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前古生界主要出露在兰州市东南部、南部、西南部边界一带，组成祁连山东延余脉的马衔山、兴隆山、甘青交界的界山、奖俊埠岭以及七道梁的潜山等，其岩性为一套变质岩系。前长城系地层主要分布在榆中县与临洮县交界的马衔山区，在红古区享堂峡也有零星出露，在七道梁以潜山存在，其岩性为一套遭受混合岩化作用而形成的各种混合岩、混合质花岗岩、片麻岩和片岩夹扁豆状白云岩及大理岩。它又可以分为杲兰群和兴隆山群。蓟县系地层零星分布于大通河下游和榆中县小康营以南、高崖西南，另外在马衔山西北麓的高家湾、孙家湾、羊寨一带也有分布。震旦系仅在永登县西北铁成沟、杏儿沟一带有少量出露。 [49]
古生界地层仅分布在永登县和皋兰县北部边界一带，呈北西—南东方向的条带状展布，组成了祁连山东延余脉的宝泉山、和尚沟岘、大土梁等北部界山。寒武系仅分布在永登县葛家堡、甘露池、沙梁墩以东，皋兰县大横路至大土梁以北的边境一带。奥陶系主要分布在永登县境内。志留系分布在永登县富强堡、骟马坪、四泉、宋家窑及皋兰县石青洞至白坡子的北部边界一带。泥盆系零星分布在永登县北部边界的宋家堡、白涝池—韭菜沟、泉儿沟掌、大荒草沟等地。石炭系出露在永登县北部边界。二叠系出露在永登县北部边界一带。 [49]
中生界在红古区和永登县境内更为广泛。三叠系出露在永登县北部边界。侏罗系主要分布于红古区、七里河区和榆中县。白垩系主要分布在永登县奖俊埠岭周围、庄浪河与咸水河两岸，西固区区河口，七里河区七道梁，城关区青白石一带。 [49]
新生界地层是兰州市出露最广地层，其中上新统临夏组分布较广。下第三系的固原群，零星分布于榆中县南部边界的刘家嘴—骡子滩一带。西宁群主要分布在大通河与庄浪河之间。兰州市第四系极为发育，遍布全市。
兰州市位于华北板块与华南板块碰撞而形成的祁连山—秦岭地缝合线上，晚近时期由于印度板块向欧亚板块的碰撞，受到来自南西—北东方向的压力而处于活动状态。其地质构造类型主要有褶皱构造、断裂构造。 [49]
兰州市的褶皱构造可分为前加里东期和加里东期。比较清楚的前加里东期褶皱有：马衔山倒转复背斜、兴隆山复式向斜、园子—梁坪向斜、黄崖口—石润子倒转背斜、笔架山向斜、黑石川复式背斜、龚家窑复式背斜、十里店复式向斜、高崖向斜、奖俊埠岭单斜构造。兰州市北部边界一带加里东期褶皱表现最清楚，所形成的褶皱规模巨大，呈北西西向，具紧闭的线状对称复式背、向斜构造形态，因受到侵入岩体、断裂构造的破坏和新地层的覆盖，以至形态已不完整。兰州市的断裂构造可分为前加里东期、加里东期、印支期、燕山和喜马拉雅期。其延伸方向，分为北西西组、北西—南北组、北东组；有逆断层、正断层和平移断层。
兰州市地处陇西黄土高原的西部与青藏高原的过渡地带，地貌可划分为构造—剥蚀、山麓斜坡堆积及河流侵蚀堆积三类，形成山地、丘陵、山间盆地及河谷四种地貌单元， [36]境内地势西部和南部高，东北低，黄河自西南流向东北，横穿全境，切穿山岭，形成峡谷与盆地相间的串珠形河谷。 [50]兰州市境内地形可分为三带：北部为阿尔金山-祁连山侵蚀构造山地区之祁连山东段中山山地亚区，中部为峡谷与盆地相间的串珠状河谷盆地，南部为马衔山、兴隆山、雾宿山等山地。境内大部分地区为海拔1500-2000米的黄土覆盖的丘陵和盆地，主要有秦王川和榆中两大断陷盆地，其中秦王川盆地位于永登县与皋兰县之间，盆地形状为倒三角形，南北长约42千米，东西最宽处约16千米，总面积470平方千米，海拔在1850-2300米，是兰州市地势平坦、面积最大的盆地。
兰州市境内河道属黄河流域，河流总长度1179.7千米，河网密度0.04千米/平方千米，径流总量338亿立方米。境内主要河道有一级支流湟水河、庄浪河、宛川河、苦水沟、雷坛河、麋鹿沟、中铺沟、王蚬沟等，总长792.9千米；二级支流大通河，总长60千米。其中，最大的支流是湟水，从红古区享堂峡入境至西固区达川乡流经海石湾、红古、花庄、平安4个乡镇，长57千米，流域面积3.4万平方千米，年均流量44.2亿立方米/秒。 [36]
兰州境内的河是季节性河流，有相当多的河甚至常年无水，只有在暴雨天才有流水。截至2020年，兰州市除了黄河、湟水、大通河水量丰富，庄浪河水量较丰富外，只有榆中县境内的龛谷河、徐家峡河、兴隆峡河、曳木岔河、官滩沟河，七里河境内的阿干河，永登县境内的吐鲁沟河还有少量流水外，其他的河流，包括过去有较大流量的如宛川河、沙河、大河、水岔沟河、柳沟河、西果园河、七里河、笋箩沟河、龙滩河、咸水河、蔡家河、水阜河等均已断流。
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