An der Nordspitze des Erzgebirges gelegen, bilden die Gneise der Freiberger Kuppel die Unterlage des nur 10 km im Querschnitt messenden Tharandter Waldes. In seiner geologischen Entwicklung spiegelt sich die gesamte Erdgeschichte Sachsens. Der klassische Stockwerksbau, komplett mit Grund-, Übergangs- und Deckgebirge, kann hier stellvertretend und auf kurzem Wege studiert werden. Neben den Erzgebirgsgneisen bilden Gesteine des Nossen-Wilsdruffer Schiefergebirges (Ordovizium bis Devon) das Grundgebirge. Während der Zeit des Rotliegenden kam es im Bereich der Elbezone zu Blattverschiebungen unter Dehnungsregime. Das führte zur Bildung des Döhlener Beckens und dessen Füllung mit dem Abtragungsschutt des variszischen Gebirges.
Die auffällige fast kreisrunde Form des Tharandter Waldes zwischen Freiberg und Freital verdankt seine Gestalt einer magmatischen Eruption mit nachfolgendem Calderaeinbruch im Permokarbon. Es kam zur Bildung saurer Ergussgesteine (Rhyolithe), die nach klassischer Lesart in den älteren quarzarmen Porphyr (zwei Drittel der flächenmäßigen Verbreitung) und den jüngeren Quarzporphyr unterschieden werden.
Nach einer Pause von 220 Millionen Jahren wartete die Erdgeschichte erneut mit einer Besonderheit auf, die Dank einer gnädigen Erosion im Bereich des Tharandter Waldes erhalten blieb. Auf der Rhyolithplatte sind Reste von kreidezeitlichen Gesteinen erhalten, die Teil der Sedimentation im Sächsischen Kreidebecken sind. Bevor das Meer des Cenomans über die Flanken des Erzgebirges spülte, entwässerte hier ein aus Böhmen kommender Fluss in Richtung des heutigen Elbtales. Großräumige Krustenbewegungen im Känozoikum manifestierten sich im Ohřegraben in einem intensiven Vulkanismus. Zu den am weitesten versprengten vulkanischen Bildungen dieser Zeit zählen die basaltoiden Gesteine von Ascherhübel, Landberg und Buchhübel im Tharandter Wald. Man geht heute davon aus, dass alle drei zu einer einheitlichen Ergussdecke mit Eruptionszentrum im Ascherhübel gehören. Mit einem Alter von etwa 10 Millionen Jahren sind die Basalte, die eigentlich Olivin-Augit-Nephelinite sind, sehr jung.
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