沿线出露的地层上部为第四系覆盖层，底部主要出露中生界地层，古生代的地层只在局部地段出露。
沿线岸坡、山梁上部广覆盖层黄土。各河流河床及阶地分布冲积黏性土、砂类土及碎石类土，部分沟谷分布软弱地基土及新近淤积软土。
第三系地层除狄家河、席家峁一带出露砂质泥岩、页岩及砾岩外，其余地段出露上新统红黏土层，中生界侏罗系中、下统及三叠系上统，二者地层呈平行不平整接触，出露于沿线各大深切河（沟）谷谷底及岸坡底部，岩性为砂岩、页岩、泥岩，为延安以北主要的煤层地层；古生界二叠系、石炭系、奥陶系地层主要在义南、刘家坡、庆大村一带出露，岩性为铝土岩、砂页岩（煤系地层）、灰岩。