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马衔山与兴隆山南北对峙呈马鞍形，兴隆山、栖云山两座主峰由马衔山分支曲折而来。山体长约37公里，宽约17公里，山势走向呈西北西东南南，地势南高北低，海拔在2000——3600米之间，马衔山主峰海拔3670.3米，比高为500——1000米之间，是黄土高原范围内唯一超过3600米的高峰。山体过境后，向东延伸终止于海浩瀚的黄土丘陵。在大地构造上是介于秦岭地槽系和祁连山地槽系之间的秦祁台块上的孤岛状的石质山地，次级构造单元为青石岭──马衔山横断带的马衔山褶穹和兴隆山褶凹，本山地自寒武纪前隆起，经过加里东、燕山期、喜马拉雅期等新老造山运动的影响，到了第四纪初才形成基本的山脉水系。在漫长的地质历史时期，山地因受造山运动的显著抬升和切割作用，主体复式向斜多呈V型的陡壁深谷，沟谷纵横，河床比降较大多跌水，山脊呈波状起伏，坡度多在30度以上，地形呈齿状。山体两侧与黄土高原镶嵌，多为黄土剥蚀地貌，主要地形形态有高山深谷，土石山梁峁。