Hamburgs geologischer Untergrund wurde durch unterschiedliche geologische Prozesse der norddeutschen Vergletscherung gebildet. mini|350px|Schematische Darstellung der maximalen Gletschervorstöße der drei letzten Kaltzeiten im norddeutschen Tiefland:
Landschaftsgenese Elster-Eiszeit In der Elster-Eiszeit (vor 400.000 bis 320.000 Jahren) schnitten Schmelzwassererosionen bis zu 400 Meter tiefe Rillen in den Hamburger Untergrund ein, die sich anschließend mit Sanden verfüllten. Sie bilden heute die wichtigen Grundwasserleiter für Hamburg.Klaus Schipull: Hamburg: Stadt und Hafen - Umland und Küste. 37 geographische Exkursionen (Hamburger Geographische Studien), Heft 48, Institut für Geographie der Universität Hamburg, 1. Januar 1999.Klaus Schipull: Die Naturlandschaften im Großraum Hamburg – kurze Erläuterung zu einer Übersichtskarte (Seite 1–7 in "Hamburg: Stadt und Hafen").Jürgen Ehlers: Das Quartär im Hamburger Raum (Seite 9–19 in "Hamburg: Stadt und Hafen").
Saale-Eiszeit mini|Ausdehnung des Elbe-Urstromtals im Hamburger Bereich
Während der Saale-Eiszeit (vor 300.000 bis 126.000 Jahren) drang der skandinavische Inlandeisschild bis nach Niedersachsen vor. Die abgelagerten Geschiebemergel, die überwiegend aus Sanden, Kiesen und Geschiebelehm bestanden, formten zu beiden Seiten des Elbtals ein flachwelliges bis ebenes Geestgelände in Höhen zwischen 20 und 60 Meter über NN. Herausragende Erhebungen im Hamburger Raum sind der Blankeneser Höhenrücken mit dem Baursberg von 91 Meter und dem Süllberg von 74 Meter und die Harburger Berge bis zu 155 Meter Höhe.
Ausgedehnte Niederungen mit den sandigen Böden und hohen Wasserständen ließen nördlich der Elbe eine Vielzahl bis zu 8 Meter mächtiger Hochmoore entstehen, wie das Liether Moor (bei Elmshorn), Himmelmoor, Holmmoor, Ohmoor, Glasmoor, Wittmoor und Eppendorfer Moor.
Weichsel-Eiszeit Ende der letzten Eiszeit (Weichsel-Kaltzeit von 115.000 bis vor 11.600 Jahren) drangen Gletscher aus Skandinavien bis zu einer Linie nördlich der Elbe vor. Das Urstromtal der Elbe diente als Abflussbahn des weichselzeitlichen Schmelzwassers entlang der Gletscherendmoräne. Durch die Abflussbahnen des Schmelzwassers wurden umfangreiche Talsysteme in die Geestböden eingeschnitten, wie die der Alster, Bille, Wandse und Pinnau. Mit dem Elbtal bestimmen sie heute noch die geomorphologische Landschaftsform Hamburgs.
Die zur Nordsee abfließenden Schmelzwassermassen hinterließen große Mengen von Ablagerungen überwiegend aus Klei, Torf und Sand. In der Folge entstanden ausgedehnte Sandschichten, die als Grundwasserleiter wirken und heute für die Hamburger Trinkwasserversorgung von großer Bedeutung sind. Die organischen Ablagerungen leiteten die Ausbildung von Braunkohle- und Erdölvorkommen ein.
Mit dem Wiederanstieg des Meeresspiegels zum Ende der letzten Eiszeit kam es zum gezeitenabhängigen Eindringen des Nordseewassers in das Elbtal. Flusslauf-Verlagerungen, Uferwallbildungen und Stromspaltung ließen im Marschland zwischen der Norder- und Süderelbe Strominseln (Werder) entstehen, die den Stadtteilen Finkenwerder, Altenwerder und Ochsenwerder ihre Namen gaben.M. Haacks, B. Pflüger, D. Thannheiser: Dove Elbe und Bergedorf – Landschaftsgenese, Vegetation und Landnutzung (Seite 225–238 in "Hamburg: Stadt und Hafen").
Durch Eisstausee-Sedimente entstand bei hohen Grundwasserständen die ausgedehnte Oberalstertalniederung mit dem zentralen Duvenstedter Brook.
Die Schmelzwasserabflüsse unterhalb der Gletscher formten sogenannte Tunneltäler. Im Osten Hamburgs entstand das Stellmoorer TunneltalNaturschutzgebiet - NSG Höltigbaum, NSG Stellmoorer Tunneltal, Behörde für Umwelt und Energie.Wanderkarte NSG Höltigbaum. mit einem kastenförmigen Querschnittsprofil und einer wechselnden Breite von 100 bis 400 Meter. Sein Abfluss erfolgte überwiegend in die Wandse. Der mit Sedimenten und Torf aufgefüllte Talboden existiert heute noch. Die von dem deutschen Prähistoriker Alfred Rust zwischen 1935 und 1936 durchgeführten Ausgrabungen förderten jungsteinzeitliche Funde von Rentierjägern zu Tage, die auf ein Sommerlager der Jäger hinweisen. Das Verbreitungsgebiet wird mit Hamburger Kultur gezeichnet.Ulrich Alexis Christiansen: Hamburgs dunkle Welten – Der geheimnisvolle Untergrund der Hansestadt, Christoph Links Verlag, 1. Auflage, April 2008 (ISBN 978-3-86153-473-0).
