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 境内地质地层复杂,自古生界的寒武系到新生界的第四系,除新生界第三系外,均有出露。岩石以沉积岩为主,约占80%,出露于古生界至新生界的不同地质时期,火成岩分布较小,有数十个岩体出露,面积约428平方公里,以花岗岩为主,伴有中偏酸性的花岗闪长岩和少量基性煌斑岩,玄武质珍岩等。大地构造,属于华南加里东褶皱区,即华南褶皱系湘南耒(阳)——临(武)南北褶皱带的北端,衡阳断陷盆地的南缘,分为加里东构造层、海西一印支构造层、燕山构造层。

 境内地势南高北低,大致呈两级阶梯形分布,南部是南岭山簇余脉的塔山和大义山,分别呈北东、南北走向,两山之间夹有庙前——西湖的低平谷地,成为常(宁)、桂(阳)市县的交通孔道,海拔1000米以上的山峰有16座,1000米以下至100米的山峰63座,群峰巍峨,构成南部的天然屏障,为第一级阶梯。北部的平原,丘陵交错,海拔多在200米以下,地形起伏,为第二阶梯。境内地势类型分山地、丘陵、平原三种,其中山地面积、丘陵面积、平原面积分别占全市总面积的37.6%、26%和37.4%。气候,因地处南岭南北侧,属中亚热带季风湿润性气候,四季分明,雨量充沛。但因塔山、大义山绵亘南部,中部低盆,有利空气滞留,春秋天气多变。各年度降水量、气温、日照等气象要素变化无常。

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