尼亞加拉瀑布的形成在於不尋常的地質構造。在尼亞加拉峽谷中,岩石層是接近水平的,每英里僅下降19—22英尺。岩石的頂層由堅硬的大理石構成,下面則是易被水力侵蝕的鬆軟的地質層。激流能夠從瀑布頂部的懸崖邊緣筆直地飛瀉而下,正是由鬆軟地層上的那層堅硬的大理石地質層所起的作用。更新世時期,巨大的大陸冰川后撤,大理石層暴露出來,被從伊利湖流來的洪流淹沒,形成了如今的尼亞加拉大瀑布。通過推算冰川后撤的速度,瀑布至少在7000年前就形成了,最早則有可能是在2.5萬年前形成的。
尼亞加拉瀑布及由它衝出來的尼亞加拉峽谷的形成有着特殊的地質條件,瀑布的常年沖蝕,使得石灰岩崖壁不斷坍塌,致使尼亞加拉瀑布逐步向上游方向後退。據1842~1927年觀測記錄,平均每年後退1.02米。20世紀50年代以來,由於美、加兩國政府耗費巨資採取了控制水流、用混凝土加固崖壁等措施,使瀑布後退速度控制在每年不到3釐米。
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