沁水盆地是我国最大的煤层气产地，晚古生代地层是主要含煤层系。对沁水盆地晚古生代地层的基础地质研究对于煤层气的勘探具有重要的意义。本论文主要利用碎屑锆石U-Pb及Lu-Hf同位素分析的手段对沁水盆地晚古生代地层的物源进行了研究，利用磷灰石裂变径迹约束了煤系地层中生代以来的热演化过程。　　通过对七块晚古生代砂岩样品的U-Pb及Lu-Hf数据研究发现:沁水盆地晚石炭世太原组沉积期存在一次物源区转换。太原组的碎屑锆石年龄峰主要以早古生代为主，且其Hf同位素显示明显具有初始地壳的性质。此外，还具有1.1-0.9Ga及1.87Ga及2.5Ga左右的三个较小年龄峰。通过与华北克拉通晚古生代周缘可能的物源区:中亚造山带、秦岭-大别造山带的对比基本可以确定，太原组的物源主要来自华北克拉通南部的秦岭-大别造山带。从早二叠世早期山西组到晚二叠世的石千峰组沉积期，碎屑锆石年龄谱及Hf同位素均发生了很大变化，显生宙组分明显以具地壳重熔性质的晚古生代组分为主，与该时期华北克拉通北部内蒙古古隆起的岩浆岩特征相吻合。而同时期，华北克拉通南部秦岭造山带缺少晚古生代的岩浆活动。此外，1.85Ga与2.5Ga年组分也与华北克拉通自身所具有的广泛分布的元古代组分相匹配。因此，可以判定山西组到石千峰组沉积期，沁水盆地的物源主要来自华北克拉通自身，特别是其北部的内蒙古古隆起地区。此次物源转变的时间可以大致限定于晚石炭世末期。此次物源转换可能与晚石炭世随着南秦岭与北秦岭的碰撞有关，后期随着古亚洲洋的俯冲，物源区转变为华北克拉通北缘。　　在确定物源来自华北克拉通自身的前提下，利用碎屑锆石的二阶段模式年龄计算了华北克拉通晚古生代以前的地壳生长曲线。结果显示:70％的华北克拉通的地壳在2.5 Ga前已形成，华北克拉通古元古代以后基本以古老地壳的重熔为主。这与前人借助现代河流砂及古代沉积岩所得出的结论类似，但通过对比可以发现，最古老组分年龄与古老组分比例均随着样品年龄的减小而减少，在排除新的初始地壳物质的加入的可能性质之后，判定古老组分在后期地质过程中的损耗是其主要原因。因此，在利用年轻碎屑沉积物研究古老克拉通的地壳生长历史时需要注意古老组分丢失的影响。　　对所获得晚古生代砂岩中的磷灰石进行了裂变径迹分析，结果显示:磷灰石裂变径迹年龄远远小于地层年龄，说明晚古生代地层后期经历了完全退火。但是，磷灰石裂变径迹年龄与高程、组分均无明显相关关系。通过对沁水盆地东部及太行山西缘中生代以来的构造演化分析，建立了早期挤压隆升、后期伸展裂陷地区的裂变径迹年龄-高程脱藕模型，并成功地解释了该数据差异的原因。借助热史反演结果推断:沁水盆地从晚侏罗世开始已处于缓慢冷却的状态，中新世末期以来则存在一次快速的冷却事件。