Salzstöcke Vor etwa 260 Millionen Jahren (Oberes Perm) entstanden durch ein Wechselspiel von Auffüllung des Norddeutschen Beckens mit Meerwasser und der nachfolgenden Verdunstung in einem Zeitraum von 10 Millionen Jahren ausgedehnte Salzstöcke. In der Hamburger Region gibt es neun Salzstöcke (Salzdiapire) unterschiedlicher Form und Tiefe.Erdsenken in Hamburg, Schriftliche Kleine Anfrage, Drucksache 19/6773, 23.07.10 (mit Abbildung der Lage der Salzstrukturen im Raum Hamburg, aus Baldschuhn et al. 2001: Geotektonischer Atlas von NordwestDeutschland und dem deutschen Nordsee-Sektor). Der mächtigste Salzstock ist der Othmarschen Langenfelde Diapir (OLD). Er befindet sich im Nordwesten von Hamburg und erstreckt sich von der Elbe über etwa 20 km in nordöstlicher-Richtung bis nach Quickborn. Der Salzstock ist bis zu 3000 Meter tief, in einigen Gebieten reicht er bis in wenige Meter unter die Oberfläche.Friedrich Kausch: Geotechnische Charakterisierung des Hamburger Baugrundes mini|Bahrenfelder See mit einer Ausdehnung von 118 m
In der Mächtigkeit folgt der Salzstock am Reitbrook mit einer Ausdehnung von etwa 4 km und einer Tiefe von 800 Meter. Lage und Struktur der Salzstöcke im Hamburger Gebiet sind in einem geologischen 3D-Modell schematisch dargestellt (Geotektonischer Atlas von NordwestdeutschlandAusschnitt aus dem Geologischen Modell – Salzstöcke auf dem Gebiet der FHH ).
Im Umfeld des Hamburger Stadtgebiets liegen in Niedersachsen die Salzstöcke Sottorf und Meckelfeld sowie in Schleswig-Holstein die Salzstöcke Geesthacht-Hohenhorn, Siek-Witzhave und Sülfeld.Erdbeben, Einsturzbeben und Erdsenken in Hamburg, Jura Magazin.
Bei Kontakt des Salzstocks mit Grundwasser oder Sickerwasser kommt es zu Auswaschungen, die große Hohlräume (Kavernen) im Salzstock bilden können.
Über dem Salzstock Othmarschen Langenfelde Diapir traten mehrere Erdfälle auf. Der Bahrenfelder See (Größe: 5130 m², Geländehöhe: NN + 24 m) ist auf diese Weise durch eine oberflächennahe Salzkaverne und einem folgenden Einsturz (Erdfallsee) entstanden.Der Bahrenfelder See, Hamburger Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt.A. Grube, F. Grube: Geomorphologie von Salzstöcken in Holstein – Salzstock Bahrenfeld (Seite 489–501 in "Hamburg: Stadt und Hafen").
Der Flottbek Markt Erdfall hat leicht geneigte Randstrukturen, die auf ein langsames Absinken hindeuten.
Der Wobbe See Erdfall, etwa 250 m nordwestlich von Flottbek Markt, zeigt steil stehende Randstrukturen, die ein abruptes Abrutschen der Bodenstruktur nahelegen. Mit der hochauflösenden Scherwellen-Seismik konnte die Struktur der Wobbe-See-Sinkhöhle in 60–80 m Tiefe unter der Oberfläche nachgewiesen werden.CharLotte Krawczyk, Ulrich Polom, Stefan Trabs, Torsten Dahm: High-resolution imaging of sinkhole structures in the city of Hamburg by urban shear-wave reflection seismics, Geophysical Research, Vol. 13, EGU2011-1302, 2011. In diesem Gebiet wurden Senkungsraten um 1 mm/Jahr ermittelt.Torsten Dahm, Sebastian Heimann: , Institut für Geophysik, Universität Hamburg, Wilhelm Bialowons, Deutsches Elektron-Synchrotron DESY, Hamburg, 23. Juni 2009., Portal für Geoinformation, Geo-IT und Geodäsie.
In den vergangenen 200 Jahren traten im Hamburger Raum mehr als 30 seismische Erschütterungen – ausgelöst durch Erdfälle – auf, überwiegend in Groß Flottbek und Bahrenfeld:Erdbeben in Hamburg am 8. April 2000, Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt.Torsten Dahm: A seismological study of shallow weak micro-earthquakes in the urban area of Hamburg city, Germany, and its possible relation to salt dissolution, Natural Hazards, September 2011, Volume 58, Issue 3, Seiten 1111–1113.
