，局部夹薄层状假鲕状灰岩透镜体。向南至盐池县哈巴湖相变为铁钙质胶结的泥岩、粉细砂岩、中粒长石砂岩和岩屑长石砂岩互层沉积，厚40余米。
古近系—新近系在地表出露于西部及中部，底部不整合于白垩系及更老地层之上。其中古近系（E）在本区中部及西部连续出露，其中渐新统清水营组岩性为褐红、砖红色泥岩、粉砂岩夹灰绿色砂岩、泥岩及石膏层，局部夹灰白色石英砂岩、砂质泥岩、泥灰岩，厚度变化较大（数十米至近800m）。新近系（N）零星出露。
本区第四系以风积砂层（Q）为主，构成毛乌素沙漠的主体。其次分布有洪积层、湖积层、风积黄土层、冲湖积层、冲积层、冲洪积层等。
1）风积黄土：主要分布于区内黄土梁上。时代为晚更新世后期。岩性以土黄、浅黄色粉砂为主，其次细砂及粘土，质地疏松，易崩塌，垂直节理发育，含钙质结核。厚度一般5～50m。
2）冲湖积层（Qp）：包括上更新统萨拉乌苏组、全新统的冲湖积层。萨拉乌苏组主要分布于区内东部和南部，为河湖相及风积相沉积。岩性底部为1～2m的黑灰色泥炭、泥砂层，中部为浅棕黄色细粉砂土、粉砂、砂质粘土及中粗砂互层，上部为浅灰色粘土质，含钙质粉砂层，厚5～90m。
3）全新统冲洪积层：主要分布于河漫滩及一、二级阶地上，呈条带状延伸。岩性为灰黄色、浅黄色细中砂及砂砾石层。松散，分选差，具水平层理或斜层理，沿层面有砾石及泥灰质团块富集，厚度5～20m。
4）全新统风积层：区内分布最广，岩性以灰黄色、黄褐色中细砂、粉细砂为主，结构松散，颗粒均匀，磨圆度中等，成分以石英为主。由西北向东南，粒度有由粗变细的趋势。本层不整合覆于各地层之上，厚度1～30m。
8、毛乌素沙漠大气运动及气候特征
毛乌素沙漠（纬度37°27′30～39°22′30N，东经107°20～111°30′E，）处于中纬度西风带中，高空终年为西风环流所控制。冬季在蒙古西伯利亚一带形成势力强大的冷高压区，青藏高原的存在和它形成的低温高原中心叠加在蒙古高压之上，都使高压势力得到加强，该冷高压中心经常位于蒙古的西部，毛乌素沙区在此天气系统的控制之下，盛行由大陆吹向海洋的冬季风。这时在地面上蒙古高压控制着整个亚洲大陆，成为干燥寒冷的极地大陆气团源地。
由于西伯利亚高压特别强大，在单一的冷高压控制之下，天气晴朗，再加之毛乌素地势较高，下垫面裸露，多为沙所覆盖，辐射冷却强烈，因而加强了寒冷的高气压，冬季十分严寒而漫长（长达160～170d）。同时，在单一的冷高压控制下，空气比较稳定，很少有水汽输送进来，显得特别干燥，降雪稀少。冬季冷空气活动频繁，沙随大风向偏南方向飞扬。冬季气候特点可归纳为冬长严寒，降雪稀少，气候特别干燥。春季陆地表面受热逐渐增多，西伯利亚高压开始减弱并向西北撤退（但仍为高压性质），北太平洋副热带高压逐渐扩张，海洋气团开始侵入我国东南沿海大陆，但由于毛乌素沙区处在两高压之间的相对气压较低的区域，所以这里南北气流经常耦合，低压不断出现，锋面经常南北移动，天气多变。春季由于气压活动中心位置很不稳定，天气系统频繁过境。锋面过境常伴有偏北大风，为大风最多的季节。由于春季本区温度回升快和多大风，使干燥的地表面更干燥，沙随风飞扬，风沙强烈。夏季大陆强烈增温，印缅低压达最盛，而北太平洋副热带高压也达最强，并向西移到西经150°和北纬40°的海面上，这时我国大部分地区处在印缅低压的东和东偏北部并且在副热带高压的西侧。湿热的海洋气团涌向我国，形成夏季风。只有2～3km厚度的东南季风翻山越岭，到毛乌素沙区时势力已不强盛，沿途水汽消耗甚多。夏季亚欧大陆中心形成的干热的大陆气团也经常东移到此，本区是这两种气团争夺的过渡地带。东南季风到达本区并持续时间长的年份则降水多，反之，热带大陆气团到达本区并持续时间长的年份则干旱异常。夏季的前期，东南季风虽已前锋到此，但不强盛，并时进时退，而本区多处在偏北方向来的变性气团控制之下，故仍然干旱少雨。七月初开始，本区才处在东南季风控制之下，使本区降水显著增加。但降水时间不长，只有两个月左右。一旦西藏高压在本区上空停留时间延长，就会出现严重的夏旱。夏季持续时间很短，只有30～40d左右。秋季与春季相反，地面迅速冷却，印缅低压南退并减至很弱，而西伯利亚高压又逐渐向冬季风过渡。由于下垫面迅速冷却，低层空气很快降温，而高层空气反而比较温暖，形成空气下冷上暖的稳定天气。由于冬季风来势很猛，秋季持续时间比春季短，只有70～80d左右。秋季在东南季风退却之际，我国东南海面上移动性高压又逐渐增加。这种高压常有暖湿的气流吹送到大陆上来，它被北来的冷空气抬升形成部分降水。毛乌素沙漠东南距海洋甚远，中间又有层层山脉和高原相隔，对夏季东南季风的长驱直入有一定阻挡作用，但东南季风仍可影响本区。西北方是亚欧大陆腹地，冬季干燥寒冷空气可以迅速到达本区。这样的地理位置决定了毛乌素沙区具有季风气候的特征。特别在盛夏季节，东南季风对夏季降水仍有决定意义。本区全年的大部分时间为西北季风控制，气候干燥寒冷。
毛乌素沙漠地区位于鄂尔多斯高原的南部，其北部和西北部的鄂尔多斯高原地势较高，对入侵毛乌素沙漠地区的寒潮或冷空气有屏挡作用，同时由于冷空气滞留和积聚而气温较低；毛乌素沙区的中东部地势较低，气流越过高原后的下沉增温作用，使气温有一定程度增高。鄂尔多斯高原对于东南季风前进的阻挡和高原迎东南季风坡的动力抬升致雨作用，使本区降水自东南向西北显著减少。