miniatur|hochkant=2.6|Kernberge bei Jena: Relativ steil aufragende Kuppen aus Kalksteinen des Muschelkalks auf einem eher sanft ansteigenden Sockel aus Siliziklastika des Buntsandsteins
Die Geologie des Mittleren Saaletales wird bestimmt durch Sedimentgesteine der Germanischen Trias. Diese Gesteine und die daraus hervorgegangenen quartären Sedimente und Böden des Mittleren Saaletals bei Jena sowie der umliegenden Plateaus und Berge im Saale-Holzland-Kreis waren maßgeblich für die Entwicklung der Kultur und Wirtschaft dieser Region.
Frühe Bildungen Im späten Karbon vor mehr als 300 Millionen Jahren, als sich in einer Küstenebene, die sich vom heutigen Belgien über das nördliche Rheinland, Niedersachsen und Brandenburg bis nach Schlesien (Polen) zog, ausgedehnte Steinkohlenwälder ausbreiteten, waren im mittleren Deutschland gewaltige erdinnere gebirgsbildende Kräfte am Werk. Die Erdkruste wurde infolge einer Kontinentalkollision in große, von Südwesten nach Nordosten verlaufende Faltenzüge gelegt und angehoben (Variszisches Gebirge). Gleichzeitig mit der Hebung setzte an der Oberfläche die Abtragung ein, die in der darauffolgenden Zeit des Rotliegenden anhielt, wobei sich der Abtragungsschutt in größeren Senken innerhalb des Gebirges sowie im Gebirgsvorland ansammelte. Am Ende der Rotliegend-Zeit war das Variszische Gebirge weitgehend eingeebnet. Daran anschließend drang infolge von Absenkungen der Erdkruste das Zechstein-Meer aus nördlichen Richtungen ins mittlere Deutschland vor (Zechstein-Transgression). Darin wurden Kalkstein, Mergel sowie Eindampfungsgesteine wie Gips und Steinsalz abgelagert. Kalkalgen und Moostierchen, die auf untermeerischen Schwellen günstige Lebensbedingungen fanden, bauten dort Riffe. Während im Orlatal mehrere solcher fossilen Moostierchen-Riffe zutage treten, wurde 1906 bei einer Erkundungsbohrung nach Steinsalz bei Porstendorf ein solches Riff in 600 m Tiefe erbohrt. Anhand der Bohlenwand bei Saalfeld, in der gefaltete dunkle Schiefer des Devons und Unterkarbons überlagert werden von hellen, horizontal liegenden Kalksteinschichten des Zechsteins, sind die erdgeschichtlichen Vorgänge des späten Paläozoikums nachvollziehbar.
Gegen Ende der Zechstein-Zeit zog sich das Meer zurück (Regression) und die Region wurde wieder Festland. Dem sich nachfolgend ablagernden Buntsandstein gehören die ältesten Gesteinsschichten an, die bei Jena zutage treten. Zusammen mit den darüberlagernden Gesteinseinheiten Muschelkalk und Keuper bildet der Buntsandstein die mehr als 200 Millionen Jahre alte Germanische Trias. Diese Gesteine bauen weite Teile der südlichen Hälfte Deutschlands auf, unter anderem auch das Thüringer Land zwischen Werra und Weißer Elster sowie zwischen Harz und Thüringer Wald (vgl. Thüringer Becken mit Randplatten).
Buntsandstein Der untere Buntsandstein, etwa 300 m mächtig, bildet einen breiten Streifen, der sich von Saalfeld bis Gera hinzieht und bei Jena erst in etwa 200 m Tiefe unter der Saaleaue angetroffen wurde. Der mittlere Buntsandstein (etwa 200 m mächtig) aber steht sogar innerhalb der Stadt Jena an. Es ist ein fein- bis grobkörniger, zumeist rotbrauner und grauer Sandstein mit sehr wenigen Versteinerungen. In seinem untersten Teil enthält er viel Kaolin. Diese Kaolinschichten waren der Anlass für die Entstehung der Porzellanfabrikation in Kahla. Darüber liegen die Gervillienschichten, benannt nach einer kleinen Muschel, die in mehreren Bänken innerhalb dieser Schichten vorkommt. Die darüber folgenden Rothensteiner Schichten, aufgeschlossen am Trompeterfelsen bei Rothenstein, sind hellere, lockere Sandsteine mit dünnen Lagen rotbraunen Schiefertons. Die Schichten führen fast keine Fossilien.
