长安全境以秦岭北坡东西向的“蓝眉大断裂”为界,分属于华北地台和秦岭褶皱带两大地层区。大断裂以北属华北地层区汾渭分区渭河小区,以南属西吉—永丰小区和太白—商县小区。出露地层(从老到新)有变质岩、沉积岩(包括松散堆积物)和岩浆岩。
变质岩、沉积岩 包括下元古界宽坪组、第三系、第四系。下元古界宽坪组及花岗岩体构成巍峨的秦岭山脉,巨厚的新生界沉积形成辽阔的渭河冲积平原。出露地层如下:
下元古界宽坪组 分布于太白—商县小区,是变质程度较深的变质岩系,混合岩化极为强烈,构成秦岭山区最古老的结晶基底(即秦岭地轴)。区内出露为秦岭群上部,主要岩石为片麻岩和片岩。
第三系 分布于渭河小区,厚约1300米。分为老第三系和新第三系,大多数掩埋于县境东北部台原以下,仅在深切沟谷或山地边缘有零星出露,县境西北部平原区则深埋于地表以下。
第四系 基本覆盖渭河小区(包括渭河各级阶地、黄土台原和山前洪积冲积扇等处)。成因类型复杂,以风积、冲积、洪积为主,另有冰水、滑坡、重力堆积等。岩性为以沙砾、卵石为主的粗粒沉积和以黄土为主的土状堆积。第四系与下伏第三系为不整合接触,由于原始地形崎岖不平,使第四系沉积厚度随地形变化而变化。可分为:①上更新统三门组:大部分覆于平原地表以下,仅在河谷等局部地段出露地表。成因类型有河湖相沉积,沉积厚度百米以上,岩性上部多为水成岩的灰白色沙层及粘土,下部为水成岩的灰白色沙岩、粉沙岩和泥岩互层;风积相沉积,厚度不大,为黄土状堆积,与“午城黄土”相当,主要分布于县境东北部黄土台原之下;冰水相沉积,主要分布于浐河两岸部分地段及山前大峪一带。②中新统泄湖组:分布于原面下、原边及河流沟谷中,并杂有冲积洪积亚粘土、沙砾石、卵石、漂石、亚沙土等。时代大体与离石黄土相当,黄土状堆积分布极广。③中更新统与其它沉积类型:中更新统黄土——分布于炮里原、少陵原、神禾原、八里原各沟谷中及义井、祝村、黄良等乡镇,岩性为浅黄、棕黄色黄土状沙质粘土,含钙质结核,夹多层古土壤;中更新统洪积相——分布于杨庄、五台、内苑、祥峪、黄良等乡镇及少陵原和马兴一带,组成物质为洪积亚粘土、亚沙土、砾卵石、漂石,山前多为带泥漂砾,愈向北愈细,分选及圆度亦渐好;中更新统冲积相——分布于渭河及一级支流最高阶地之下,岩性以沙卵石为主;中更新统河湖相——主要分布于东大乡及潏河以北,细柳、郭杜以南等地。岩性主要为湖积亚粘土、沙及沙砾卵石。④上更新统乾县组:主要分为乾县组洪积相和乾县组冲积相。前者见于库峪山前洪积扇,岩性为沙质粘土及沙砾石、漂石等,分选极差,厚8~10米;后者分布于渭河及其支流灞河、沣河、浐河的两级阶地下部,岩性为粘质沙土、沙质粘土及沙、沙砾卵石。⑤全新统:主要为现代河流冲积、洪积和山前洪积、坡积,分布于河流一级阶地及河漫滩、山前冲积、洪积扇上,原区边缘还可见重力滑塌沉积。全新统分为全新统冲积层和全新统洪积层,前者分布于马兴、魏寨一带浐河及其支流河漫滩和河流阶地上,沣河以东的五星、沣惠、兴隆、郭杜、皇甫等乡镇也有大面积分布,组成物质以冲积亚粘土、亚沙土、沙、沙砾卵石为主;后者分布于栏桥—古城断裂以南的秦岭山地北麓坡根以下,为洪积亚粘土、亚沙土、卵砾石。
岩浆岩 包括加里东期侵入岩和印支燕山期侵入岩。县境内无火山喷发及岩浆喷出,岩浆活动仅表现为侵入作用,且各期侵入岩限于秦岭山地。各次构造运动都会有岩浆侵入,形成较大的酸性侵入岩体,构成山地的岩基,也有基性超基性的侵入体呈岩床、岩脉产出,尤其是印支—燕山期岩浆活动为最。各地质形成的岩浆侵入体的高温对围岩产生强烈的变质作用,使本县山地的古老岩石均变质,又为多种金属组分的聚集创造了条件,可能形成金属矿床。岩浆岩出露地层如下:
加里东期侵入岩 ①太平峪—汤峪花岗岩体,西从祥峪起经沣峪口、大峪口、太兴宫一线向东入蓝田县境,西宽东窄,平均宽约5公里,侵入中元古界宽坪群中,构成山地北部基地。岩性主要为灰白色片、麻状黑云母花岗岩和淡红色中粒黑云母花岗岩。②超基性岩,零星分布于喂子坪、大峪板庙子、石砭峪小南沟等处。岩性为含辉橄榄岩和蛇纹石化橄榄岩。
印支燕山期侵入岩 主要分布于黄羊坝附近(出露三个点,属八里坪岩的一部分),侵入秦岭群泥盆系地层中,由黑云母花岗岩组成,1.4亿年前形成。