Ayvalıtohma Çayı Havzası, Fırat Nehri’nin batıdaki kollarından olan Tohma Çayı’nın alt havzası durumundadır. Darende- Hekimhan (Malatya) Gürün, Kangal (Sivas) arasında kalan çalışma alanının jeomorfolojik özellikleri saha çalışmaları ve sentetik yüzeyler üzerinde yapılan jeomorfolojik analizler çerçevesinde belirlenmiştir. Çalışma alanı genel olarak Uzunyayla Platosu ile Malatya Havzası arasında kalan ve akarsularla derin bir şekilde yarılmış platolardan oluşmaktadır. Havzanın batısındaki Köroğlu, doğusundaki Akbabaçalı, güneyindeki Cuma Dağı gibi dağ sıraları ise bu platolar üzerinde yumuşak sırtlar halinde yükselmektedir. Ayvalıtohma Çayı, açtığı dar ve derin boğaz ve kanyon vadilerle, Uzunyayla, Ayvalı-Kuluncak, Darende-Balaban depresyonlarını birbirine bağlamaktadır. Gürün, Darende, Kuluncak dolaylarında tipik olarak görülen ve karstik temele gömülen bu boğaz ve kanyonlar, Ayvalıtohma Çayı boyunca gelişen taşkın ovalarının oluşumunda önemli bir yerel kaide seviyeyi rolü üstlenirler. Çalışma alanının merkezini oluşturan Ayvalı-Kuluncak Depresyonu ise Oligosen’de gelişmiş dağ arası havza özelliği taşımaktadır. Oligosen’de depolanan ve aşınım direnci düşük olan çakıltaşı, kumtaşı, çamurtaşı gibi detritikler havzada en fazla erozyona uğrayan alanları ortaya çıkarmışlardır. Bu dirençsiz kayalar erozyona neden olurken, dağlık ve plato sahalarındaki kalın kireçtaşı istifleri özellikle 1700-2100 m aralığında karstik şekillerin gelişmesine sebep olmuştur.