长洲位于大屿山及南丫岛之间,面积约2.46平方公里,距离香港岛西南部大约10公里。长洲东面有西博寮海峡与南丫岛相隔开,而西面和北面亦隔着北长洲海峡,与大屿山和喜灵洲相对望。长洲以南是南中国海,再远一点是担杆群岛。
在地理学上,长洲原本是两个小岛,但是受到岛屿形状及季候风影响,海浪将海沙带到两岛之端,形成沙咀。经过千万年来日积月累的沉积,两条沙咀不断延长,最终连接起来,形成连岛沙洲。正因如此,现今长洲南、北的形状阔而大,但中部则窄而长,形状呈哑铃状,故长洲又称作哑铃岛。
长洲南、北本为小岛,因此地质由花岗岩构成;至于中部由海洋沉积物组成,属于地表沉积物;正因为此原故,加上受到乡村条例所监管,所以长洲大部分的建筑物均只有3层高。长洲南、北皆山丘,中部为平坦土地,北部山丘较高,最高点有95米高。
西湾长年风平浪静,因此成为了天然的避风塘,而长洲码头亦设于西湾。至于东湾则长年因海浪带来沉积物,而形成了著名的东湾泳滩。除了东湾泳滩外,长洲其他主要的沙滩则座落于西湾、观音湾、大鬼湾和东湾仔等地,但这些沙滩较细小、沙质较逊、位置亦要比东湾偏僻。在长洲西南的𫚙鱼湾和白鰽湾,以及南部及东南部一带,由于海浪较大,亦以满布奇石闻名。较著名的奇石有五行石、龙王石、鳗鱼石、坦克石、花瓶石和人头石等等,故当地又名长洲趣石林。
自然生态方面,长洲南、北都有树林,在那里一带有黄室弄蝶和角翅弄蝶等出没。此外,在长洲还可以见到香港市花──洋紫荆,在长洲关公忠义亭附近更种了十多棵樱花树,是全香港最具规模的樱花群。这些樱花树属于山樱,最初于1975年从台湾引入35棵,但是由于土壤欠佳,现时所余不多。
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