Giai đoạn trƣớc tách giãn (giai đoạn tạo núi).
Trƣớc tiên vào cuối Creta đầu Kainozoi ở khu vực nghiên cứu xảy ra tạo núi Paleogen mà bằng chứng là hình thành các magma Paleogen nhƣ phức hệ Yê Yên Sun và hàng loạt các magma siêu mafic – mafic. Song song với quá trình này là sự hình thành các thành tạo molas tạo núi thuộc hệ tầng Phù Tiên nhƣ đã phát hiện tại một số GK (GK 104, 107-PA-1X…).
Về mặt lý thuyết các thành tạo này đƣợc lắng đọng trong các trũng giữa núi, vì thế diện phân bố không lớn. Và thực tế quan sát trên các mặt cắt địa chấn cũng thấy rằng diện phân bố của các thành tạo molas này không phổ biến mà chỉ giới hạn trong một số bán địa hào nhỏ.
Giai đoạn tách giãn.
Giai đoạn này đƣợc tính bắt đầu từ 32 triệu năm cho đến 26 triệu năm.
Bắt đầu vào 32 triệu năm, do sự quay của khối trôi trƣợt Đông Dƣơng theo chiều kim đồng hồ đã làm đứt gãy Sông Hồng trở thành đứt gãy trƣợt bằng trái với vecto dịch trƣợt thay đổi liên tục theo không gian phụ thuộc vào hình dạng đứt gãy. Chính sự khác biệt về hƣớng của vecto dịch trƣợt nên tại ranh giới Đông Nam của khối trôi trƣợt Đông Dƣơng (đới đứt gãy Sông Hồng) chịu ảnh hƣởng của trƣờng ứng suất tách dãn. Vì vậy ở khu vực nghiên cứu đã hình thành (hoặc làm tái hoạt động) một loạt các đứt gãy thuận nhƣ đứt gãy Sông Chảy, đứt gãy Vĩnh Ninh, đứt gãy Sông Lô 1, đứt gãy Sông Lô 2, đứt gãy Kiến Thụy. Các đứt gãy đều là các đứt gãy listric (đứt gãy thuận, không phẳng) do đó đã làm cho các khối nằm trên đứt gãy (cánh treo) vừa bị trƣợt theo mặt đứt gãy vừa bị quay. Chính yếu tố quay này
làm cho các trầm tích trƣớc đó (hệ tầng Phù Tiên vốn ban đầu nằm ngang) quay đi một góc. Và cũng chính do hiện tƣợng quay này đã tạo ra một không gian trầm tích nhỏ dạng bán địa hào ngay sát các đứt gãy này (đứt gãy Sông Hồng, đứt gãy Kiến Thụy, đứt gãy Sông Lô 1).
Đồng thời với quá trình tách dãn là quá trình tích tụ trầm tích ở các bán địa hào và địa hào. Tầng trầm tích này đƣợc biết đến với tên gọi Đình Cao. Các tập trầm tích đồng tách giãn này đều có đặc điểm của trƣờng sóng địa chấn là dạng lấp đầy và các trục đồng pha kết thúc kiểu onlap trực tiếp vào ranh giới trên các tập trầm tích của hệ tầng Phù Tiên cũng nhƣ kiểu kết thúc onlap vào các đứt gãy. Tuy nhiên do không gian trầm tích của các bán địa hào không lớn nên bề dày trầm tích của tầng trầm tích này ở các bán địa hào mỏng (sát đứt gãy Sông Hồng, đứt gãy Kiến Thụy, phần Tây Bắc của đứt gãy Sông Lô 1). So với phần Đông Bắc của đứt gãy Sông Lô 1 và Tây Nam đứt gãy Sông Chảy thì phần địa hào trung tâm có không gian trầm tích rất rộng và sâu, vì thế tầng trầm tích này ở địa hào trung tâm có bề dày rất lớn so với khu vực ven rìa bồn.
Quá trình tách giãn này diễn ra đến khoảng 26 triệu năm. Sau đó xảy ra một đợt biển thoái do hạ mực nƣớc biển một cách mạnh mẽ. Quá trình hạ mực nƣớc biển này làm cho các phần rìa bồn bị lộ trên mực nƣớc biển và gây ra hiện tƣợng bào mòn, san bằng. Tuy vậy, ở khu vực tâm bồn trũng không quan sát thấy sự bào mòn đó. Điều này có thể giải thích là do khu vực trung tâm bồn bị sụt rất sâu trong quá trình tách dãn. Vì thế, mặc dù nƣớc biển có bị hạ thấp nhƣng cũng không làm phần trung tâm bị lộ ra. Hơn thế, ở đó còn đƣợc nhận một lƣợng trầm tích lớn do quá trình bào mòn xảy ra ở ngay hai bên rìa bên cạnh và dẫn đến bề dày trầm tích của tầng này ở khu trung tâm là rất lớn.
Nhƣng quan sát trên các mặt cắt phía Nam của mặt cắt 93-203 thì thấy rằng ở cánh Đông Bắc cũng nhƣ phần trung tâm không xảy ra bào mòn ở nóc tầng Đình Cao. Điều này là hoàn toàn hợp lý và dễ hiểu bởi vì bồn trầm tích Sông Hồng đƣợc bắt đầu mở rộng từ MVHN và kéo dài, mở rộng về phía Nam. Do đó, nếu so sánh về độ sâu thì càng đi về phía Nam bồn càng chìm sâu dƣới mực nƣớc biển. Vì thế mà có những đối tƣợng trầm tích mà ở phần Tây Bắc bồn thì lộ ra trên mực nƣớc biển dẫn đến hiện tƣợng bào mòn còn ở phần phía Nam lại nằm dƣới mực nƣớc biển và không bị bào mòn trong đợt hạ mực nƣớc biển vào khoảng 26 triệu năm.