Lockere, helle Sande wurden an tonarmen Stellen früher abgebaut und als Stubensand genutzt. Über diesen Rothensteiner Schichten liegt der etwa 50 m mächtige, dickbankige, zumeist dunkelrotbraune Sandstein. In vielen Brüchen wurden diese grobkörnigen Sandsteine früher als Bausteine gebrochen. Zwischen Kahla und Stadtroda bestehen die Grundmauern aus Sandstein (regional Bausandstein genannt). Innerhalb von Jena steht er am Felsenkeller der ehemaligen Brauerei an. Senkrechte Felswände zeigen nicht selten Tafoniverwitterung. Im oberen Teil sind U-förmige Wohnbauten von Würmern, die damals den Boden von Wassertümpeln bevölkerten, verbreitet (Diplocraterion luniforme).
miniatur|Rekonstruktion des Erzeugers der mit Chirotherium barthii bezeichneten Fährte (Bronzeplastik, Chirotherium-Monument, Hildburghausen)
Zur Solling-Folge, die den obersten Teil des Mittleren Buntsandsteins bildet, von einigen Autoren aber aufgrund ihres bereits relativ stark marin beeinflussten Charakters zum Oberen Buntsandstein gestellt wird, gehört der sogenannte Chirotheriensandstein, benannt nach dem darin relativ häufig enthaltenen Spurenfossil Chirotherium. Es handelt sich um Fußabdrücke und Fährten von Reptilien, aus denen im weiteren Verlauf der Trias die ersten Dino- und Flugsaurier sowie die Vorfahren der heutigen Krokodile hervorgingen. Die Spuren als Abgüsse („Reliefs“) auf Unterseiten von Sandsteinschichten wurden am Talstein, bei Waldeck und zwischen Großbockedra und Schiebelau gefunden. Der etwa 20 m mächtige, graue bis weiße, karbonatreiche Sandstein streicht innerhalb des Stadtgebietes am Burgweg, vor den Teufelslöchern und am Felsenkeller aus. Außerdem bildet er den Untergrund des Marktes und der Stadtkirche. Vielfach kommen darin Lagen fleischroten Karneols und Pseudomorphosen nach Steinsalz vor. Auf Schichtflächen befinden sich Wellenrippel und Ausfüllungen von Trockenrissen („Netzleisten“). In der Schichtenfolge treten auch braun- bis schwarzfleckige und streifige Sandsteine (regional Tigersandstein genannt) auf. Festere kugelartige eisen- und manganreiche Gebilde geben dem Sandstein bei der Verwitterung häufig eine streuselkuchenähnliche Oberfläche (am Burgauer Schlossberg). Aus anderen Orten Thüringens sind in der Schichtenfolge versteinerte Schachtelhalme, Bärlappgewächse, Farne und Nadelhölzer bekannt geworden. Die fast reinweißen Sandsteine zwischen Jenertal und den Teufelslöchern wurden in den tiefen Nischen in der Felswand als Stubensand abgebaut.
Der gesamte Mittlere Buntsandstein ergibt einen lockeren Boden, der meist mit Nadelwäldern bedeckt ist und sich da, wo tonige Zwischenlagen vorhanden sind, gut für den Feldbau eignet. Die festeren Partien bilden stellenweise felsige Steilhänge, z. B. Rabenschüssel und Felsenberg bei Maua sowie Trompeterfelsen bei Rothenstein.
Der Mittlere Buntsandstein gilt als eine festländische Ablagerung. Der Verwitterungsschutt ist aus südlichen und südöstlichen Richtungen gekommen. Die Kräfte Wind und Wasser haben den Gesteinsschutt in dem großen deutschen Buntsandsteinbecken ausgebreitet. In Binnenseen und weitspannigen Tümpeln mit wechselnder, geringer bis fehlender Wasserbedeckung wurden sowohl windgeschliffene Gerölle als auch Konglomerate abgelagert. Feinschichtung und Kreuzschichtung sowie Wirbelbildungen sind darin häufig. Der wüstenähnliche Charakter der Sedimentationsgebiete wird bezeugt durch die vielfach auftretenden roten Farben.
miniatur|Der Zugang zu den Teufelslöchern, ein bergbauliches Denkmal einer alten Gipsgewinnung
Rote Verwitterungsdecken befinden sich heute nur in den tropischen und subtropischen Gebieten. Im Großen und Ganzen gesehen herrschten zur Buntsandsteinzeit etwa ähnliche Verhältnisse wie heute in Steppen- und Halbwüstengebieten.
