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关于西湖生成的原因，古代有关书籍记载都较简略。明朝《西湖游览志》卷一载：“西湖三面环山，溪谷缕注，下有渊泉百道，潴而为湖。”近代学者从地形、地质、沉积及水动力学等方面进行了考证，其中较为普遍的观点认为西湖是由海湾逐渐演变而生的一个湖。民国九年(1920年)，科学家竺可桢考察西湖地形后发表了《杭州西湖生成的原因》，其称：“西湖原是钱塘江左边的`一个小小湾儿，后来由于钱塘江泥沙沉淀下来，慢慢地把湾口塞住，变成一个湖。”竺可桢还从沉积率推断，西湖开始形成年代距今一万二千年前。竺氏认为西湖形成之初，后由于三面山区中的溪流注入，所挟沙逐渐填充西湖，湖面随之逐渐缩小，倘若没有历代的不断疏浚，西湖早已湮废。1924年，地质学者章鸿钊发表《杭州西湖成因一解》，对竺氏的观点又进行了补充：西湖之成，其始以潮力所向而积成湖堤，其继以海滩变迁而维持湖面，二者为形成西湖之重要条件。
但是，湖说在现代科学考察中受到了怀疑。1950年以后，地质部门对西湖湖中三岛和湖滨公园地质钻孔取样分析，认为距今一亿五千万年的晚侏罗纪时，以今湖滨公园一带为中心，曾发生过一次强烈的火山爆发，宝石山和西湖湖底(大部分)堆积下大量火山岩块，由此，曾出现火山口陷落，造成马蹄形核心低洼积水，即西湖雏型。1979年，地质工作者对湖滨钻孔采取的岩样作微体古生物分析后著文认为，根据不同化石的组合，西湖的形成过程可划分为早期湖、中期海湾、晚期湖三个阶段，随着钱塘江沙坎的发育，西湖终于完全封闭，水体逐渐淡化，形成近代的西湖。
西湖周围的群山，属于天目山余脉。根据岩性差别和山势高低，可分为内、外两圈。外圈有北高峰、天马山、天竺山、五云山等，属高丘陵地形，山体主要由志留、泥盆纪岩屑砂岩、石英砂岩构成，岩性较坚硬，不易风化侵蚀。峰峦挺秀，溪涧纵横，流水清洌，是西湖泉水最多地带。内圈有飞来峰、南高峰、玉皇山、凤凰山、吴山等，山势较低，属低丘陵地形。山体均为向斜山地，主要由石炭、二迭纪石灰岩构成，易受水流溶蚀，形成了烟霞、水乐、石屋、紫来、紫云等溶洞。内圈的群山，除岩溶丘陵外，还有横亘西湖北缘的葛岭、宝石山，由火山碎屑岩组成，海拔在百米左右。