Sau 26 triệu năm, quá trình tách dãn ngừng nghỉ và thay vào đó là quá trình sụt lún sau tách giãn. Bằng chứng là các tập trầm tích hình thành trong giai đoạn này (thuộc hệ tầng Thụy Anh và hệ tầng Phong Châu) ở phía Đông Bắc đứt gãy sông Lô không bị các đứt gãy cắt qua, còn ở khu vực trung tâm của bồn trũng (giữa đứt gãy sông Lô và đứt gãy Sông Chảy) thì hầu hết các tập trầm tích thành tạo từ Oligoxen đến Mioxen Trung đều bị đứt gãy cắt qua, điều này chỉ nói lên rằng các tập trầm tích này đều bị các đứt gãy sau trầm tích (cụ thể là các đứt gãy hoạt động vào cuối Mioxen) cắt qua. Ngoài ra kết hợp với việc phân tích kiến trúc của trƣờng sóng địa chấn các tập trầm tích cho thấy không có kiểu kiến trúc của loại trầm tích đồng tách dãn mà các trục đồng pha chỉ chạy song song với nhau và cũng không kết thúc ở bất kì đứt gãy nào mà chúng thƣờng kết thúc ở rìa bồn. Kiểu kiến trúc này cho phép xác định đây là trầm tích hình thành trong điều kiện sụt lún và thiếu vắng sự hoạt động của đứt gãy.
Cuối giai đoạn này xảy ra quá trình hạ mực nƣớc biển một cách mạnh mẽ làm cho một số khu vực của bồn Sông Hồng bị lộ ra khỏi mặt nƣớc hoặc làm cho các khu vực thay đổi từ môi trƣờng biển sang môi trƣờng cửa sông. Bằng chứng cho quá trình này đó là các dấu hiệu bào mòn và đào khoét lòng sông ở nóc tầng Phong Châu quan sát đƣợc trên mặt cắt địa chấn 89-1-62, 93-201… Và hiện tƣợng này cũng chỉ xảy ra ở các phần cao của bồn Sông Hồng, còn ở khu vực trung tâm giữa đứt gãy Sông Chảy và đứt gãy Sông Lô do bị chìm sâu nên không bị bào mòn cũng nhƣ đào khoét mà ở đó chỉ xảy ra quá trình chuyển hƣớng.
Giai đoạn bình ổn kiến tạo từ (16 triệu năm đến 5,5 triệu năm.)
Giai đoạn này cũng ứng với giai đoạn ngừng nghỉ hoạt động trƣợt bằng của đứt gãy Sông Hồng. Đầu giai đoạn này từ 16-11 triệu năm, nhìn chung mực nƣớc biển tăng gây ra hiện tƣợng biển lấn mà bằng chứng là hệ tầng Phù Cừ có diện phân bố lớn và các dấu hiệu của trục đồng pha cho thấy càng ngày các trục đồng pha càng tiến về phía rìa bồn và onlap trực tiếp vào đá móng.
Sau 11 triệu năm thì mực nƣớc biển lại hạ thấp và tạo ra một pha biển lùi. Bằng chứng về thành phần vật chất cho thấy các thành tạo của hệ tầng Tiên Hƣng trầm tích trong môi trƣờng đồng bằng châu thổ, tam giác châu ngập nƣớc. Trong hệ tầng Tiên Hƣng các tài liệu khoan đã phát hiện tới 15-20 vỉa than. So với hệ tầng Phù Cừ thì hệ tầng Tiên Hƣng đƣợc hình thành trong môi trƣờng nƣớc nông hơn. Ngoài ra quan sát trên mặt cắt địa chấn cho thấy hệ tầng Tiên Hƣng có diện phân bố nhỏ, các trục đồng pha bị cắt cụt ở phía trên ở khu vực rìa bồn.
Cuối giai đoạn này xảy ra một pha nén ép mạnh mẽ ở khu vực giữa đứt gãy Vĩnh Ninh và đứt gãy Sông Chảy phía Tây Bắc bồn. Quá trình nén ép này làm cho các thành tạo trƣớc đó bị uốn nếp và nâng lên, đồng thời tạo ra nhiều đứt gãy nghịch. Các trầm tích ở phía trên (thuộc hệ tầng Phù Cừ - Tiên Hƣng) bị nâng lên khỏi mặt nƣớc và ở đó xảy ra hiện tƣợng bào mòn một cách mạnh mẽ. Bằng chứng cho pha uốn nghịch đảo kiến tạo này là tƣơng đối rõ ràng, quan sát trên các mặt cắt địa chấn 89-1-26, 93-23, 93-25, 89-1-62, 93-201 cho thấy các trầm tích của hệ tầng Phong Châu, Phù Cừ, Tiên Hƣng ở khu vực giữa đứt gãy Vĩnh Ninh và đứt gãy Sông Chảy bị uốn nếp mạnh, còn các trầm tích của hệ tầng Tiên Hƣng bị bào mòn gần hết, nó chỉ còn ở một số nếp lõm, còn các phần vòm của nếp lồi thậm chí còn có thể quan sát thấy sự bào mòn tới hệ tầng Phù Cừ.
Giai đoạn san bằng và bình ổn kiến tạo (5 triệu năm đến nay)
Sau pha nghịch đảo kiến tạo diễn ra quá trình san bằng những phân dị về mặt địa hình do pha nghịch đảo tạo ra và hình thành một lớp phủ có thế nằm thoải, tƣơng đối đồng nhất và không có sự phân cách giữa các bồn, nên có thể coi đây là tầng cấu trúc lớp phủ thềm lục địa chung cho toàn bộ các bồn của Việt Nam.