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地壳岩层，第一层，元古界冷家溪群板页岩。为县内出露最古老的水成岩。主要出露于桃花源主体景区嶂山、黄闻山中上部。层理发育。总厚度7100米以上。岩层倾角30°—50°。易滑坡，但利于植物富积。第二层，下第三系红砂岩。主要出露于嶂山、黄闻山之间的岗地，如华儿台、白虎嘴、青龙嘴、铁耳冲和桃仙岭一带。总厚度1353米。主要岩相为紫色砂质泥岩、砖红色块状岩和紫红色块状粗砾岩。第三层，第四纪网纹层、砂砾岩。主要出露于绿萝山以东的梅溪桥、文石山一带。金刚石、砂金、玛瑙石富积。
地貌发育，10亿年以前，桃花源及其周边地区，均在大海碧波覆盖之下。元古代冷家溪时期(距今约10亿年)嶂山、黄闻山以及桃源南部山区的乌云界、仙池界，早已陷为海槽，其内浅海相泥沙碎屑久为沉积，轻度变质，层理发育。后经强烈的武陵运动，平坦岩层发生褶皱，进一步变质加硬，形成海底地形。震旦纪时期(距今7.5亿—5.7亿年)嶂山、黄闻山中上部分，随乌云界、仙池界崛起，露出海面。海西时期(距今4.05亿—1.37亿年)桃花源及其周边地区，脱离海洋环境。燕山——喜山运动时期(距今1.37亿—0.15亿年)流水搬运山体剥蚀物，陆相堆积运动空前活跃，在炎热干燥条件下，变成下第三纪红色岩系。穿石、钦山、绿萝山等亲水陡岩出现雏形。其中，燕山运动晚期，以断裂为发育。一线天、鲤鱼跳龙门、水心砥柱等地红色山石开裂，在流水切割之中塑造发育。第四纪时期(距今250万年)五强溪地区隆起之后，即被沅水横切。上天龙、一线天、穿石等山石景观日趋完美。沅水下游旁蚀堆积日盛，形成一系列江心洲。江汜枝分，构成迷津。
山川特征，桃花源山川自然妙造，有3个明显特征，以致成为内有避秦绝境，外有水网迷津的物质基础。第一特征，山生绝境。主体景区的低丘地貌，因流水切割与冲积并盛，升降交替，形成嶂山东南麓多条峡谷，和峡谷之中状如串珠的山间小盆地。盆地首尾山口狭隘、其势回迂束逼，远望则仿佛若有光。内中土地平旷，与世隔绝。其中，以青山冲、施家冲、江家冲、艾家冲和茶庄冲，发育最为典型，堪称绝境。第二特征，水造迷津。沅水桃源段凌津滩以下，河床开阔，河水略浅，不断旁蚀堆积，形成营盘洲、南阳洲、白鳞洲、关门洲、洞洲、吴家洲、赵家洲、艟舫洲等10个江心洲，使沅水水面分了又合，合了又分，出现几十公里长的连环水网。陌生渔舟到此河段，往往难识水道，不知从来，不知所去，故忘路之远近。第三特征，山回水复。嶂山、黄闻山，均由沅水及其支流水溪、厮罗溪环抱，水系往往绕山180°—360°。其间重峦迭嶂，山体发育反差不足，而律韵有余，自然标志极不明显，走到哪里都像山重水复。
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