Die Geestgebiete
Das Oberflächenbild der Stadt Hamburg ist zunächst durch die höher gelegenen Geestflächen nördlich und südlich des Elbtals geprägt. Die Geest wurde während der vorletzten Vereisungsphase (Saale-Komplex, ca. 250.000 bis 127.000 Jahre vor Heute) durch die Gletscher gebildet und überragt die Elb-Marsch um bis zu einige Zehner Meter. Man spricht hier deshalb auch von einer Altmoränenlandschaft. Hier findet sich ein Wechsel von Geschiebelehmen und Sanden. Vorwiegend während der letzten Vereisung (Weichsel-Kaltzeit, ca. 115.000 bis 11.700 Jahre vor Heute) hat auf diesen Flächen eine Einebnung stattgefunden. Diese ist typisch für Altmoränenlandschaften und vielfältigen, geomorphologischen Prozessen (Wind, Frost, Niederschläge) geschuldet. So hat z. B. die Solifluktion, d. h. das Abrutschen von wassergesättigtem Sedimentmaterial auf dem unterlagernden Permafrost an Hängen, eine Abflachung bewirkt.
Die Geestgebiete sind im Norden Hamburgs durch einzelne, häufig Nordwest-Südost gerichtete Täler untergliedert, in denen die heutigen Vorfluter verlaufen. Viele dieser Hohlformen, die auf die Elbe als Vorfluter ausgerichtet sind, sind schon während der Saale angelegt worden. Dieses wird darin deutlich, dass die Ablagerungen der Eem-Warmzeit (127. bis 115. 000 Jahre vor Heute) in vielen dieser Hohlformen verbreitet sind.
Die südliche Geest im Bereich der Harburger Berge ist dagegen vollkommen anders strukturiert. Auf den Saale-zeitlichen Ablagerungen treten hier flächenhaft und teilweise in größerer Mächtigkeit Flugsande auf, die teilweise auch feineres Material enthalten können (Flottsand). Die Oberfläche dieses Geestabschnittes ist auf großen Flächen durch tiefe (Trocken-)Täler gekennzeichnet, die unter periglazialem Klima angelegt wurden. Heute sind sie trocken, da das Niederschlagswasser im sandigen Boden gut versickern kann. Am Übergang von der südlichen Geest zu Elbe-Urstromtal hat sich der so genannte Moorgürtel entwickelt. Dieses ist ein breiter Saum von Moorbildungen, der durch das zuvor in den Harburger Bergen versickerte, und im Talbereich wieder austretende Grundwasser gebildet wurde.
Die Jungmoränenlandschaft
Im Nordosten ist ein kleiner Teil der Stadtfläche, der durch die jüngsten Gletscher der Weichsel-Kaltzeit geformt wurde. Die Gletscher der Weichsel-Kaltzeit (ca. 20.000 Jahre vor Heute) erreichten den Nordosten von Hamburg bis auf eine Linie vom Wittmoor, über Sasel bis nach Rahlstedt. Dieser Jungmoränenbereich ist oft durch eine wellige Landschaft charakterisiert. Im übrigen Hamburg sind aus dieser Zeit überwiegend Sande in Hohlformen erhalten, sowie Flugsande, die aus dem Elbtal und anderen sandigen Flächen ausgeweht wurden. Von Bedeutung sind auch periglaziäre (d. h. eisrandnahe) Prozesse. Der weitflächig gefrorene Boden (Permafrost) führte mit seinen sommerlichen Auftauprozessen und Bodenfließen zur Einebnung des Reliefs.
Das Elbtal
Das Elbtal wurde in seiner heutigen Form ebenfalls während der Weichsel-Kaltzeit gebildet, und zwar durch die großen Schmelzwasser vor dem Inlandeis. Es hatte jedoch schon einen Vorläufer in der Jüngeren Saale-Kaltzeit. Am Ende der Weichsel-Kaltzeit, vor ca. 11.500 Jahren, kam es zu einer dauerhaften Erwärmung und zur Entwicklung einer dichteren Vegetationsdecke. Durch den Anstieg des Meeresspiegels und die gleichzeitige Erhöhung der Grundwasseroberfläche entwickelten sich in großen Bereichen Norddeutschlands Moore. In der mehrere Kilometer breiten Hohlform des Elbtals entstanden in den Jahrtausenden vor einer Eindeichung die Ablagerungen der flachen Elbmarsch. In den Überflutungsräumen wurden feinste Trübstoffe der Elbe abgesetzt. Bei dem abgesetzten Klei (vergesellschaftet mit Flusssand, Torfen und Mudden) wird auch von perimarinen Sedimenten gesprochen, da bei Ihrer Sedimentation die Gezeiten der Nordsee eine große Rolle spielen.
Tieferer Untergrund
Soviel zum oberflächennahen Untergrund. Für die geologische Entwicklung sind aber auch die älteren Gesteinsschichten von Bedeutung. Zu den Ältesten darunter zählen die Sedimente des Oberen Rotliegend und des Zechstein (ca. 270 bis 250 Millionen Jahre vor Heute). Damals herrschten in unserem Bereich trocken-heiße Bedingungen, ähnlich jenen in der Sahara heute, der bedingt durch die „Kontinentaldrift“ in der Nähe des nördlichen Wendekreises lag. Zu dieser Zeit kam es durch das Eindampfen von Binnenseen und Rand-Meeren zu mächtigen Salz- und Gipsablagerungen (Evaporite des Rotliegend und Zechstein). Salzablagerungen wurden hierbei in Mächtigkeiten von mehr als tausend Metern abgelagert. Durch überlagernde Sedimente stiegen Druck und Temperatur - es kam zum Aufstieg des spezifisch leichteren Salzes, teilweise bis an die Erdoberfläche (Salzstock Langenfelde-Othmarschen; Kallmorgen´sche Grube). Der Salzstock hat noch heute Einfluss auf die geologische Situation in der Nähe der Erdoberfläche, z.B. durch Erdfälle und Einsturzbeben.
