地質は，上位から第四紀の段丘（Ｔ３面・Ｔ５面）堆積物，新第三紀鮮新世の深川層群（美葉牛層・一の沢層・幌加尾白利加層），同中新世の新十津川層群・西徳富層群，および古第三紀の樺戸層から成る．

重力プロファイル調査

この調査は，反射法の測線とは一致せず，これよりも約１ｋｍ南側の農道上で実施した．このため，図４−７では，重力測点のうち撓曲帯のほぼ中心部と交わる測点（Ｎｏ．２５）を，反射法測点３５０ｍに重なるように平行移動させて表示している．この測点付近では，重力異常値が周辺よりも約１ｍｇａｌだけ明瞭に小さくなっている．この重力異常からは，地層の変位による相対的に密度の低い物質との接触，ないしは破砕されて低密度となった地層が周辺よりも厚く堆積しているような構造が推定される．このように，地形判読から得られた撓曲崖上に重力異常部がほぼ重なって分布することから，撓曲崖と同じ走向の地下構造異常帯が存在するものと推定される．

ＩＰ比抵抗映像法

本方法による浅部構造調査は，反射法測点２５０〜４５０ｍ（中心点は３５０ｍ）に重ねて実施した．解析結果を示した図４−５では，測点３００ｍの東側の深度１０ｍ以深には２００〜４００Ωｍの高比抵抗層が，３４０〜３９０ｍの地表付近には１００〜２００Ωｍのやや高比抵抗層がみられる．これらの両高比抵抗層は，僅かではあるが周辺に対し相対的に高充電率となっている．このような高比抵抗値・高充電率層として把握された部分は，後述する反射法結果で最も浅い反射面が，上に凸状に撓んだ頂部を含む範囲の上部にあたる．このうち３４０〜３９０ｍの部分は，比抵抗値・充電率の変化ともそれほど顕著なものではないが，撓曲崖の遷緩線付近よりも低地側にあり，構造運動による地層の堆積状態の異常を反映している可能性がある．

反射法地震探査

本地区における反射法地震探査では，後述する他の２地区と比較して構造分解能・探査深度ともやや劣った深度断面記録が得られた（図４−６）．反射面構造としては，深度５００ｍ以深には連続性の良い反射面は見られない．これは，地質そのものが明瞭な反射波を形成しない構造を持っている可能性のほかに，測線の始点（西端）と中点の比高差が約３３ｍあって西半部では平坦でなかったこと，また測線全体にわたって段丘堆積物が発達していることなどにより，起振効果が低下した可能性も考えられる．ここでは，浅部に見られる比較的顕著な幾つかの反射面についてその特徴を述べる．

まず，測線８５０〜５５０ｍの浅部に，ほぼ水平な反射面が見られる．これらは深川層群内部の境界面を示すと思われるが，測線５５０ｍ以西にはこの反射面は見られない．次に，この西側の測線５５０〜２５０ｍでは，第１反射面は上に凸状の撓み構造ないし背斜構造を示し，測線５００ｍ以東で上記の浅部反射面の下位へと連続する．このような上に凸の反射面がさらに下位に２枚見られるが，深川層群内部の反射面とみられる．

これらの凸状反射面の東側への連続性を追うと，測線６００ｍ付近以東で傾斜が緩くなるように変化する．これらの傾斜変換点と測線８５０〜５５０ｍ・深度２００ｍ以浅の反射面群の西方への不連続を考え合わせると，東落ちの造盆地運動を想定することができる．

一方，測線２５０ｍ付近から西側では，大局的には反射波の連続性が弱くなり，先述した上に凸の反射面群も測線２５０〜２００ｍで途切れてそれ以西では追跡できない．これらの反射面の西端を結んだ線Ｆ１は，高角度の西傾斜を示す．このＦ１より西側では，明瞭な反射面は全くみられず，極めて乱れている．これは，地質構造が水平成層をなすことなく，高角度ないしほぼ垂直に近い状態になって揉めていること，即ち急傾斜帯の存在を示唆する．このことは，Ｆ１が西側の地層の東側への衝上運動をもたらした逆断層として存在している可能性を示唆する．

ボーリング調査

試掘位置は，反射法測線上の測点３５５，３４５，および３２０ｍの３地点である．掘削深度は，それぞれ７．１７，１０．５２，および３０．２０ｍである．また，コア採取率は，それぞれ８３．２％，７１．４％，および６６．２％であった．後２者では電気検層を実施した．調査結果は地質断面図として図４−８にまとめた．

最上部層は，粘土混りの砂ないし細〜中礫から成る．厚さは約１０ｍとほぼ一定で，段丘堆積物と考えられる．本層のうち下部には，下位層の再堆積物と考えられるシルトや砂が多く混じる．

この下位には，上位から礫岩層，シルト岩層，および砂岩層が存在する．このうち礫岩層は礫岩〜砂礫岩から成るが，３２０ｍ孔の深度１０．２２〜１６．０５ｍのみに分布し，他の２孔では確認できなかった．シルト岩層は，シルトと細粒砂岩の互層から成り，３４５ｍ孔の深度８．２６〜１０．５２ｍおよび３２０ｍ孔の深度１６．０５〜２３．３８ｍで確認された．一部で，薄い亜炭〜泥質亜炭を挟む．砂岩層は，軽石凝灰岩を挟む円礫混りの中〜粗粒砂岩から成り，３２０ｍ孔の深度２３．３８〜３０．２０ｍで確認された．本層は上位のシルト岩層よりも固結度が弱い．これらのうちシルト岩層は，その上面深度から西傾斜の構造を示し，ＩＰ比抵抗映像法や反射法地震探査の結果とは調和的である．以上の一連の地層は，尾白利加川など周囲の露頭の地質状況から判断すると，深川層群上部の美葉牛層とみなされる．