西安市兼跨秦岭地槽褶皱带和华北地台两个大的地质构造单元，岩相、构造及地质发育史各具特点，形成明显的区域内地质差异，特别是第三纪强烈的新构造运动，更使本地区地质状况复杂多样。
[区域构造]
【秦岭地槽褶皱带】 西安市境内的秦岭山地，地质属秦岭地槽褶皱带。它在距今6～8亿年的前震旦纪仍属浅海环境，沉积巨厚的碳酸盐岩及泥质岩类。自早古生代（距今5.7亿年）以来，地壳升出海面，地槽褶皱隆起，经多次岩浆侵入、断裂发育、混合岩化作用及动力变质作用，特别是1.3亿至1亿年前伴随强烈的构造断裂运动岩浆侵入，奠定了秦岭地槽褶皱带的地质构造格局。从距今300万年前的第三纪末以来，秦岭以块断作用为特征的新构造运动十分活跃，山体北仰南俯剧烈隆升，大量断裂发育并多沿山脉走向分布。秦岭山地以0.7～1毫米/年的速率上升，渭河平原相对下降并接受巨厚沉积，累积垂直差异幅度约达万米。
【渭河断陷】 西安市北部的渭河平原以及骊山，地质均属华北地台中的渭河断陷。在远古地质年代，与整个秦岭均属浅海环境，沉积巨厚的碳酸盐岩和泥质岩类，至今仍为这一区域的基底岩相。早古生代以来与秦岭一起脱海而出，开始长达几亿年的剥蚀过程。在距今1.3亿年前的燕山运动时期，这一区域南侧产生断面北倾的秦岭断裂，北侧沿今北山地带形成断面南倾的鄂尔多斯地台向斜断层，渭河地堑初具雏形。第三纪以来，喜马拉雅造山运动使平原与两侧山体的升降差异显著加剧，终于完成渭河断陷发育过程，形成断块型复式地堑。在巨大的拗陷中，基岩上覆盖沉积了厚达5500～6000米的岩屑、古代冲积、湖积、洪积相物质以及风积黄土，形成典型的新生界沉降区域。
骊山是渭河断陷内的特殊区域，地质上称之“骊山台拱”，面积约60平方公里。山体以地垒构成孤山，由于中生代花岗岩体侵入，形成复背斜构造。在距今约300万年前，受新构造运动影响，骊山不断隆起并带动周围抬升，同时受断块运动影响，形成由骊山依次向西南下降的黄土塬断块地质构造。
【豫西断隆】 西安市东南境的蓝田县灞源、张家坪、新店子至辋川一线，是华北地台南缘豫西断隆楔入境内的一个地质区域，地质岩层出露年代最为古老。这一地区在远古地质时期形成地槽，经回返运动产生大量断裂，成为原始华北地台南缘。在距今10亿～5亿年前的中晚元古代时，华北地台下降，这一带处于滨浅海环境，沉积大量岩屑。距今约5亿年前重新上升，形成复向斜褶皱山脉和断裂。在距今300万年前，受新构造运动影响，早期形成的断裂复活，地形起伏增大，成为秦岭、骊东南丘陵的组成部分。
[地层系统]
西安境内地质构造复杂，出露的沉积层与变质岩地层几乎包括远古至今大部分地质年代。
【太古界】 距今约25亿年前的太古界岩层分布于骊东南丘陵，由蓝田县张家坪—灞源—清峪庙一带向西倾没于渭河平原，为一套中深变质的片岩、片麻岩等。
【元古界】 距今约24亿～5.7亿年的元古界岩层分布于骊东南丘陵及秦岭山地。骊东南丘陵有白云母石英岩、夹绢云母石英片岩、大理岩。秦岭山地出露地层有绢云母石英片岩、绿片岩、硅质条带大理岩、片岩，沿周至—蓝田延伸，宽约10公里，为西安境内出露的主要地层之一。
【寒武—奥陶系】 距今约5.7亿～4.4亿年前的寒武—奥陶系岩层在境内有两个区系，其中在秦岭主脊呈带状向东展布，构成秦岭山地古老的结晶基底，有各种片麻岩和片岩。分布在秦岭深处周至县西南老县城至长坪一带还有厚层块状白云岩。
【泥盆系】 距今约4亿～3.5亿年前的泥盆系岩层，分布于秦岭山地周至县境内，有粘土质岩、碎屑岩夹碳酸盐岩和少量火山碎屑岩。下泥盆统岩层在本区尚未发现。
【石炭系】 距今约3.5亿～2亿年的石炭系岩层分布于周至、户县一线秦岭山地，有砂岩及少量火山喷发岩。
【第三系】 距今约6700万～250万年的第三系岩层，分布在骊山、骊东南丘陵及东部黄土台塬区，多数埋没于第四系沉积层下，仅在深切沟谷或山地边缘出露地面，有紫红色泥岩、灰绿砂岩、粉砂岩、灰白砂岩、褐色泥岩与深红色粘土等。
【第四系】 距今约250万年前至今的第四系地层，是西安地表出露最广的地层，约占全区总面积的65％。渭河平原基本为第四系覆盖。岩性为砂卵砾石为主的粗粒沉积和以黄土为主的土状堆积，来源以风积、冲积、洪积为主，也有冰川、滑坡重力堆积作用所致。沉积厚度由东南向西北渐增，平均厚度840米，早期有灰白色砂岩、粉砂岩、泥岩、午城黄土、砾石，中期有离石黄土、褐红粘土、砂质粘土、砂砾石、漂石，晚期有黄色砂砾卵石、粘质沙土、砂质粘土及马兰黄土等。
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