新第三紀になり海侵が進み、この地域は、八溝山系をのぞいて海底となった。この頃、海底火山の活動が活発化し、緑色凝灰岩等の地層が堆積した。（黒羽町片田の亀山石に代表されるもの。湯津上村では那珂川西岸、湯殿の渡し付近に露頭が多く見られる。）（写真1、2参照）

写真1　湯殿上流の西の崖第三紀層の露頭


写真2　同上（拡大）

　この地域は海底火山の直接の影響はなく、また暖流の影響で水温の高い静穏な海であった。
　第三紀末期になり、海退、海侵があり、上層部は浅い海で堆積した。陸地の部分はメタセコイヤ等の植物が繁茂し、部分的に陸地で火山活動も見られた。第三紀後半から地殻変動があり第三紀層は隆起陸化し、また造山運動により下野山地をつくった。