Ereignisdatum Ort Intensität / Einstufung Ereignis 22.01.1760 Groß Flottbek - / C 08.08.1771 Hamburg IV / A Bei einem Erdfall in Bahrenfeld verschwanden fünf Eichen. 24.01.1834 Hamburg - / C 1896 Groß Flottbek - / C 07.11.1898 Hamburg - / C 1903 Groß Flottbek - / C 07.12.1904 Hamburg II-III / C 16.01.1907 Hamburg III / C 1912 Groß Flottbek - / C 1914–1918 Groß Flottbek - / C 1918–1921 Groß Flottbek - / C 06.10.1929 Groß Flottbek, Wobbe See schwach / A Schwacher Erdstoß 09.12.1930 - / C 10.04.1935 - / C 1936–1937 - / C 07.01.1938 Groß Flottbek, Wobbe See - / A Schwache Schäden, klaffende Risse im Mauerwerksschäden, umgestürzte Möbel. 1947 - / C 1955 - / C 19.03.1960 Groß Flottbek stark / A Starke Erschütterungen und Stöße, langanhaltende, starke Schwingungen, Risse in den Wohnungsdecken, Verlöschen des elektrischen Lichts. 1961 - / C 30.01.1963 Groß Flottbek schwach, 3–5 cm/s / A Leichte Erdstöße, tiefes Poltern, schwankende und schaukelnde Häuser. 07.01.1983 Schwache Erdstöße, umgestürzte Möbel, Risse im Mauerwerk. 08.04.2000 Groß Flottbek IV / A Starke Erschütterungen, explosionsartige Geräusche. 08.04.2009 Groß Flottbek III / A Stark empfundene Erschütterungen, Menschen verlassen ihre Häuser, nach ca. 1 Stunde Nachbeben. Ein Kavernen-Einbruch unterhalb des Epizentrums in einer Tiefe von etwa 100 m wird angenommen. 28.04.2009 Groß Flottbek schwach / A Schwache Erschütterungen. (Einstufung der Quelle: A-vertrauenswürdig, C-unsicher)
Sandschichten als Grundwasserleiter Ende der letzten Eiszeit entstanden durch Ablagerungen der bis Hamburg reichenden Gletscher Sandschichten, die von 500 Meter Tiefe bis wenigen Metern unter die Oberfläche reichen. Sie bildeten auf Hamburger Gebiet sechs GrundwasserleiterGrundwasserschutz in Hamburg (Schematische Darstellung der Grundwasserleiter), Behörde für Umwelt und Energie - Wasserwirtschaft. und bescheren Hamburg eine autarke Grundwasserversorgung, ohne dass Hamburg auf zusätzliches Uferfiltrat – wie es bei vielen anderen Großstädten der Fall ist – angewiesen ist.
Bei den ersten Bohrungen zur Trinkwassergewinnung trat das Wasser unter hohem Druck aus den Grundwasserleitern springbrunnenartig aus. Heute tritt dieses Phänomen, das als artesisches Grundwasser bezeichnet wird, nicht mehr auf, da durch die permanente Grundwasserentnahme der unterirdische Wasserdruck gesunken ist.
Die Trinkwasserversorgung Hamburgs und des Hamburger Umlands erfolgt heute ausschließlich aus dem Grundwasser und wird von 17 Grundwasserwerken mit insgesamt 461 Brunnen aus Tiefen zwischen 20 und 429 Metern erbracht., Behörde für Umwelt und Energie., Behörde für Umwelt und Energie.
Hamburg verfügt über ca. 630 Grundwassermessstellen der Behörde für Umwelt und Energie sowie ca. 390 Grundwassermessstellen der Hamburger Wasserwerke.Grundwassergleichen Erläuterungen zu den Grundwassergleichenplänen, Behörde für Umwelt und Energie - Wasserwirtschaft, Jan. 2014. Die Ausdehnung und Tiefen der Hamburger Grundwasserleiter sind in einem hydrogeologischen 3D-Strukturmodell dargestellt. Es dient zur Gefährdungsabschätzung des oberflächennahen Grundwassers, um mögliche Fließwege von der Oberfläche bis zum Grundwasser zu erkennen oder beim Eindringen von Schadstoffen in den Boden.Der tiefere geologische Untergrund von Deutschland, Vorlage für die Kommission „Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe“ Hannover, Oktober 2014.Hydrogeologisches Modell des mitteltiefen Untergrundes, Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt, Hamburg.
Tabelle: Hamburger geologische Formation und Wasserwerke (nach E. Koch 1955, W. Drobek 1948 und 1955, aus Hans-Jürgen Gäbler: Baugrund und Bebauung Hamburgs – Der Einfluss des natürlichen Untergrundes auf die Entwicklung einer Welthafenstadt, Hamburger geographische Studien, Heft 14, Institut für Geographie und Wirtschaftsgeographie der Universität Hamburg, 1962., ergänzt um technische Daten zum Grundwasserkörper und zur Brunnentiefe von 2009 der Behörde für Umwelt und Energie)