La Foresta Nera ha una storia geologica appassionante. In alcune zone si trovano le più antiche rocce della Germania, che hanno oltre un miliardo di anni.
Nella zona che oggi corrisponde alla Foresta Nera le montagne si sono ripetutamente innalzate e spianate. Ancor oggi gneiss e altre rocce simili testimoniano questi eventi. I graniti della Foresta Nera, che risalgono a circa 320 milioni di anni fa, sono stati formati dalla orogenesi ercinica (varìsica). Questa catena montuosa, le cui cime raggiungevano la quota di migliaia di metri sul livello del mare, circa 250 milioni di anni fa è stata interamente livellata. Si formò una depressione in cui – in un periodo compreso tra i 250 e i 240 milioni di anni fa – si formarono le arene e i detriti di quelle che oggi sono le arenarie variegate. In quel tempo la Foresta Nera era (con l'eccezione di alcune oasi) un deserto brullo e vuoto. Poi il mare cominciò a inondare questo deserto. Dal fango si formò l'odierno calcare conchilifero. Le rocce di graniti e gneiss sono state successivamente coperte, 150 milioni di anni fa, da possenti strati di arenaria variegata, calcare conchilifero, keuper.
Circa 65 milioni di anni fa accadde poi qualcosa di decisivo per la Foresta Nera di oggi: la fossa renana superiore sprofondò mentre i Vosgi e la Foresta Nera si innalzarono di oltre 1.000 metri. Così gli strati superiori di arenaria e calcare si sono rotti. Essi sono stati spianati dai ghiacciai, dalle precipitazioni e dal vento o da smottamenti laterali: circa 2,5 milioni di anni fa in alcune zone della Foresta Nera le formazioni rocciose sono emerse nuovamente in superficie.
Graniti e gneis sono ancor oggi visibili nella zona meridionale e sudoccidentale del Parco. Nella zona centrale lo strato geologico superficiale presenta soprattutto pietra arenaria. Nella zona orientale e settentrionale del Parco le pietre arenarie sono ricoperte da calcare conchilifero, su cui si sono formati terreni particolarmente adatti all'utilizzo agricolo.
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