經專家考證,五六億年以前,這裡本是一片汪洋,地質史上稱為揚子古海。在海底沉積有大量的碳酸鹽物質,這些物質逐漸壓密而結成堅硬的碳酸鹽岩;3、5億年前,本地區發生了一次大規模的地殼運動,海底上升為陸地。在以後的漫長的地史時期中,地殼長期遭侵蝕,形成頂部較為平坦的古台原;300萬年以前,地殼發生新構造運動,這裡間歇性上升,并在古台原上形成衆多的斷裂和裂隙;随着地表迅速擡升,河流也急劇下切,形成台原峽谷地貌。張家界大峽谷就是古台原上的峽谷之一,張家界大峽谷的原始形态為古台地上一條北西向裂隙,流水向裂隙彙聚,對裂隙進行侵蝕和溶蝕,使裂隙加深、加寬。流水的精雕細刻造就了張家界大峽谷現在的奇觀。
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