Nach der Ablagerung des Chirotheriensandsteins rückte von Nordosten wiederum ein flaches, stellenweise ausgetrocknetes Meer heran. Die Schichten des Oberen Buntsandstein (Röt: etwa 100 m) werden in der Nähe der Basis eingeleitet durch ein etwa 10–20 m mächtiges Gipslager. Die Abscheidung des Gipses erfolgte offenbar in kleineren, fast gänzlich abgeschnürten flachen Buchten, in denen das verdunstende Wasser nur mehr oder weniger episodisch durch Zufluss vom Meere her ergänzt wurde. Der Gips tritt weißlich bis grau und rötlich, grobkristallin als Gipsspat und Fasergips (Teufelslöcher) und dicht mit zahlreichen dunklen Einzelkristallen darin als so genannter Jenaer Alabaster (Katzenwinkel bei Kunitz) auf. Letzterer wurde gelegentlich als Dekorationsgestein verwendet (Treppenverkleidungen und Wandbelag im Universitätsgebäude). Früher wurde der Gips zum Beispiel an der Gembdenmühle gebrochen. Dort wurde er zu Maurergips gebrannt. Der feine, zerriebene Fasergips diente als Streusand zum Tintelöschen. An den Teufelslöchern und am Erlkönig fällt die starke Faltung der Gipsschichten auf. Die Umwandlung von kristallwasserfreien Anhydrit in den kristallwasserhaltigen Gips bedingt eine Volumenvergrößerung. Die Gipsschichten können sich dadurch gefaltet haben. Infolge Auslaugung durch das Wasser bilden sich mancherorts Hohlräume und Erdfälle.
Röt miniatur|Salzgewinnungsanlagen im Gradierwerk von Bad Kösen (heute Technisches Denkmal)
Als Röt bezeichnet man die tonigen, oft gipshaltigen Schichten des Oberen Buntsandsteins. Die fossilfreien Gipstone des Unteren Röts leiten über zu grünlichgrauen und schwärzlich-grauen Mergeln und Schiefertonen, die noch oft von Fasergipsbändern durchzogen sind. Es treten weiterhin noch mehrere dezimeterstarke Bänke von Dolomitsandstein und stark geschichtete Sandsteine auf. Die Dolomite führen in reichem Maße Versteinerungen von Muscheln, Schnecken, Ammoniten und Knochenresten. Erwähnenswert ist der sogenannte Sauriersandstein mit Nothosaurus-Knochen. Weiter oben wurde eine Dolomitbank nach dem an der Unterseite ansitzendem Krebswohnbau „Rhizocoralliumbank“ benannt. Es handelt sich um schrägliegende, offen sich kreuzende Wülste mit netzartiger Oberfläche. Die Schiefertone und Mergel wurden früher in der Ziegelei Wogau abgebaut. In der Landschaft ist der Untere Röt durch steilere Talhänge gekennzeichnet. Die Solequellen von Bad Kösen haben ihren Ursprung in Salzlagern des Unteren Röts.
Der darüber folgende, etwa 50 m mächtige Mittlere Röt besteht aus einer Folge von roten Mergeln, Schiefertonen, wenig Gipsschichten sowie Quarzit- und Dolomitbänkchen. Nur im oberen Teil treten wieder graue Mergel auf. Im Gelände, das heißt, an den mittleren Hängen des Saaletales bildet er sanfte Neigungen und liefert einen schweren Boden. Die im Unteren und Mittleren Röt austretenden Quellen enthalten vom Gipsanteil her viele Sulfate, so dass sie als Trinkwasser kaum in Betracht kommen.
miniatur|links|Am Jenzig befanden sich Coelestinbergwerke
Den oberen Abschluss bildet der etwa 15 m mächtige Obere Röt, früher als Myophorien- oder Coelestinschichten bekannt. Die Schichtenfolge besteht in der Hauptsache aus hellen Mergeln mit eingelagerten Kalkplatten und Lagen von Coelestin. An der Basis liegen zwei Bänke mit Glaukonitanteilen. Glaukonit ist ein grünliches Eisensilikat, das bei der Bildung von Meeressedimenten entsteht. Die Kalkplatten führen sehr viele Muscheln und Schnecken, die Schalenrücken mit der gewölbten Seite nach oben, was als die stabilste Lage der Muschelschalen bei der Ablagerung gilt. An der Südseite des Jenzig bestanden früher Stollen, in denen einst der Coelestin, ein himmelblaues faseriges, schweres Mineral, abgebaut und bei der Zuckerfabrikation verwendet wurde. Ein Coelestin-Vorkommen am Fuße des Dornburger Schlossfelsens war schon Johann Wolfgang von Goethe bekannt (Brief an von Leonhardt, 1816). Den Abschluss des Oberen Röts bilden zwei helle, plattige Kalke.
miniatur|Der Fürstenbrunnen im Pennickental bei Jena erschließt eine wasserreiche Schicht auf dem Mergel