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博山区地层发育较全，自老至新有四界七系。其中：太古界—泰山群。此层分布于岭西、乐疃、南博山、池上、李家等。岩性为黑云斜长片麻岩、黑云变粒岩、斜长角闪岩、角闪片岩等。地层厚2700—15000米左右，距今约24亿年；古生界—寒武、奥陶、石炭、二迭四系。寒武系分布于石门、北博山、李家、池上、源泉、岭西、南博山等。岩性下部为页岩夹灰岩，中部是厚层鲡状灰岩及页岩与博层灰岩互层，上部为泥质条纸灰岩夹薄层灰岩与页岩互层。沉积环境属海相，含动物化石。层厚600米左右，距今5亿年之多；奥陶系分布于石门、夏家庄、石马、乐疃、八陡、源泉、岳庄、北博山等。岩性为纯灰岩、泥灰岩、白云质灰岩及白云岩，属海相碳酸盐岩沉积建造，含动物化石。层厚800米左右，距今4.4亿年；石炭系分布于八陡、福山、山头、域城、白塔、夏家庄等。岩性为砂、页岩互层加灰岩，属海陆交互相含煤沉积地层，富含动物化石。层厚140米，距今约2.7亿年；二迭系分布于八陡、山头、福山、夏家庄、白塔、蕉庄、域城等，层厚430米左右，属陆相沉积，含植物化石，距今约2.7亿年。中生界。区境内只在蕉庄乡露侏罗系中、下统，由砂岩、页岩及岩质页岩组成，属河湖沼泽沉积，含植物化石。厚180米，距今约1.4亿年。新生界。区境内仅有第四系，广泛分布于河谷、河川、低洼处，以粘质沙土为主，间夹砂砾层，厚3—4米。 [2] 

境内存在着两种类型。一为太古代的基地构造，以线状紧密褶皱为主，褶皱轴向与片理方向一致，呈330-340方向展布，基底断裂也较发育，只是由于岩性的区域质作用而难以识别；一为中、新生代的盖层结构，以断裂为主，褶皱次之。 [2] 

南北向断裂称姚家峪断裂，南自莱芜市苗山东南一带，向北过樵岭前、姚家峪至周村区的金山，全长60千米，纵贯区境16千米。走向N5°W—N10°E，倾角NW或S。倾角55°—75°以上。由2—3条正断层组成断裂带。破碎带宽100—200米，直断层南小北大，在区境内的垂直断距300米左右，水平断距10千米。北东向断裂有二：一称淄河断裂，南自新汶盆地向北，最终入渤海湾，全长110千米，宽一般400—1000米，出露地表60千米。在区境内一段贯穿博山、源泉诸乡镇，长19千米。由3—5条断裂组成的断裂带，走向35°左右南东倾，倾角一般80°左右，从整体向东盘上升，西盘下降，垂直距离100—400米，属逆断层性质。一称秋谷断裂，西南自乐疃向东北经北神头、秋谷、西河、田庄，终点与淄河断裂相会，全长近30千米。在区境内一段长20千米。此断裂切割了姚家峪断裂，断裂走向N70°E，倾向SE，倾角50°—70°，属正断层性质。东西向断裂亦有二：一称石马断裂，西起石马，北至源泉，与淄河断裂衔接，全长近20千米，属正断层性质。大部分地断被黄土覆盖，局部地段有出露，断层走向EW，倾向S，属正断层。位于山头黑山一带，长约7千米，走向EW，倾向S，倾角70°—80°，上盘为二迭系上统地层，下盘为二迭系下统地层。落差自西向东由数十米增至百余米。北西向断层称福山镇断层，位于福山镇一带，切割秋谷断层，长近10千米，属正断层性质。走向N50°W，倾向西南，倾角70°。上盘为二迭系地层，下盘为中奥陶统地层。落差南部约500米，北部700米。 [2] 

淄博向斜（也称淄博盆地），由于受桃花峪断裂的影响而形成不对称性。在博山呈狭窄状向北开阔的箕形盆地。向斜轴在区境内，走向N20°E。其东翼地层走向NE，倾向西北，倾角8°—13°；西翼地层走向SN—西北，倾向E—东北，倾角18°—40°。西河向斜位于福山—西河一带，西南宽，东北窄。轴向N65°E。向斜核部为石炭系太原组地层；东南翼为石炭系本溪组及奥陶统地层，倾角10°；北西翼以秋谷断层与中奥陶统地层接触，产状略陡，约20度。博山区境内地质构造特点是：断裂发育，褶皱次之，高角度的张力性断裂为主。较大的断裂往往由两条以上相互平行的断裂构成断裂带。南北向断裂及北东东向断裂发育，且控制了大量沉积矿产的展布。 [2] 

