Khu vực thành phố Lạng Sơn cũng nh khu vực thực hiện dự án đã trải qua lịch sử phát triển địa chất lâu dài. Phần lớn các thành tạo cổ ở đây đã bị nhấn chìm xuống sâu do hoạt động hạ võng kiến tạo. Hiện tại, trên bình đồ kiến trúc khu vực tồn tại các đá trầm tích, phun trào có tuổi từ Cacbon đến Đệ Tứ. Các thành tạo này đợc xếp vào các phân vị địa tầng sau:
- Giới Paleozoi (PZ)
+ Hệ Cacbon - Hệ Pecmi thống dới - hệ tầng Bắc Sơn (C - P1bs). + Hệ Pecmi thống trên - Hệ tầng Đồng Đăng (P2đđ).
- Giới Mezozoi (MZ)
+ Hệ Triat thống dới - bậc Inđi, Hệ tầng Lạng Sơn (T1i ls). + Hệ Triat thống dới - bậc Olenegi, Hệ tầng Kỳ Cùng (T1okc). + Hệ Triat thống giữa bậc Anigi, Hệ tầng sông Hiến (T sh).
+ Hệ Triat thống giữa bậc Ladini, Hệ tầng Nà Khuất (T2l nk). + Hệ Triat thống trên bậc Cacni, Hệ tầng Mẫu Sơn (T3c ms). - Giới Kainozoi (KZ)
+ Hệ Neogen thống dới, Hệ tầng Nà Dơng (N1nd). + Hệ Đệ Tứ (Q)
Sự phân bố của các địa tầng vùng thành phố có quy luật khá rõ. Phần trung tâm là hệ tầng Bắc Sơn, sau đó xa dần là hệ tầng Đồng Đăng, hệ tầng Lạng Sơn, hệ tầng Kỳ Cùng, hệ tầng Sông Hiến, hệ tầng Nà Khuất cuối cùng là hệ tầng Mẫu Sơn. Do đặc điểm của dự án chủ yếu liên quan đến giới Kainozoi nên tác giả chỉ tập chung mô tả địa tầng này.
* Giới Kainozoi (KZ)
a. Hệ Neogen - Thống dới - Hệ tầng Nà Dơng (N1 nd)
Hệ tầng Nà Dơng do Trần Văn Trị xác lập năm 1977 khi nghiên cứu các trầm tích Neogen khu vực Cao Bằng Lạng Sơn. Trong vùng nghiên cứu trầm tích Nà Dơng phân bố ở phía Đông Bắc, dọc thung lũng Na Dao kéo dài từ bản Nà Dảo qua Nà Luồng - Nà Khúm đến Nà Lùng, theo hớng Tây Bắc - Đông Nam, chiều rộng từ 50 - 300m. Mặt cắt trầm tích quan sát rõ ở khu vực Công ty Gạch ngói Hợp Thành. Trầm tích hệ tầng Nà Dơng gồm hai phần :
- Phần dới gồm các lớp trầm tích sạn kết, cuội kết, cát kết, bột kết, sét kết. Các lớp này có chiều dày biến đổi từ vài chục centimet đến vài mét, tuy nhiên chiều dày biến đổi nhanh, thờng hớng đổ của các lớp đá chủ yếu về phía Tây 250 - 280o, góc dốc biến đổi từ 15 - 30o.
- Phần trên gồm các lớp bột kết, sét kết, cát kết, sạn kết, một số nơi có các lớp sét kết xen kẽ các dải hoặc các dải mỏng than nâu. Nhìn chung trong thành phần của các lớp đá hệ tầng Nà Dơng khá giàu fenspat, silic, riolit nên khi phong hoá chúng đã tạo lên sét, sét cao lanh màu trắng vàng loang lổ, dẻo mịn, đáp ứng nhu cầu làm gạch ngói xây dựng. Hớng đổ của các lớp đá về cơ bản không biến đổi, chủ yếu về phía Tây. Tuy nhiên góc dốc tăng nhanh đạt đến 70 - 85o. Một số nơi thấy các dấu vết về thân cây, lá cây định tuổi Mioxen. Quan sát ranh giới ở phía Đông và Đông Bắc của dải trầm tích này, nơi tiếp xúc trực tiếp với trầm tích hệ tầng Nà Khuất và trầm tích phun trào hệ tầng Sông Hiến cho thấy đá bị đổ lở, vỡ vụn, phong hoá rất mạnh theo mặt gần thẳng đứng, định hớng kéo dài theo Tây
Bắc - Đông Nam. Một số nơi dải trầm tích này mở rộng hoặc thu hẹp theo phơng vuông góc với thung lũng giống nh các khối hình chữ nhật, hình vuông, hình thang. Do đó, có thể kết luận trầm tích của hệ tầng này đợc thành tạo trong một cấu trúc địa hào lục địa, do hoạt động căng tách, đứt sụt, của đứt gãy lớn Cao Bằng - Lộc Bình - Tiên Yên ở mức độ khá mạnh. Hố địa hào có dạng kéo dài, trầm đọng các sản phẩm trầm tích hồ. Trong quá trình thành tạo trầm tích vẫn có biến động đứt gãy, phần phía Tây bị hạ thấp tạo nên dạng chảy, dạng dốc đứng của các lớp nằm trên, thành tạo sau.
