A Bacia parisiense forma um grande conjunto de estratos sedimentares sucessivos. É um dos primeiros lugares que serviram de objeto duma carta geológica, inspirando homens como Georges Cuvier que firmaram as bases de numerosas teorias em geologia tais como a paleontologia e a anatomia comparada. Constituída há 41 milhões de anos, ela é uma bacia marinha epicontinental em repouso sobre um maciço datando do Paleozoico, nomeadamente, o Maciço de Vosges, o Maciço Central e o Maciço Armoricano. Com a formação dos Alpes, a bacia se deformou mas continuou aberta para o Canal da Mancha e para o Oceano Atlântico. Assim se prefiguraram as futuras bacias fluviais do Loire e do Sena. Ao final do Oligoceno, a bacia parisiense se torna continental.
Em 1911, Paul Lemoine mostra que a bacia é composta de estratos dispostos em depressões concêntricas.[37][38] Mais tarde, os estudos se aprofundaram na coleta de dados sísmicos; perfurações e poços permitiram desenhar cartas sísmicas precisas. Estes mesmos confirmam a disposição dos estratos em depressões concêntricas mas com objetos complexos, como as falhas. As formações do relevo parisiense se situam nos estratos do Mesozoico e do Paleogeno (era terciária) e foram elaboradas pela erosão.
O primeiro estrato datando da era terciária é constituído de aluviões do Sena de época moderna. Os depósitos mais antigos são de areia e de argila datando do estágio do Ypresiano presentes no 16º arrondissement de Auteuil até Trocadéro. Mas o estágio mais conhecido é o Lutetiano, rico em gipsita e em calcário.
O subsolo parisiense se caracteriza pela presença de numerosas pedreiras de calcário, gipsita e pedra de mó. Algumas foram usadas como catacumbas e formam o ossário do conselho, do qual uma parte está aberta ao público. O calcário foi explorado até o século XIV sobre a margem esquerda, da Place d'Italie até Vaugirard. Hoje em dia, a sua extração está deslocada mais para o Oise, em Saint-Maximin por exemplo. A exploração da gipsita era muito ativa em Montmartre e em Bagneux.
A hidrogeologia é muito influenciada pela urbalização. O Rio Bièvre, pequeno afluente do Sena que um dia modelou toda a margem esquerda, foi coberto no século XIX por razões higiênicas. Numerosos riachos subterrâneos estão presentes no subsolo parisiense, como os de Auteuil, os quais fornecem uma fonte de água subterrânea para a cidade. O riacho albienne é o mais conhecido da região e tem sido explorado por Paris desde 1841 pelos poços artesianos de Grenelle.
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