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马蹄寺丹霞地貌的主体地层是一套巨厚层红色砂岩。甘肃地质资料将其划分为渐新统，为山麓一河湖相沉积。通过岩石磁学测量发现，赤铁矿是地层中主要的含铁矿物，且相对含量比第四纪黄土古土壤更高。赤铁矿在干燥氧化条件才能够形成和保存。赤铁矿的存在，说明了红色丹霞地层不可能长期形成于水下的环境；同时野外观察发现，该地层广泛发育钙积层和大型板状交错层理，是明显的陆上沉积环境标志；且地层中石英颗粒扫描结果也证明为风沙沉积。所以，马蹄寺红色丹霞的沉积环境是长期处于水上的干旱氧化环境。