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安定区大地构造位于祁、吕、贺兰山字型构造体系的前弧西翼内侧部分地段及山字型脊柱（六盘山）西侧马蹄形地盾陇西旋卷构造第三层之南。前震旦系、震旦系、前寒武系、白垩系、下第三系、上第三系、第四系均有出露。而以形成较晚的第三纪内陆红色山麓相～湖相和第四纪中上更新统黄土分布最为广泛。
距今10亿年前，境地与华北平原相连，为一片汪洋大海，有火山喷发，沉积了厚度达3000米以上的地槽形长石石英砂岩、泥质岩、中基性火山岩、碳酸盐岩等岩层。其后在一次大规模造山运动（我国称“晋宁运动”，欧美称“阿森提运动”）中，海水退出，海槽中沉积岩受强烈挤压而褶皱成山。并因区域变质和深熔交代作用，形成马衔山群区域性混合岩。又经长期风蚀，使褶皱山地逐渐夷平。
定西远古环境复原图
6亿年前元古代震旦纪，地壳急剧下沉，再次成为海槽，连续沉积了海相碎屑岩、碳酸盐岩，总厚至少在4700米以上。其间有海底裂隙型火山喷发，初期以中性凝灰岩为主，后期以中基性熔岩为主，晚期，地壳活动逐渐趋于平静，下沉缓慢。气候由寒冷变为温暖，出现菌藻类生物，形成含叠层石化石的厚层石灰岩。经过由急剧到缓慢的下沉，地壳又开始上升，海水再次退出，在约3.7亿年的整个古生代，地壳保持相对稳定的缓慢上升状态，形成古高原。新集乡鹿马岔出土的麟木化石，说明境地在古生代石炭纪（三亿五千万年前至二亿八千五百年万年前）古高原形成后，以蕨类为主的植物群特别繁盛，形成了茂密的森林。从地质年表可知，古生代晚期的泥盆纪——石炭纪（前2.5亿年前后），动物以鱼类为代表，植物以蕨类等陆生孢子植物为主。在高峰乡红沟山出土的鱼类、蕨类化石，说明在古生代晚期，安定地域是遍布蕨类植物的岩石高原；中生代（前1.5亿年——前7000万年）以恐龙为代表的爬行动物盛极一时，植物以苏铁、银杏、松柏为代表的裸子植物繁盛。鲁家沟青石峡出土的植物化石，说明在中生代蕨类植物大量灭绝，代之以松柏等为主的裸子植物繁盛；白垩纪末期燕山运动发生，使岩层发生褶皱和断裂，结束了中生代地质史而进入了新生代。新生代第三纪（前7000万年——前200万年）气候更加干燥，形成厚达千米以上的红色岩层的沉积，局部夹薄层石膏，其时生物界与现代颇为相似。哺乳类动物由勃兴而达到繁盛时期，被子植物占据主导地位，其次是裸子植物和蕨类植物。区博物馆收藏的鱼化石和蕨类植物化石是这个时期地层变迁的有力见证；由于地壳的差异运动，境地各地升降变动亦异：内官南山和西巩、宁远一带，地势相对抬高，沉积较薄，局部地方甚至没有沉积；城区以北至鲁家沟一带，下沉幅度略大，沉积稍厚；唯内官、香泉一带构成宽约5公里的山前断陷盆地，沉积了厚约七八百米的红色岩层。
第四纪（前200万年开始）是地质史上最新的一个时间单位，也是地质史上时间极短的一个纪，至今尚未终止。这一地质时代的特征是进入人类时代，第四纪又分更新世和全新世两个时期，更新世也就是人们一般所说的旧石器时代，也是猿人时代，从二、三百万年前至一万年前止。旧石器时代时间最长，占人类历史的99.8%。如云南的元谋猿人、陕西蓝田猿人、北京猿人等。全新世是真正的人类时代，这一时期目前还在延续。