Quan hệ phía dới, trầm tích hệ tầng Nà Dơng phủ bất chỉnh hợp lên trên các trầm tích hệ tầng Sông Hiến, Nà Khuất, Mẫu Sơn. Phía trên các trầm tích hệ tầng Nà Khuất bị các trầm tích bở rời Đệ Tứ phủ bất chỉnh hợp lên trên. Chiều dày của hệ tầng Nà Dơng ở đây khoảng 100m.
b. Hệ Đệ tứ (Q)
Các thành tạo bở rời hệ Đệ Tứ phổ biến trong vùng nghiên cứu bao gồm các thành tạo tàn tích do phong hoá (eluvi), sờn tích (deluvi), lũ tích (proluvi) do dòng tạm thời, rời tích do hoạt động đổ lở ở sờn vách đá vôi, trầm tích hang động karst và bồi tích (aluvi) dọc sông Kỳ Cùng và các suối trong vùng. Các vật liệu tàn tích ở vùng Lạng Sơn là vỏ phong hoá sét cao lanh trên đá riolit và đá riolit poocfia, vỏ phong hoá terarotsa, trên đá vôi vỏ phong hoá sét trên các đá sét kết, bột kết, cát kết hệ tầng Nà Khuất, Mẫu Sơn. Các thành tạo vỏ phong hoá sét thờng có màu trắng, vàng loang lổ, màu tím đỏ, màu tím có chiều dày từ vài mét đến hơn 10m. Vỏ phong hoá terarotsa trên đá vôi hệ tầng Bắc Sơn và hệ tầng Đồng Đăng là sản phẩm tàn d của qúa trình hoà tan phong hoá đá vôi. Chúng thờng là sét màu vàng nâu, nâu, bở vụn, ít nhiều có cát kết hạch mangan, chiều dài vài chục centimet đến vài mét. Sờn tích ở trong vùng không phổ biến, quy mô nhỏ nằm trên các sờn đồi và sờn núi gồm mảnh vụn, sét, cát pha. Chiều dày sờn tích thay đổi từ vài chục centimet đến 2m. Lũ tích trầm đọng ở các thung lũng giữa núi nh ở Na Sa, Nà Chuông. Sản phẩm của chúng là sét, sét pha, cát pha, mảnh vụn, cuội sỏi, chiều dày thờng vài chục centimet đến vài mét.
Rời tích nằm ở chân núi đá vôi ở dạng các tảng lớn, các mảnh lẫn sét phong hoá terarotsa. Trầm tích hang động nằm trong các hang karst nh cát, bột, sét ở đáy hang hay nh dạng travectanhơ đá thành vách hang, ở suối hoặc các dạng chuông đá, nhũ đá... Trầm tích aluvi dọc sông suối, đáng kể nhất là dọc sông Kỳ Cùng,
dọc suối Ki Két, trên các thềm bậc III, II, I và các bãi bồi. Trầm tích ở thềm bậc III là cuội tảng khá tròn, kích thớc từ 10 - 30cm, thấy ở khu Đông Bắc bản Nà Chuông. Trầm tích thềm bậc II là cuội kích thớc từ 1 - 6cm lẫn sét màu vàng. Cuội thờng là thạch anh, khá tròn cạnh có màu vàng, trắng vàng. Thềm bậc hai thờng là thềm hỗn hợp. Phía dới là đá gốc nh đá vôi, đá lục nguyên, riolit. Phần trên là cuội lẫn sét dày vài chục centimét đến vài mét. Trầm tích thềm bậc II chiếm phần cơ bản của aluvi sông Kỳ Cùng và suối Ki Két. Thành phần trầm tích chủ yếu là sét, sét pha, cát pha màu nâu đỏ, nâu xám, vàng nâu, chiều dày từ vài mét đến hơn 10m. Trầm tích bãi bồi phân bố ở Đông Bắc Mai Pha, phía Đông Chùa Tiên. Thành phần trầm tích chủ yếu là cát, cát pha, sét pha, mảnh vụn đá, dăm, cuội, sạn, chiều dày trầm tích vài mét. Các trầm tích Đệ Tứ đợc thành tạo trong các thời gian khác nhau:
- Trầm tích thềm bậc III có tuổi Pleixtocen giữa. - Trầm tích thềm bậc II có tuổi Pleixtocen muộn. - Trầm tích thềm bậc I có tuổi Holocen sớm. - Trầm tích bãi bồi cao có tuổi Holocen giữa. - Trầm tích bãi bồi thấp có tuổi Holocen muộn.
Nghiên cứu các thành tạo Đệ Tứ cho biết các pha trầm tích, các mối quan hệ với vận động kiến tạo trẻ, với đá gốc, với các khoáng sản liên quan và với môi sinh môi trờng.