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西安市位于中国大陆腹地黄河流域中部的关中盆地，东经107°40′～109°49′和北纬33°39′～34°45′之间。东以零河和灞源山地为界，与华县、渭南市、商州市、洛南县相接;西以太白山地及青化黄土台塬为界，与眉县、太白县接壤;南至北秦岭主脊，与佛坪县、宁陕县、柞水县分界;北至渭河，东北跨渭河，与咸阳市市区和杨凌区、三原、泾阳、兴平、武功等县和扶风县、富平县相邻。辖境东西204公里，南北116公里;面积9983平方公里，其中市区面积1066平方公里。 面积9983平方公里。秦岭山脉横旦于西安以南，山脊海拔2000-2800米，是我国地理上北方与南方的重要分界。
西安以北，陕甘黄土高原边，由梁山、黄龙山、药王山、陇山组成的北山山系，与秦岭山脉遥相对应，共同构成环绕关中平原的自然屏障。黄河的最大支流渭河横贯关中平原。关中平原由渭河及其众多支流冲积形成，因而又称渭河平原。它西起宝鸡，东到黄河，号称“八百里秦川”。
西安市的地质构造兼跨秦岭地槽褶皱带和华北地台两大单元。距今约1.3亿年前燕山运动时期产生横跨境内的秦岭北麓大断裂，自距今约300万年前第三纪晚期以来，大断裂以南秦岭地槽褶皱带新构造运动极为活跃，山体北仰南俯剧烈降升，造就秦岭山脉;与此同时，大断裂以北属于华北地台的渭河断陷继续沉降，在风积黄土覆盖和渭河冲积的共同作用下形成渭河平原。
西安市境内海拔高度差异悬殊位居全国各城市之冠。巍峨峻峭、群峰竞秀的秦岭山地与坦荡舒展、平畴沃野的渭河平原界限分明，构成西安市的地貌主体。秦岭山脉主脊海拔2000～2800米，其中西南端太白山峰巅海拔3767米，是中国大陆中部最高山峰。渭河平原海拔400～700米，其中东北端渭河床最低处海拔345米。西安城区便建立在渭河平原的二级阶地上。
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