博山区境内的岩浆岩活动与其他区比较明显微弱，根据时代的不同可分两期：一期是元古代桃科期岩浆岩，仅见于乐疃樵岭前村西的老猫头。岩性为蛇纹岩，属古老的浸入岩体，约20亿年左右。岩体呈小岩株，平面椭圆，长轴方向西北，与地层的片理方向一致，变质程度较深，在岩体与混合岩的接触带上形成了小型蛭石矿。另一期是中生代燕山期岩浆岩，主要呈岩墙或岩床产出。岭西桃花峪村一带有十几层1—2米厚的辉绿岩床浸入到寒武系中、下统地层中。石马镇的淄井和北博山镇的沙井一带，在奥陶统石灰岩中浸入了1—2层云斜煌班岩岩床，由于含副矿物磷灰石往往形成一些品位不很高的磷矿床。在煤系地层中（石炭系、二迭系）也有辉绿岩的浸入，有些破坏了煤层的连续性，有些影响了煤的质量。在蕉庄境内，辉绿岩床顺层浸入到二迭系上统地层内，其产状与地层产状一致，走向为N50度E，出露面积0.44平方千米。 [2] 

博山区总体地势为南高北低，南、东、西三面中低山环绕，中间低山、丘陵、山涧、河谷排列，北面为丘陵河谷地带，地势总变化在130—1100米之间，南部淄河流域与北部孝妇河流域河底高度相差在160—200米之间。 [2] 

博山区南、东、西三面中低山区面积为334.7平方千米，占全区总面积的49.1%。淄河流域南部地势高起，相对高差500—700米，沟壑纵横，东部地势高峻挺拔；樵岭前至桃园一线西部，地形相对高差550米左右，沟谷幽深，山势峥嵘，随处可见。[2] 

包括淄河流域中北部和孝妇河流域的南部，面积297.55平方千米，占全区总面积的43.6%。孝妇河与淄河分水岭立于其中，西起羊峪岭，东至671高地，呈弧形东西分布，沟谷切割较深，河谷发育，冲洪积层沿淄河两岸分布。 [2] 

位于城区以北，面积49.75平方千米，占全区总面积的7.3%。山岭起伏平缓，最高山顶大尖山海拔295.5米。地形最低处孝妇河出界口海拔130米。孝妇河沿岸冲洪积层连续分布。 [2] 

博山区境内山岭起伏，层峦叠嶂。海拔800米以上的山峰有47个，500米以上的山峰81个。山脉属鲁中山系，西连泰山，向东蜿蜒深入益都。较大的属鲁山、原山、岳阳山、鹿角山。 [2] 

博山区大陆度为61.3，属暖温带季风区半湿润气候。年平均气温13.6℃，全年无霜期201天。年平均降水量为719.3毫米，分布不均。四季分明，季风气候明显，春季空气干燥，降水少，温度回升快，多西南大风，常有干旱、霜冻等灾害发生；夏季高温高湿，降水量集中且多雷雨大风；秋季气温下降，雨量突减，天气晴朗稳定；冬季气候干燥寒冷，雨雪少，多北向大风。四季分布是冬夏长，春秋短。冬季最长，为140天；夏季次之，为100天；春季最短，为60天。 [15] 

博山区历年平均气温为13.6℃，最高年14.4℃（1998、1999），最低年12.9℃（1986，高低年相差1.5℃）。1月份温度最低，2—7月为升温阶段，4月升温最快，幅度为7.7℃，7月达最高，8—2月为降温阶段，11月降温最快，幅度为7.6℃。气温日变化明显，一般一日中最低温度在日出前（冬季6—7时，夏季5—6时），最高气温在午后（13—15时），年平均日较差为10.0℃，但又随季节不同而变化较大。春、秋季最大，5月为11.3℃；冬季最小，1月为8.7℃。气温的地理分布为北高南低，呈逆向型气候，即气温与海拔高度成反比。据1983年对比观测和计算，北部（海拔200米）和南部（海拔400—600米）气温相差1.5—2.1℃，和南部鲁山（1108.3米）相差5.1℃。 [15] 

博山区年平均相对空气湿度为60%，呈半湿润状况。夏季风控制的6—10月份月平均值在60—80%之间；冬季风控制的11至严年5月份在50—60%之间。相对湿度的日变化受气温日变化影响，在日出前即出现最低气温时相对湿度最大，在午后即出现最高气温时相对湿度最小。蒸发量年平均为1939.7毫米。各季相差大。5—6月超过280毫米，12月、1月、2月都不足80毫米。 [15] 

博山区蒸发量年平均为1939.7毫米。各季相差大。5—6月超过280毫米，12月、1月、2月都不足80毫米。 [15] 

博山区境内的河流主要有淄河和孝妇河，次有青阳河和牛角河。前3条属小青河水系，后1条属黄河水系。 [2]