Каменноугольная система. Отложения каменноугольной системы слагают сводовую часть и крылья Главной антиклинали и повсеместно обнажаются на дневной поверхности, либо перекрыты маломощным чехлом четвертичных образований. Данная система представлена отложениями всех трех отделов.
Нижний отдел обнажается вблизи зоны сочленения Донбасса с Приазовским геоблоком УЩ. Он расчленен на четыре стратиграфические подразделения – турнейского, визейского ярусов, грабовской и самарской свит.
Турнейские образования –C1t представлены, главным образом, известняками, меньше - доломитами. В основании разреза залегают грубозернистые кварцевые песчаники, участками переходящие в тонкозернистые разности.
Визейские образования –C1v согласно залегают на породах турнейского яруса. Они представлены карбонатными и песчано- глинистыми породами. В основании разреза залегают плитчатые глинистые известняки, чередующиеся с прослоями известково- глинистых сланцев. Выше по разрезу наблюдается толща однородных по составу серых мелко-неравномернокристаллических известняков, переслаивающихся с мергелями.
Грабовская свита – С12 представлена глинистыми песчаниками с прослоями известняков и углистых сланцев. Самарская свита С13 сложена сланцами песчаными, глинистыми песчаниками, известняками с встречающимися прослоями углей.
Средний отдел является основной стратиграфической единицей и представлен всеми свитами. Отложения этого отдела обнажаются вдоль оси Главной антиклинали, характеризуются высокой угленосностью и являются объектом эксплуатации многочисленных угольных шахт.
Отложения свиты С21 частично обнажаются и представлены песчаниками и сланцами с ограниченным количеством известняков. Угленосность свиты весьма низкая и промышленного значения не имеет.
Свита С22 хорошо изучена. Отложения ее обнажаются в осевой части антиклинали Сложены они в нижней части чередующимися пачками сланцев и песчаников мощностью 10-20 м; в верхней части свиты развита мощная выдержанная пачка (120 м) так называемых «софиевских» песчаников, накопление которых продолжалось и в первый период образования свиты С23 в связи с чем известняк Н1, разграничивающий свиты С22 и С23 в районе отсутствует. В свите 5-6 слоев известняков небольшой мощности. В основании «софиевских» песчаников местами встречается угольный пласт g3, в редких случаях достигающий рабочей мощности.
Свита С23 в средней части разреза, над «софиевскими» песчаниками, представлена алевритовыми и глинистыми сланцами, а также мелкозернистыми песчаниками. К ней приурочены известняки Н3, Н4, Н41, Н5, Н50, Н51, Н6 и Н61 и угольные пласты и прослои h3, h4, h5, h6, h61, h62, h7, h8, h10 и h101 . Над известняком Н50 залегает устойчивая пачка глинистых сланцев мощностью 40 м, являющаяся хорошим корреляционным горизонтом. Заканчивается разрез мощной пачкой (100-130 м) «чернокурганских» песчаников, выдержанных на всем простирании района. В основании этих песчаников залегает пласт h10, местами имеющий мощность до 1,5 м.
Свита С24 сложена в основном алевролитовыми и глинистыми сланцами с очень ограниченным количеством песчаников, известняков и углей. Известняки, как правило, маломощные, невыдержанные, глинистые; прослои углей также маломощны (0,05-0,2 м).
Свита С25 по составу пород и угленасыщенности разделяется на три примерно равные части. Нижняя часть свиты, между известняками К1 и К6, представлена песчаниками и алевритовыми сланцами и содержит большое количество известняков и углей. К этой части свиты приурочено до 10 пластов углей (от k1 до k41), достигающих рабочей мощности. Непосредственно в кровле угольных пластов k21, k31 и k4 залегают известняки. Песчаники здесь сосредоточены в основании свиты, а угленасыщенная часть почти вся расположена выше песчаников между пластом угля k2 и известняком К6.
Средняя часть свиты, между известняками K6 и K7 , представлена мощными пачками песчаников и сланцев, чередующихся между собой, и угольными пластами k42, k5 , k51 , k52 и k6. Известняки отсутствуют. Известняк K7, присутствующий почти повсеместно на южном крыле антиклинали, на большей части северного крыла размыт.
Верхняя часть свиты, между известняками K7 и L1 , также представлена мощными пачками песчаников, переслаивающихся со сланцами, главным образом алевритовыми, и содержит известняки K8 и K9. Между известняками K7 и K8 в сланцах залегают рабочие угольные пласты k7 и k71, выше известняка К9 - пласты k74, k75 и k8 с известняком L1 в кровле. На значительной площади известняк L1 размыт и замещен песчаником.
Свита C26 обладает максимальной угленасыщенностью в нижней половине. Отложения ее начинаются мощной пачкой песчаников (30-50 м), залегающих в кровле известняка L1, над которой расположена группа пластов углей: l1, l21, l3, l4н и l4в с известняком L5 в кровле последнего. Выше следует переслаивание мощных пачек песчаников и сланцев, вмещающих пласт l5 и пласт l6 с известняком L7 в кровле. Над ним залегает пачка сланцев мощностью 30-45 м с угольными пластами l7, l71, l8, l81 и l82 . Пласт l82 залегает в почве известняка M1, которым начинается разрез свиты C27.
