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尼亚加拉瀑布的形成在于不寻常的地质构造。在尼亚加拉峡谷中，岩石层是接近水平的，每英里仅下降19—22英尺。岩石的顶层由坚硬的大理石构成，下面则是易被水力侵蚀的松软的地质层。激流能够从瀑布顶部的悬崖边缘笔直地飞泻而下，正是由松软地层上的那层坚硬的大理石地质层所起的作用。更新世时期，巨大的大陆冰川后撤，大理石层暴露出来，被从伊利湖流来的洪流淹没，形成了如今的尼亚加拉大瀑布。通过推算冰川后撤的速度，瀑布至少在7000年前就形成了，最早则有可能是在2.5万年前形成的。
尼亚加拉瀑布及由它冲出来的尼亚加拉峡谷的形成有着特殊的地质条件，瀑布的常年冲蚀，使得石灰岩崖壁不断坍塌，致使尼亚加拉瀑布逐步向上游方向后退。据1842～1927年观测记录，平均每年后退1.02米。20世纪50年代以来，由于美、加两国政府耗费巨资采取了控制水流、用混凝土加固崖壁等措施，使瀑布后退速度控制在每年不到3厘米。
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