Начиная с каменноугольного периода, о стратиграфии осадочного чехла можно судить не только по результатам глубокого бурения, но и по многочисленным гидрогеологическим скважинам, поэтому они хорошо палеонтологически изучены. Каменноугольные отложения представлены всеми тремя отделами. Нижний карбон (мощность около 90 м) в нижней части сложен алевролитами и глинами, а выше – карбонатными породами визейского яруса. Мощность среднего карбона около 200 м, он состоит преимущественно из доломитов с прослойками глин и известняками в верхней части толщи. Верхний карбон (около 160 м) представлен в основном серыми и светло-серыми доломитами, тонкозернистыми, иногда органогенно-обломочными, мелкозернистыми которые переслаиваются со слабо доломитизированными желтовато- и светло-серыми известняками. В доломитах и известняках содержаться гнёзда и кристаллы гипса, а так же остатки брахиопод, пелеципод, фузулинид, кораллов и морских лилий. В верхней части верхнего карбона залегают светло-серые, желтовато- и зеленовато- светло-серые мелкозернистые, загипсованные доломиты, переслаивающиеся со светло-серыми, органогенно-обломочными, пористыми и кавернозными известняками; встречаются остатки древней фауны: брахиоподы и фузулиниды.
Отложения пермской системы представлены морскими лагунными отложениями нижнепермских ассельского, сакмарского и нерасчлененных артинского-кунгурского ярусов, а также верхнепермскими отложениями казанского (морскими) и татарского (континентальными) ярусов. На дневную поверхность пермские отложения не выходят, они повсеместно перекрыты нижним триасом [18].
В основании нижнего отдела пермской системы лежит ассельский ярус, мощностью около 30 м, который представлен серовато- и желтовато-белыми, мелко- и тонкозернистыми доломитами, слабо трещиноватыми с многочисленными гнёздами, кристаллами и редкими прослоями гипса и органогенно-обломочного известняка. Без следов перерыва на доломитах ассельского яруса залегает сакмарский ярус, имеющий мощность около 35 м. Он сложен светло-серыми, желтовато- и серовато-белыми, мелко- и тонкозернистыми доломитами с гнёздами и кристаллами гипса, слабо трещиноватыми и массивными, плотными и порывистыми. Трещины распределены горизонтально, имеют неровные поверхности. Доломиты сильно огипсованы, в их толще наблюдаются прослои известняков серовато- и желтовато-белых, мелкозернистых, органогенно-обломочных доломитизированных. Нерасчленённые артинские-кунгурские отложения (общей мощностью 70 – 80 м) сложены сульфатной толщей, литологически подразделяющейся на две пачки. Нижняя пачка (мощностью до 40 м) состоит из плотных голубовато-серых мелкокристаллических ангидритов и светло-серых кристаллических гипсов, содержащих прослои светло-серых мелкозернистых доломитов, мергелей и коричневых доломитизированных глин. В верхней пачке (до 40 м) прослои доломита отсутствуют, она сложена гипсами и ангидритами с единичными маломощными прослойками мергелей и глин. В верхней части пачки имеется 4 – 6 м слой чистого гипса.
Верхней отдел пермской системы, имеющий мощность около 110 м, состоит из двух ярусов. Из отложений казанского яруса на территории изучаемого района развит только нижнеказанский подъярус, который подвергается сильному размыву. Его мощность доходит до 33 м, сложенных в основном светло- и желтовато-серыми, тонко- и мелкозернистыми, органогенно-обломочными, огипсованными вторичными доломитами, образовавшимися за счет органогенно-обломочных известняков. В отложениях встречаются прослои гипсов, мергелей, известняков, а также многочисленные фаунистические остатки брахиопод, гастропод, мшанок, кораллов, пелеципод. Татарский ярус представлен нижним и верхним подъярусами. Уржумский горизонт нижнего подъяруса делится на нижнеустьинскую и сухонскую свиты общей мощностью 60 – 68 м. Отложения нижнеустьинской свиты (около 40 м) представлены преимущественно обломочными породами: алевролитами, переслаивающимися песчаниками и глинами. Алевролиты имеют блеклые коричневато-серые серо-коричневые цвета, разнозернистые, неравномерно глинистые, плотные с прожилками гипсов. Песчаники нижнеустьинской свиты коричневато-серые и серые, тонкозернистые; глины красновато- и серо-коричневые алевритовые, плотные. Породы огипсованы и доломитизированы, в них встречаются прослои мергелей, доломитов и гипсов. Сухонская свита сложена серовато- и красновато-коричневыми неравномерно песчанистыми глинами, участками аргиллитоподобными, с прослоями мергелей, алевритов, аргиллитов, доломитов, песчаников и песков. В отложениях мощностью 20 – 28 м содержится значительное количество остатков древней фауны: в основном филлоподов и остракод. Верхний подъярус татарского яруса представлен северодвинским горизонтом, залегающим на сухонской свите со следами размыва и конгломератом в основании. Мощность отложений, сложенных песками коричневыми, полимиктовыми, мелко- и тонкозернистыми, в различной степени глинистыми, с прослоями глин, составляет около 15 м в основании толщи. Залегающий конгломерат состоит из галек, песчаника и глинисто-карбонатных пород с остатками фауны остракод [12].