考古资料表明，截至目前，安定区还没有发现这一时期初期的人类的遗存，但动物化石出土较多，例如：高峰乡红沟山出土的原始牛头骨化石，角心短而粗，从额骨两侧向头后伸展，然后稍向内弯曲，顶视额骨和角心是一狭窄的月牙形，从其特征看，和河南、云南等地出土的圣氏水牛头骨化石非常相似。同时在该地还出土大量的哺乳动物化石；团结镇河谷及凤翔镇第一台阶发现了哺乳动物化石；宁远镇出土了少量牛角化石；特别是在凤翔镇出土的一对完整的水牛角和头骨化石，为研究安定区的地理特征、自然环境、生物变迁等提供了重要的资料。因为旧石器时代考古与动物学关系十分密切，从动物地理学的观点看，不同的地理环境会有其不同的代表性动物种属，这些动物的生活习性也会各不相同，表现出很大差异，在一个特定的地质时代都会出现具有某一特征的动物群，动物群的生存直接反映了一定的自然环境，一定的动物群生长在一定的气候环境下，且一定的自然地理区域中的动物具有相对的一致性。旧石器时代的动物，全属于野生动物，因而，通过对动物群的特征、组合、生态类型等各类信息的对比与研究，才有助于确定遗址的相对年代。
高峰乡红沟山出土的鱼化石
从安定区各地出土的水牛角化石，说明在大约20万——2万年前境地的自然环境与甘肃东部黄土高原的其他地方接近，也是一种以草原为主的稀树草原环境，在低凹处有比较丰富的水域，气候温暖、湿润，年平均气温比现在高。低凹地带水域周围生长着茂密的灌木林，而黄土平川地带则大都是碧绿的草地。灌木林和草地上生长着不同习性的动物。山间森林里有鬣狗、象和犀牛等；在山前及有水域的草地上有大角鹿、斑鹿、赤鹿、野马、野驴、原始牛、水牛、盘羊、羚羊、转角羊等动物。从高峰乡、青岚乡、李家堡镇等遗址中出土的鹿角、羚羊角等动物化石，一方面说明了这些动物在安定区的广泛分布，同时也说明了境地的自然环境基本相同。同处于旧石器时代晚期。
原始水牛角化石
人类进入新石器时代的基本特征是农业、畜牧业的发展和磨制石器代替打制石器，相继出现了陶器和纺织品，这是人类改造自然的一大进步，这说明人类已经从依赖自然的恩赐生存过渡到了依靠自己的力量进行生产，以获取生存必需的生活资料的阶段，适应自然的能力和生存能力进一步提高，同时，人的平均寿命也得到提高。从目前发现的文化遗存和相关资料佐证，安定区境内有着较为丰富的新石器晚期的文化遗址，其中最具代表性的是广为分布的马家窑文化遗存。
羚羊角化石
鹿角化石
马家窑文化是因最先在临洮县马家窑发现而命名，是属于黄河上游的新石器时代晚期的一个分布范围广泛，内涵十分丰富，而独具特色的古文化遗存。由于经历了一千多年的发展历史，其文化特征发生了很大的变化，特别是以彩陶为特征的文化，在这里长期的传播、发展以及变化。马家窑文化根据其不同时代特征又细化为马家窑、半山和马厂三个类型，分别代表三个不同的而又互有交叉的发展时期。据考证，三种文化分别存在的时代大约为：马家窑类型约前3300—前2650年，半山类型为前2650—前2350年，马厂类型为前2350—前2050年。根据考古发现的层位关系对照，可以清楚地看出马家窑文化诸类型的相对年代排列成了马家窑类型—半山类型—马厂类型的发展序列。
