死海水中含有很多矿物质，水分不断蒸发，矿物质沉淀下来，经年累月而成为今天最咸的咸水湖。人类对大自然奇迹的认识经历了漫长的过程，最后依靠科学才揭开了大自然的秘密。 死海的形成，是由于流入死海的河水，不断蒸发、矿物质大量下沉的自然条件造成的。那么，为什么会造成这种情况呢？原因主要有两条。其一，死海一带气温很高，夏季平均可达34C°，最高达51C°，冬季也有14—17C°。气温越高，蒸发量就越大。其二，这里干燥少雨，年均降雨量只有50毫米，而蒸发量是140毫米左右。晴天多，日照强，雨水少，补充的水量，微乎其微，死海变得越来越“稠”——入不敷出，沉淀在湖底的矿物质越来越多，咸度越来越大。于是，经年累月，便形成了世界上最咸的咸水湖——死海。死海是内流湖，因此水的唯一外流就是蒸发作用，而约旦河是唯一注入死海的河流，水面依赖流入的水是否对比蒸发的外流，但近年来因约旦和以色列向约旦河取水供应灌溉及生活用途，死海水位严重受到严重的威胁。
在侏罗纪和白垩纪地沟形成之前，面积很大的地中海覆盖著叙利亚和巴勒斯坦。在中新世海床隆起，产生外约旦高地和巴勒斯坦中央山地的隆皱结构，出现形成死海凹地的断面。当时死海的面积与现代大约同等大小。在更新世死海升到比其现代水平高约215公尺(700呎)的高度，形成一片广阔的内陆海，从北部的哈勒(Huleh)河谷地区延伸约320公里(200哩)，至其目前南部边界以南64公里(40哩)处。死海并未溢出岸边而注入亚喀巴湾，因为受到阿拉伯谷地最高部分中一块30.4公尺(100呎)高的隆起处的阻挡，阿拉伯谷地是沿中央内盖夫(Negev)高地的东部延伸部分而流的一条季节性水道。
大约250万年前或稍后时期，大量河水流入该湖，淤积了厚厚的沉积物，内有页岩、泥土、沙石、岩盐和石膏。以后形成的泥土、泥灰、软白垩和石膏层落在沙土和砂砾层之上。由於在最近1万年中，水蒸发的速度比降水补充的速度快，该湖逐渐缩减至目前的大小。在此过程中，露出1.6∼6.4公里(1∼4哩)厚的覆盖死海湖谷的沉积物。
利桑半岛和塞多姆山(Mount Sedom,历史上称作所多玛山〔Mount Sodom〕)是由地壳运动产生的地层。塞多姆山的陡峭悬崖高耸在西南岸上。利桑半岛由泥土、泥灰、软白垩和石膏层形成，隔层中夹有沙土和砂砾。利桑半岛和死海湖谷西侧类似物质形成的湖底向东部下降。据猜测，是塞多姆山和利桑半岛地势上升，形成了死海南部的急斜面。随后死海的水冲过这一急斜面的西半部，淹没死海目前较浅的南端。
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