В свите C2 промышленная угленосность приурочена преимущественно к сланцевой толще, заключенной между известняками M1 и M10. В этой толще 18 угольных пластов и прослоев, из которых 14 достигают рабочей мощности. В верхней части свиты развиты мощные песчаники; имеются три прослоя углей ( m81 , m9 , m91 ), приобретающих иногда рабочую мощность.
Верхний отдел развит на крыльях Главной антиклинали и представлен тремя свитами, сложенными чередованием мощных толщ песчаников, аргиллитов, алевролитов и маломощных прослоев известняка. Угленасыщенность слабая. Угольные пласты, достигающие рабочей мощности и имеющие промышленное значение, содержатся только в свите С31 (пласт n1). Общая мощность этих отложений составляет 2300-2800 м.
Пермская система. Отложения пермской системы распространены в Бахмутской и Кальмиус-Торецкой котловинах. В пределах площади района они слагают Краматорско-Часовьярскую синклиналь на севере и Райско-Калиновскую на юго-западе. В нижнем отделе перми выделяются три свиты (картамышская, никитовская и славянская). Первая из них согласно перекрывает отложения верхнего карбона и представлена переслаиванием песчано-глинистых пород с преобладанием алевролитов и песчаников. Мощность свиты 880-970 м. Отложения никитовской и славянской свит, представленные терригенно-галогенными образованиями, развиты в крайней северной части Центрального углепромышленного района .
Кайнозойский структурный этаж сложен горизонтально залегающими неогеновыми и четвертичными отложениями. Отложения неогена представлены нижне-, средне-, и верхне- сарматскими образованиями (глины, песчано-глинистые породы, известняки-ракушечники, каолиновые глины, опоковидные песчаники. Мощность этих отложений колеблется от нескольких метров до 20-30 метров.
Четвертичные образования покрывают тонким чехлом отложения палеозоя. К ним относятся разнообразные в генетическом отношении континентальные отложения. Наибольшим развитием пользуются приуроченные к водораздельным пространствам суглинистые эолово-делювиальные, а в долинах - аллювиальные и аллювиально-делювиальные отложения. Довольно широко распространены техногенные образования. В стратиграфическом отношении они подразделяются на нижне-, средне- и верхнечетвертичные и современные.
К нижнечетвертичному отделу относятся первый снизу горизонт тяжелых суглинков и аллювиальные образования. Суглинки имеют красновато-бурый, темно-бурый и коричнево- бурый цвет, чаще всего бесструктурные, неравномерно запесоченные, иногда переходящие в супеси. Их мощность колеблется в пределах 3-5 метров, иногда достигает 13 метров. Аллювиальные отложения слагают разрез пятой надпойменной террасы, они представлены мелко- и разнозернистыми песками с прослоями буровато-серой глины. Их мощность не превышает 3-4 м.
Среднечетвертичные отложения представлены эолово- делювиальными лессовидными суглинками водораздельных пространств, имеющими коричневато-бурую окраску; бесструктурными, местами слегка запесоченными и содержащими карбонатные стяжения. Верхнечетвертичные отложения представлены эолово- делювиальными лессовидными суглинками водораздельных пространств и аллювиальными отложениями I и II надпойменных террас. Лесовидные суглинки верхнечетвертичного звена темно-палевые или буровато-желтые, пылеватые, макропористые. Из новообразований в них часто встречаются мелкие включения карбонатов, иногда отмечаются включения гипса. Мощность суглинков верхнего одела достигает 4-5 метров. Вторая надпойменная терраса рек района (Кальмиус, Грузской и др.) сложена светло-серыми мелко- и среднезернистыми песками с тонкими глинисто-илистыми прослоями, с включениями кварцевой гальки и обломков песчаника и песчаных сланцев палеозоя. Первые надпойменные террасы рек района сложены разнозернистыми песками с галькой и щебнем, с прослоями суглинков. Мощность осадков I надпойменной террасы колеблется от 1 до 7 метров и зависит от рельефа подстилающих коренных пород.
Верхнечетвертичные современные нерасчлененные отложения объединяют в своем составе делювиальные отложения склонов долин рек и балок и элювиально-делювиальные отложения открытых участков. Делювиальные отложения представлены светло-желтыми, буровато-желтыми рыхлыми, бесструктурными легкими суглинками, вмещающими мелкие обломки коренных пород. Мощность их изменяется от 1-2 до 4 м.
Элювиально-делювиальные отложения широко распространены на склонах долин рек и балок. По составу это грубообломочный продукт разрушения горных пород с примесью суглинистого и песчаного материала. Мощность элювиально-делювиальных отложений 0,3-1,0 м, но иногда достигает 3 м. Современные образования представлены аллювиальными, аллювиально-делювиальными отложениями пойм рек и днищ балок и пролювием - отложениями конусов выноса промоин и оврагов, а также техногенными образованиями.