马家窑文化发展的三个阶段，总体来说，都是以洮河、大夏河及其附近的黄河地岸为中心，只是各自向四周伸展的范围有所不同，但有一个特点就是在相互交叉的伸展，并不是截然分开的。具体地说，就是马家窑类型分布范围较小，半山类型范围增大且着重偏西；马厂类型向四周继续扩大，又向西伸展了许多，直达河西的酒泉一带。
安定区境内有着广泛的马家窑文化遗存，凤翔镇、香泉镇、李家堡镇、巉口镇及石泉乡、青岚乡、石峡湾乡等都相继发现了马家窑文化三个类型的文化遗址，有些是纯马家窑类型的，有些是半山类型和马厂类型相重合的。
马家窑文化突出的特征是彩陶特别发达，也有部分装饰品，骨质、陶质、石质的均有，多见为环，镯等。
马家窑类型陶器
彩陶作为一种造型艺术，总是反映一定时期的生活状况和社会风貌的，在对彩陶花纹的研究中可以了解人类氏族和部落等共同体的重要标志。马家窑类型的陶器的基本器类为盆、罐、壶、尖底瓶，采用的是泥条盘筑的手工制作。陶质可分为泥质红陶、夹砂红陶、泥质灰陶。类型上既有素面，也有彩陶，以彩陶居多。彩绘既饰在器物表面，又饰在器物内壁，彩绘的图案绚丽对称，线条粗细均匀，柔和流畅。
半山类型在黄河上游地区已正式发掘的遗址甚多，其在制陶工艺上有其特有的风格，造型美观。陶器主要是罐、壶、盆、瓶等，以泥质红陶占绝大多数，夹砂红陶、泥质灰陶占较小的比例，以彩陶为主。彩绘花纹繁缛，堂皇富丽，彩色对比明显，地方特征表现得更为突出。
马厂类型的陶器就其制法、种类、质地、色泽等方面与半山类型基本相似，但已出现口沿慢轮修整的技术，说明制陶技艺在不断进步，但质地上较粗，表面处理较简单，夹砂以素面为主。也可以证实在马厂时期，彩绘虽趋于衰落，技术上笔道潦草但更加突出了地方特色。风格上更显粗犷。花纹种类也更加复杂。
马家窑文化陶器的发达，说明了当时原始农业水平已取得了较大的成绩，原始农耕技术的进步，促使以农耕为主的经济取得了长足发展，改变了人类的饮食结构，使人类的生活水平有了本质上的改善，为陶器尤其是彩陶的发展提供了物质保证和技术支持。二者构成了相辅相成、共同发展的格局。在安定区石峡湾乡出土过的谷类作物——黍（黄小麦），以及羊、猪、狗等动物骨头是很好的见证。
在马家窑—半山—马厂类型各遗址出土的生产工具中，主要为农业生产工具，有石斧、石刀、石镰、石凿等，多为磨制工具，加工也较精细，体现了新石器时代晚期生产工具的基本特征，也进一步说明安定区内的人们是以农耕为主的经济，农业发展的水平也相当的高了。从石泉乡出土的一处遗址中的房子结构和布局完全符合半山遗址民居的特征。从对香泉、石泉等地出土的遗址的研究中得出先民们在社会分工上发生的变化，即原来的男女处于同等地位，过渡到男耕女织，男性成了农业生产的主要承担者，占主导地位，女性则从事纺织等家务劳动，退居次要地位。
随着生产力的发展，出现了剩余产品，也就有了私有财产，占有的生产资料的多寡，也就决定了一个家族之间的贫富差别。在长期的生产生活中，逐渐形成了部落之间的信仰，不同的信仰构成了日后的不同的民族。
综观马家窑文化的三个类型，马家窑类型为母系氏族公社的繁荣阶段；半山类型为母系氏族公社向父系氏族公社过渡的阶段；马厂类型为父系氏族公社时期。母系氏族公社的原始部落向父系氏族公社过渡，标志着父权统治地位的确立，也就形成了“男耕女织”、“男主外、女主内”的社会形态，而这种社会分工一直沿袭到整个奴隶社会、封建社会，直到现代社会这种传统的社会分工才发生了改变。