Khu vực nghiên cứu thuộc về miền uốn nếp Paleozoi sớm, bị tác động mạnh bởi các hoạt động kiến tạo, magma vào Paleozoi muộn, Mesozoi sớm và Kainozoi. Cấu trúc vùng mang tính chất khối tảng, bị phân cắt bởi ba hệ thống đứt gãy chính theo các ph−ơng: ĐB-TN, á vĩ tuyến và TB-ĐN.
Ph−ơng cấu trúc địa chất trong phạm vi khu vực nghiên cứu khá phức tạp và về cơ bản phản ánh hệ thống các đứt gãy. Cấu trúc của l−u vực sơng Thu Bồn có dạng vịng cung với mặt lõm quay về phía đơng bắc. Phần rìa ngồi của vịng cung là các đá biến chất và magma có tuổi cổ hơn. ở trung tâm là các đá trầm tích trẻ Mesozoi, có cấu tạo dạng nhân nếp lõm nằm kéo dài theo ph−ơng đông bắc - tây nam và một phần bị chìm xuống d−ới trầm tích Neogen- Đệ Tứ ở đồng bằng hạ l−u (hình 2.2).
Trên phần phía bắc và nam của l−u vực cấu trúc địa chất có ph−ơng chung là vĩ tuyến và á vĩ tuyến. Phía bắc đ−ợc cấu tạo bởi các đá biến chất thuộc hệ tầng A V−ơng (€2- O1 av), Long Đại (O3- S1 lđ), tạo thành các dải núi kéo dài theo ph−ơng
Xuyên vào các đá biến chất này là các khối garanit bị xiết ép theo ph−ơng á vĩ tuyến của phức hệ Đại Lộc (]AD1 đl). Phía nam, từ Hiệp Đức, Bắc Sơn trở vào đ−ợc cấu tạo chủ yếu bởi các đá biến chất cổ thuộc hệ tầng Khâm Đức (PR2-3 kđ), Sông Re (PR1 sr), Tắc Pỏ (PR1 tp) có ph−ơng cấu trúc dạng vịng cung ơm lấy phần trung tâm, có h−ớng chuyển từ tây bắc đông nam sang á vĩ tuyến. Nằm xen với các đá này là những khối granit của phức hệ Chu Lai (]PR3 cl) và Bến Giằng - Quế Sơn
(]PZ3 bg-qs) bị nén ép biến dạng theo ph−ơng á vĩ tuyến.
Phần phía Tây l−u vực có cấu trúc khá phức tạp, nh−ng đa số các đá có ph−ơng TB - ĐN, chạy song song với biên giới Việt - Lào và trùng với ph−ơng của hệ thống đứt gãy TB - ĐN.
Phần trung tâm của l−u vực là trũng Mesozoi đ−ợc cấu tạo bởi các đá trầm tích thuộc hệ tầng Nông Sơn (T3n-r ns), Bàn Cờ (J1 bc), Khe Rèn (J1 kr), Hữu
Chánh (J2 hc) có cấu trúc dạng vịng cung và quay phần lõm về phía đơng bắc. Tích hợp giữa mạng l−ới sơng suối với ph−ơng của cấu trúc địa chất và hệ thống đứt gãy cho thấy một bức tranh hết sức thú vị. Hầu hết các sơng suối chính ở phần trung và th−ợng l−u của sông Thu Bồn và Vu Gia đều chảy vng hoặc cắt gần vng góc với ph−ơng của cấu trúc địa chất (hình 2.2). Kiểu quan hệ này th−ờng tạo ra các thung lũng sơng có dạng thung lũng xuyên thủng - dạng thung lũng sông làm cho tính chất của lũ lụt trở nên nguy hiểm hơn. ở phần trung l−u, với lịng sơng rộng hơn, ít có nguy cơ bị nghẽn dịng vào mùa m−a lũ, nh−ng vẫn làm mực n−ớc dâng cao cục bộ tại các vị trí thung lũng sơng mở rộng - cũng là nơi mà dân c− th−ờng tập trung sinh sống, và làm gia tăng động lực của dòng chảy lũ. ở phần th−ợng l−u, những thung lũng sông kiểu này là nơi mà nguy cơ xảy ra lũ quét và lũ quét- bùn đá cao nhất.