Отложения мезозойской эры представлены на территории изучаемого района только нижним триасом [Приложение 1].
Триасовая система представлена в районе обоими ярусами. Индский ярус имеет сложное литологическое строение. Он состоит из нескольких ритмичных пачек, в которых наблюдается или увеличение зернистости пород вверх по разрезу, от хорошо отмоченных глин через алевролиты к песчаникам, или, напротив, от рыхлых песчаников с карбонатным гравием к глинам. Индский ярус мощностью около 30м залегает на размытой поверхности верхней перми. Он сложен коричневыми и красновато коричневыми сильно песчанистыми, комковатыми, слабо карбонатными глинами с прослоями алевритов, песков и песчаников с органогенными включениями, характерными для нижнего триаса (остатками филлопод и остракод). Оленёкский ярус (мощность50 – 60м) представлен глинами с маломощными прослоями песчаников. В основании его залегает конгломерат мощностью 0,1 – 0,25м, состоящий из галек, песчаника и глинисто-карбонатных пород размером до одного сантиметра. Выше залегает толща серовато-коричневых, комковатых и плитчато-оскольчатых, алевритистых и песчанистых глин с прослоями алевритов, песчаников и алевролитов. В средней части глинистой пачки обнаруживается прослой оолитового известняка мощностью 0,4 – 1м, включающего большое количество гастропод. В отложениях также содержатся многочисленные остатки филлопод и остракод, изредка позвоночных. Более молодые отложения, кроме четвертичных, отсутствуют [24].
Четвертичные отложения распространены на территории изучаемого района повсеместно. Как правило, по своему генезису они могут быть отнесены к двум основным типам: ледниковому – гляциальному (лат. claciales– ледяной) и водно-ледниковый – флювиогляциальный (лат. fluvius– река). Ледниковый тип отложений связан с геологической деятельностью покровов льда в течение ледниковых эпох. Флювиогляциальные отложения обязаны своим происхождением водно-ледниковым потокам, они формировались преимущественно по периферии покровов льда, когда они значительно сокращались, вплоть до полного таяния. Флювиогляциальные формы образовывались и во время наступления ледника, но имели ограниченное распространение в пограничных регионах ледникового покрова и внеледниковых областей [11].
Многие положения теории четвертичных материковых оледенений до сих пор являются спорными. Не вполне понятны причины, обуславливающие ритмическое наступление и отступание огромных массивов льда, дискуссионным является вопрос о количестве циклов оледенений, однако, основные положения ледниковой теории сегодня представляются уже незыблемыми и находят однозначное решение у различных специалистов:
1. Древнее оледенение было. При этом оно являлось многократным: ледниковые и межледниковые эпохи чередовались друг с другом.
2. Древнее оледенение было глубоко своеобразным в различных местных природных условиях. Отмечаются некоторые местные особенности развития древних ледниковых форм в различных природных условиях.
По результатам проведения геолого-геоморфологических работ обнаружены следы трёх оледенений: днепровского, московского и валдайского. Кроме перечисленных генетических типов отложений широко развиты древний аллювий двух надпойменных террас, покровные суглинки на водоразделах, современные озерно-болотные и аллювиальные образования. Мощность четвертичной толщи изменяется от 20 до 80 м. [34].
Нижнечетвертичные отложения являются наиболее древними. Повсеместного распространения не имеют. На территории изучаемого района они, очевидно, представлено только водно-ледниковыми, аллювиальными, озерными и болотными отложениями нерасчлененными окско-днепровского горизонта (f, lglok– lldn), сложенного песками разнозернистыми с гравием и галькой, супесями, глинами и алевритами.
Среднечетвертичные отложения наиболее широко распространены на территории города. Они представлены сложным комплексом, в котором выделяются московская морена, а также флювиогляциальные образования днепровско-московского и московского горизонтов.
Днепровско-московский горизонты имеют мощность от 1 до 25м. Это водно-ледниковые, аллювиальные, озерные и болотные отложение нерасчлененные (f, lglldn– ms), сложенные флювиогляциальными светло-серыми песками разнозернистыми с гравием, галькой и валунами, с прослоями глин, суглинков и алевритов. Залегают они на дочетвертичных, как правило – триасовых, породах и перекрываются московской мореной. Образование отложений относится ко времени отступания днепровского и наступления московского ледника. Днепровско-московские (межморенные) отложения часто выходят на дневную поверхность.