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長井市西部一帯は、越後山脈の主軸をなす朝日山系の険しい山岳地帯で、朝日、祝瓶などの高山がそびえており、東部は出羽丘陵地帯です。
この両山系の間を南より北に最上川が貫流し、朝日山系を源とする野川が市の中央部を流れ、また飯豊山系を源とする白川は、市の南部で合流している。最上川流域と野川、白川両河川の下流一帯は平地をなし長井盆地を形造っている。
長井盆地は、北流する最上川に沿ってゆるく湾曲しながら南北に細長く伸びている。盆地の西側は花崗岩類で構成される朝日山塊の南半分にあたり、安倍ヶ館(1,055m)、柴倉山(1,263m)、三体山(1,256m)などを中心とする標高700〜1,200mの山地です。水系は花崗岩地帯特有の格子状に発達し、急峻な山地形を作り出している。
一方、盆地の東側は白鷹山地の南半分で、朝日山塊と同様に花崗岩類から成るが、標高は500m以下で、なだらかな丘陵性山容を呈している。また盆地の南側は標高300〜500mの玉庭丘陵によって米沢盆地と境されている。
長井盆地は標高200〜250mで西から東へゆるやかに傾斜している。盆地の西半最上川左岸には何段かの段丘が形成されているが、段丘崖は侵食されて不明瞭になっている場合が多い。