在野外露头、钻井剖面及测井曲线的综合研究和室内编图基础上，综合地质背景、岩性组合、沉积结构、沉积构造、地球化学及古生物学特征，研究区古生界被划分为三角洲、辫状河三角洲、湖泊、障壁海岸、陆棚及碳酸盐台地等6种沉积相类型。并进一步识别出16种沉积亚相，分别为：三角洲平原、三角洲前缘、前三角洲、辫状河三角洲平原、辫状河三角洲前缘、前辫状河三角洲、滨湖、浅湖、潮坪、障壁岛、泻湖、碳酸盐陆棚、泥质陆棚、开阔台地、局限台地和蒸发台地。 根据盆地周缘古陆、砂岩类型、轻、重矿物组合及古水流方向等特征的分析，认为研究区上古生界陆源碎屑物质来自南、北两大物源区，即北部的阴山古陆和东南部的东秦岭古陆。北物源区提供了主要的碎屑物质，它又可细分为东、西两个不同的部分，分别为阴山古陆东部太仆寺旗、集宁地区和阴山中部的渣尔泰山、乌拉山地区。 鄂尔多斯东部地区天然气藏的分布明显受沉积相的控制。马5晚期研究区发育蒸发台地相和局限台地相；本溪期自东而西发育浅海泥质陆棚、障壁岛、泻湖及潮坪相；太原期大部分地区发育浅海陆棚沉积，北部和西南部则发育碎屑岩潮坪和碳酸盐潮坪沉积；山西期和石盒子中晚期为三角洲和湖泊沉积环境；石盒子早期广泛发育辫状河三角洲和湖泊沉积。石炭二叠系分布的煤层、炭质泥岩和奥陶系碳酸盐岩是研究区主要的气源岩。重要的储集层有：三角洲和辫状河三角洲分流河道和水下分流河道砂体、碳酸盐岩台地的白云岩以及潮坪、障壁岛砂体。 古生代研究区经历了十分复杂的充填演化过程，早奥陶世马家沟期本区经历了三个三级海平面升降旋回，其中马5期随着海平面下降，发育了蒸发台地和局限台地沉积。加里东运动使研究区暴露地表，遭受风化剥蚀长达100Ma以上。从晚石炭世本溪期开始，由于东西向拉张，基底缓慢下沉，本区广泛发育陆表海沉积。早二叠世晚期以后，随着北部伊盟地区不断隆升，海水退出本区，研究区形成广泛的三角洲和湖泊沉积。 以区域不整合面、构造体制转换面、水道下切谷、沉积相突变面及低水位期暴露面作为层序界面，将研究区古生界划分为3个层序组和14个层序。认为研宄区古生界层序演化经历了以下三个阶段：蒸发台地充填阶段、陆表海碳酸盐岩与碎屑岩混合沉积阶段，以及近岸内陆坳陷的湖泊三角洲碎屑岩沉积阶段。总结出沉积层序与天然气藏有着十分密切的关系；层序控制了生储盖组合，决定着储层的展布并影响储层的储集性能。