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約在一百萬年前的遠古時期，台中地區為大甲溪大肚溪兩河形成的“聯合沖積扇”，長期從雪山山脈沖刷而下的礫石，堆積成為台中湖盆。約七十萬年前，車籠埔斷層活動，盆地西側八卦及大肚台地隆起，形成盆地地型，當時大甲溪舊河道為現今的筏仔溪。直到大甲溪的古沖積扇（豐原沖積扇）堆積高於大肚台地與后里台地的鞍部時，大甲溪恢復西流，下切大甲溪古沖積扇，造成今日大甲溪沿岸的“河階地型”，也造成古台中地區堆積了 45∼150 公尺高的礫石層，並且河道遍佈，河床佈滿礫石。直至今日，在台中任何地方往下挖，都會挖到一層厚厚的礫石層，由此可證。其後經過 50∼60
萬年不斷的造山運動，抬舉為今日地體的前身，盆地東側亦不斷升高，形成台中盆地中斷東側的低山丘陵，即今日的大坑頭嵙山層。
大坑風景區以頭嵙山及二嵙山為主，頭嵙山層的主體是砂、頁岩互層，砂岩粒粗且硬，頁岩細且軟，兩者抗侵蝕力有顯著差異；而頭嵙山易崩塌的地質，是台灣惡地地形的首次發現地點。由於遠古時代兩次冰河期的造山運動，造成當地的山勢陡峭，因此缺少人為開發，而維持原始風貌，並孕育此地豐富的自然資源。
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