壮阔浑厚的黄土高原,经历了漫长的地质年代,发生过频繁的沧桑更迭和海陆巨变。地质勘探和考古证明,史前时期,今长武一带曾经属内陆湖盆地貌,到处是一片绿色的海洋,森林茂密,草原辽阔,天然植被优厚。河流蜿蜒,沼泽星布,气候温暖湿润。在风、水、温度等自然外营力和内营力的长期相互作用下,历经干热、洪、荒袭击,到第四纪各个亚冰期,气候变冷变干。呼啸的西北风,从中亚、蒙古高原和新疆大戈壁沙漠,携带大量尘状粉沙,向东南推移。经过数十万年的日积月累,在高原基底上间歇地堆积而形成秦岭以北的黄土物质覆盖,又经过冷暖交替和剧烈的地壳运动,黄土高原结束了被海水浸没的原始状态,出现山脉、河流。进入人类历史时期,自然界仍处于不停地发展变化过程中。随着农耕发展,开垦荒地,虽得一时农业收益,但因此揭开了地表覆盖物,使土壤易在强劲风力影响下,干燥、剥蚀、筛扬和再堆积。由于生物、气候、地形、母质等多种自然因素和人为因素的综合作用,在起伏不平的古地形上,堆积了厚度不等的黄土,使地面趋于风成性质的广袤平坦的黄土高原。地表基本齐平,河川沟壑逐渐增多加深,使黄土高原呈现川——山——塬相间的典型地貌特征。长武境内地层,基底是巨厚的中生界沉积沙页岩,平铺缓斜,褶皱轻微,自下而上为三迭系、侏罗系、白垩系。基底之上依次覆盖着新生代第三系三趾马红土、第四系午成黄土、离石黄土和马兰黄土,平均厚度244米。按其成因类型及岩性特征,主要可分为冲积层和风积层。
冲积层:分布于泾、黑、南河谷和二、三级台阶地带。岩性底部为杂色沙砾、卵石及沙层。砾石磨圆度中等,成分为沙岩及灰岩等。厚度5—10米。岩性顶部为棕黄色亚粘土、亚沙土,具锈黄色斑点,偶见钙质结核,厚度小于10米。离石黄土和马兰黄土,含古土壤10层,与基岩呈不整合接触。
风积层:分布于南北黄土原区和丘陵沟壑区。岩性为棕黄土状亚粘土,含古土壤4—5层,单层厚1.5—2.7米。底部钙质结构呈零散分布,顶部为黄色沙黄土,单层厚3—5米。结构疏松,呈孔隙发育,为黄土层的主要含水岩层。
全更新统地层分布河谷流域。有3种状况:一是上部为黄土状亚粘土7—10米,下部为沙砾石3—5米,厚度变化大;二是上部为亚沙土3—15米,下部为沙砾石5—12米;三是灰黑色淤泥质亚沙土,厚度2—5米。