特别是在张家界境内分布的页石、砂岩，以石英砂岩最为著名。厚层状，结构致密坚硬，不易风化，便是这类砂岩的特点。张家界武陵源景区内的金鞭岩、南天一柱等奇特石峰，就是这种砂岩性格的充分体现。张家界武陵源景区内巨厚的石英砂岩，在水流强烈千万年的侵蚀作用下，岩层不断解体、崩塌、流水搬运，残留在原地的便形成雄、奇、险、秀、幽、旷等千奇百怪的峰林。这，就是形成张家界神奇自然风光的原因。
除此之外，张家界的地层中还蕴藏着更为珍贵的古生物化石。有二叠系中珊瑚化石，有侏罗系中的芙蓉龙恐龙化石。芙蓉龙因七十年代在桑植县芙蓉桥挖掘出土而命名，被誉为“恐龙之父”，在世界引起轰动，今陈列在国家地质博物馆。可以说，张家界的地层蕴藏了不少真正的宝藏，等待着人们不断的探索和挖掘。
张家界的大地构造为稳定的陆地台块，以上下升降运动为主，褶皱运动不强烈，也没有岩浆石活动出露。这样稳固的地壳基础，是武陵源景区内几千座石英砂岩峰林千百万年永不崩塌的真正奥秘。
张家界的地貌，由于受地理、地层、构造、气候等诸多条件的影响，便形成了多姿多彩的地貌奇观。从地势上来看，西接云贵高原，东临洞庭湖，北与鄂西山区接壤，南与雪峰山毗连。境内有海拔高达2000米的八大公山、天门山、七星山等高山峻岭，又有澧水河谷平原，境内四季分明，气候温和，雨量充沛，溪流纵横。
流水侵蚀地貌，在张家界另一个突出的表现是由于地壳上升，溪流向下切割作用加大，来不及将河流拓宽，而使河谷形成隘谷、峡谷。张家界市澧水源头、娄水上游、茅岩河段，处处是这种河谷地貌，两壁陡峻，滩多水急，泛舟或漂流在这种河谷的急流险滩上，惊涛骇浪使你倍感刺激，两岸秀色使你惊叹不已。这也是张家界茅岩河、澧水河、娄水河漂流“与浪共舞，一漂难忘”的原因。
张家界的喀斯特地貌约占该市面积百分之四十左右，且种类发育齐全。张家界天门山风景区，属喀斯特作用形成的地貌，在流水侵蚀作用下，岩层产生崩塌，形成悬崖陡峭，极为壮观，面临澧水，更是雄伟。
按溶洞规模，桑植县的九天洞能列入世界洞穴学会会员洞，它集溶洞、溶洞河、暗河、落水洞、漏斗为一体。其洞内喀斯特堆积物，石钟乳、石笋、石柱千姿百态，变化万千，极大地拓展了游人想象的空间。
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