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月牙泉是第四纪以来地质历史发展过程中，由内外动力地质作用和水文地质条件综合影响下的一种自然产物。
前人对月牙泉的成因认识，主要有上升泉、断层泉、基岩裂隙水溢出泉、沙漠区地下水溢出泉以及古河道残留湖和风成湖之说。众说纷纭，但始终没有一个令人信服的科学解释。直至1997－2002年，甘肃省地质环境监测院对该地区开展了大量地质调查工作，经过长期的监测及综合分析研究，才最终揭开了月牙泉千年不涸的真相。
月牙泉形成于距今约12000年前的全新世初期，当前月牙泉、大泉湾、小泉湾所在沿线原本是古党河河道的一部分。后来由于鸣沙山不断向西和向北扩展而阻塞河道，造成党河河谷改道向北迁移，使原河道中的积水洼地形成封闭式的残留湖，这样就形成了月牙泉。而月牙泉 千百年未被蒸发而消失，主要取决于月牙泉所处地区的地质条件、低洼的地形条件和丰富的地下水位补给三个方面的因素。
月牙泉所处区域下伏地层中第四系松散沉积物厚度超过了380米，这种结构单一、厚度巨大的松散沉积物为泉域地下水径流、排泄及贮存提供了有利的空间条件。
在水流的作用下，党河及西水沟上游的碎屑物被搬至盆地，形成了以西水沟和沙枣园为轴心的冲积扇地形，扇间堆积物较少，形成了扇间的洼地地形。洼地的中心为月牙泉，具有非常有利的地形条件。
月牙泉西北部的党河长年流水不断，河水在径流的过程中，产生大量的渗漏，为区域地下水提供了丰富的补给源。地下水通过渗漏在扇间洼地溢出，从而源源不断的补给月牙泉，此为月牙泉在极端干旱条件下数千年不干涸的秘密所在。