北区的文化层厚约3米，从上向下共分7层。第1至3层为近代堆积；第4至6层为新石器时代早期堆积，发现数量较多的陶片、石制品与动物骨骼碎片等；第7层是仅含打制石器的旧石器文化层。南侧的地层堆积自上向下可分为4层，第1层为棕褐色的含碳酸钙胶结物层，此层常见于在本区新石器时代遗址，并被叠压在裴李岗文化层之下；第2层为灰白色的砂砾层，含零星陶片，按岩性与包含物特点，当与北区的第5、6层是同期堆积；第3层含少量打制石器与动物化石碎片，岩性特点和文化遗物均与北区的第7层相当；第4层的发现最为丰富，含船形、柱状等类型的细石核与细石叶等典型的细石器文化遗存,同时亦见人工搬运的石块及粗大石制品。第4层之下则为不含文化遗物的马兰黄土层。综合南北两侧剖面层位序列，清楚可见本地区从旧石器晚期向新石器时代过渡地层关系。
加速器C14等年代测定结果进一步提供了过渡阶段的年代数据。采自沟南侧的第4层，即细石器文化层的3个木炭样品的加速器碳14年代测定结果，均分布在距今10300-10500年期间（经过树轮校正，下同）。而采自沟北侧新石器时代文化层木炭样品的加速器碳14年代测定结果，则为分别为距今10000年(第6层)、9000年（第5层）和8600年（第4层）。
二、典型细石器与新文化因素的共存
李家沟遗址旧石器阶段主要收获是在发现典型的细石器文化的同时,也有反映相对稳定栖居形态的大型石制品及人工搬运石块的出现。这一有别于早前发现的共存现象说明，本地区较晚阶段的新文化因素并不是突然出现，而是已经孕育在旧石器时代晚期之末。
旧石器文化遗存主要发现在南区第4层，南区3层与北区7层也有少量旧石器发现。李家沟细石器的发现显示该遗址早期居民拥有十分精湛的石器加工技术。他们应用船形和柱状细石器技术剥取细石叶。少量以石叶为毛坯的工具的存在，说明李家沟早期居民也掌握并应用石叶技术制作石器。成熟的石器工艺技术加工出典型的端刮器、琢背刀、石镞与雕刻器等典型的细石器组合。这些精致石器刃口锋利，轻巧便携，是便于专业化狩猎者长途奔袭狩猎使用的工具组合。这些工具所使用的原料也多是不见于本地的优质燧石，是远距离采集运输所得。以上特点显然还是典型的旧石器
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