太原组在工作区厚约80 m,与下伏本溪组连续沉积,在本溪组缺失的地段直接与奥陶系马家沟组呈平行不整合接触。该组主体为砂岩,粉砂岩,含多层煤层,是本区重要的煤炭来源,按其岩性可分为上中下三段。下段主要为砂岩与粉砂岩互层或粉砂质泥岩,粉砂质泥岩常以透镜体的形式出现,含海相化石,含两层煤层。中段下部多为砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩,上部多为石灰岩夹粉砂岩、粉砂质泥岩和薄煤层。黑色中厚层状生物碎屑灰岩极为特征,最厚可达16 m,实习区一般小于6 m,全区发育,化石丰富,是地层对比的良好标志。太原组上段的下部多为一层中厚层状石英砂岩,发育板状交错层理;上部多为黑色粉砂质页岩,含菱铁矿层或结核,顶部局部发育煤层。
早二叠世太原期,地壳继续下沉,海侵范围进一步扩大。来自南东、北西两侧的海水分别向中央古隆起和向北侵漫,潮坪、泻湖和滨岸沉积逐渐超覆于中央古隆起的奥陶系古侵蚀面之上,使中央古隆起沦于水下,东西两侧形成一个统一的海域。在盆地东部地区以浅海陆棚沉积为主,发育了多层太原组灰岩沉积。