●山体组成
衡山以一块大花岗岩岩石为基础,由于表层沉积遭到冲刷和强烈剥蚀,花岗岩有较大面积的出露。岩内穿插有伟晶花岗岩,石英岩脉很多,宽狭变化较大,宽的可达40厘米,这些岩脉对于花岗岩的风化有加速作用。基岩的上覆红壤中含有大量石英沙粒,证明是由花岗岩风化来的。包围在花岗岩外围的岩石分3类,志留奥陶纪紫色页岩及砾状石英岩,泥盆纪沙岩及页岩,第三纪红色砂岩及页岩。以性质而论,砾状石英岩最硬,紫色页岩最软,在同期岩层上表现为不同之地形。由于气象气候的关系,流水、风、热等风化、剥蚀作用,形成了现代衡山的奇特景观。
衡山岩体东北部为第一次侵入的斑状二长花岗岩,岩体西南部为第二次侵入的白石峰二云母花岗岩。前者分布于南岳镇一祝融峰一线的东侧,出露面积217平方千米,同位素年龄值12318.7万年,属燕山早期侵入体。按其岩性、岩石结构及出露部位,可划为两个岩性带即祝融峰一带的片麻状斑状二长花岗岩和斑状角闪石黑云母二长花岗岩,另有少量的斑状黑云母花岗岩。后者分布于望峰一白石峰的西侧,出露面积为233平方千米,同位素年龄值8012.1万年,属燕山早期第二次侵入体。岩体东侧与斑状二长花岗岩体呈侵入接触,接触面清楚,倾角25°一80°,岩体南侧、西侧与冷家溪群接触,形成混合岩带。岩体可分为二部分,主体部分的二云母花岗岩,边缘部分的混合岩带宽岩石暗灰色、灰色、灰白色,多具片状、片麻状构造,出产钾长石、钠长石、高岭土。
●山体演化
衡山的古地形与整个湖南省的地形发育是分不开的。从志留纪、奥陶纪起一直到侏罗纪末,湖南的东部为古华夏大陆,西部和北部为古江南大陆,中部和南部为一大海湾。海水为喜马拉雅山大内斜经广西侵人湖南,最北可达长沙。湾内的海水,时进时退,时深时浅,衡山正处于海水进退的大道上。
侏罗纪以后,湖南的海湾随着整个亚洲大陆的掀起而成为陆地,迄今没再受海侵。在衡山从海成陆的过程中,其地形发展过程也很复杂。寒武纪以前,衡山的地形情况,因为没有地层记录,不得而知。
寒武纪时,黄汲清先生认为是“寒武纪海”的一部分,当然不是陆地,更不像现在。志留、奥陶纪时仍旧是海。海水从西南侵入,经衡阳、衡山、湘潭一直到长沙。那时衡山是海底的一部分。海中沉积岩有紫色页岩及砾状石英岩。现代衡山的构成,一部分也借助于这些岩石。到了志留纪之末,湖南受到喀里多民安地壳运动的影响,志留纪海露出水面,接受侵蚀。中泥盆纪初期,衡山及湖南部分地面已被侵蚀为平缓的低地。
中泥盆纪时,海水又从喜马拉雅山而侵,海面很广,衡山又沉入海底,沉积岩石以砂岩和页岩为主。现在衡山东北部还保存有这类岩石,成了海拔300一400米的丘陵。到下石炭纪时,海水从西南部猛烈侵入但较浅,也沉积了一些砂岩和页岩。当时地有升降,时而出露梅面,长着森林,成为现在的侧水煤系,衡山附近尚有保留。
石炭纪末二迭纪初,海水加深,衡山位于深海之边缘。当时沉积的岩石衡山附近尚存,但区域内没有发现。二迭纪中期以后,湖南发生地壳运动——即东湖运动,使二迭纪海成陆,衡山露出地面,接受侵蚀。因为衡山当时处在深海之边缘,石灰岩沉积不大,容易消灭。
继中二迭纪侵蚀作用以后,湘资二水流域又变成浅海,衡山常被海水淹没。其后地面缓缓上升,造成广大滨海平原,衡山成为一部分。平原上普遍长着森林,为现在的计岭煤系,在衡山附近也有发现。这个平原也常被海水淹没。三迭纪末,湖南发生造山运动—良口运动,三迭海又成陆,而接受较大侵蚀。
侏罗纪是湖南翻天复地的一纪。衡山地盘随着整个亚洲地面掀起(燕山运动第一幕),以后不再受到海水的侵蚀,是一个基本的转变。湖南整个地势也由前期的东北高于西南,变为西南高于东北,而且发生造山运动,造成了很多高山和盆地。不过那时的衡山还是盆地,内外都有森林,成为现在的石门石煤系。
白垩纪末,造山运动复起(第二幕),衡山花岗岩可能就是在这个时期侵入。今衡山以这一部分为主体,现裸露面积较广,北到三座桥、南到乌石铺、西到国清神王山、东延至茶陵边境,面积约15000平方千米。这块侵入体,使白奎纪末以前的地层大受捣乱,地面隆起,成为育隆山地。这就是衡山的前身,那时横跨湘江两岸(湘江那时还不存在),面积广、山势伟雄。高山经不起长期侵蚀,从白至纪末到第三纪初,已被侵蚀为准平原,并且地盘稍稍下降,成为一个大内陆湖。第三纪初期的红色岩系便沉积在这湖泊里。初期的衡山从此不见,但并没有消灭。到第三纪末由喜山运动引起衡阳运动时花岗岩发生断层隆起。从樟木市经过南岳市到福田铺之间的冲断层,大约此时发生无疑。
第四纪以来,衡山山体仍在不断上升,使其山势更加雄伟。衡山花岗岩体在亚热带气候的长期影响下,逐渐形成厚层花岗岩红色风化壳。
●土壤构成
衡山土壤的垂直分布是表层植被土(稍含腐殖质,适于先锋植物生长,但很薄,且越向山顶,这一层越薄)表土以下是黄棕壤,再下是黄壤,最底层是红壤。土壤中富含碎石英砂粒。
海拔210米以下的山麓丘陵地带,居民点附近地带,主要土壤是红壤及水稻土;海拔210-780米之间的山腰地带,主要是红壤黄棕壤及水稻土;海拔780-1110米之间的亚山顶地带,主要是黄棕壤;海拔1110-1290米的山顶草甸土带,也杂有黄棕壤。总之,从山麓到山顶土壤的分布规律为红壤一黄棕壤一草甸土。