Auch das Erdmittelzeitalter (Mesozoikum; 250 bis 66 Mio. Jahre) und das Tertiär sind bei uns im Untergrund ausgebildet und haben praktische Bedeutung. Die Sandsteine des Keupers sind z. B. Zielhorizont für eine mögliche geothermische Nutzung des Untergrundes Norddeutschlands. Der Rhät-Sandstein liegt z. B. im Osten Hamburgs in ca. 3.300 m Tiefe, in ihm ist ca. 130 Grad warmes Wasser nachgewiesen, welches zur Wärmeversorgung der Stadt verwendet werden könnte. Der Lias ist durch feinkörnige, schwarze Ablagerungen gekennzeichnet. Dieses unter sauerstoffarmen Sedimentationsbedingungen im Meer gebildete Gestein ist ein wichtiger Erdöl-Mutterhorizont. Eine Förderung von Erdöl findet aus den Oberkreide- und Tertiärablagerungen über dem Salzstock Reitbrook statt.
Im jüngeren Teil des Tertiärs (Braunkohlenzeitalter, 66 bis ca. 2,6 Mio. Jahre) entstanden in einem großen Delta-Bereich unter subtropischen Verhältnissen ausgedehnte Sandkörper mit Braunkohlen-Lagen, die heute unsere wichtigsten Grundwasserreservoire bilden. Durch Meeresspiegelanstieg wurden danach im Obermiozän Zehner Meter mächtige Tone, der so genannte Glimmerton gebildet. Dieser ist eine wichtige Schutzschicht für die tieferen Grundwasserleiter aus dem Braunkohlenzeitalter. Aus dem Pliozän sind nur örtlich Flusssande, die sogenannten Kaolinsande, erhalten, die zum Eiszeitalter überleiten.
Das folgende “Eiszeitalter” (Pleistozän) ist durch den Wechsel von kälteren und wärmeren klimatischen Abschnitten gekennzeichnet. Im Verlauf der Warmzeiten herrschten Umwelt- und Sedimentationsbedingungen, die den heutigen ähnlich waren. Während der Kaltzeiten lagen die Temperaturen mehrere Grade tiefer als Heute und Hamburg war mehrfach von Inlandeis bedeckt. Tatsächlich zeigte der erste, längste Teil des Eiszeitalters keine Vereisungen. Die älteste bisher flächenhaft nachgewiesene Vereisung ist die Elster-Kaltzeit vor ca. 400.000 Jahren, in der Geschiebemergel und andere glazigene Sedimente abgelagert wurden. Das Besondere an der Elster-Kaltzeit sind sicher die tiefen Rinnen, die durch abfließende Schmelzwässer unter dem Eis in den tertiären Untergrund „eingefräst“ wurden. Diese reichen bis zu ca. 450 m tief und besitzen große Bedeutung für die heutige wasserwirtschaftliche Nutzung. Während der Elster-Kaltzeit wurden die Rinnen wieder verfüllt, vorwiegend mit Schmelzwassersanden. Im oberen Teil der Rinnen ist der Lauenburger Ton verbreitet; eine Ablagerung aus Eisstauseen vor dem Elstereis. Diese bilden analog zum tertiären Glimmerton (bzw. mit ihm) eine wichtige hydraulische Barriere. Ablagerungen der folgenden Holstein-Warmzeit (ca. 300.000 vor Heute) sind im oberen Teil der Elster-Rinnen, aber auch andernorts verbreitet. Zum großen Teil handelt es sich um Meeresablagerungen, denn die Holsteinwarmzeit war deutlich wärmer als das jetzige Holozän und Hamburg daher zum großen Teil vom Meer bedeckt.
Während des folgenden Saale-Komplexes kam es - nach einer klimatisch wechselhaften Phase mit Wärme- und Kälteschwankungen - zu drei größeren Vergletscherungsphasen. Das Hamburger Stadtgebiet war dabei jedes Mal vollständig vom Inlandeis bedeckt. Der erste, sogenannte Drenthe-Vorstoß reichte bis in die Niederlande. Die Gletscher der mittleren Saale-Kaltzeit (Niendorf-Vorstoß) erreichten das westliche Schleswig-Holstein und Niedersachsen, der Fuhlsbüttler-Vorstoß stieß weit nach Niedersachsen vor. Die drei Vereisungsphasen hinterließen charakteristische Tills und Schmelzwasserablagerungen, die die Geestflächen dominieren und zumeist den Baugrund der Stadt bilden.
Sedimente der folgenden Eem-Warmzeit sind in Hamburg an vielen Stellen verbreitet. Die abgelagerten Torfe und Mudden (See-Ablagerungen) sind meist in Tiefen von 3-10 Meter vorhanden und bilden durch ihre Setzungsempfindlichkeit ein Risiko bei der Bebauung.
