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望天洞主要发育在中奥陶统马家沟组厚层灰岩中,受北东向走滑断层控制,形成高度不同的三层洞穴。经实测洞穴全长5635m,为中国北方最长的洞穴。
洞穴中次生化学沉积物以重力水沉积为主,非重力水沉积为辅。洞穴生物较多,发现有洞虾等洞穴生物。据钟乳石铀系法测年,结合地质地貌法综合研究,得出望天洞形成于距今2-3百万年的第四纪早期。