De geologie van Vlaanderen en de aangrenzende gebieden in Noord-Frankrijk en noord(west) Wallonië is het gevolg van tektonische, sedimentaire en uitzonderlijk ook vulkanische gebeurtenissen en processen die over een tijdspanne van honderden miljoenen jaren plaatsvonden. Daarbij bevond Vlaanderen zich initieel in een stabiele tektonische positie op het Massief van Brabant, maar later steeds vaker in de overgangszone tussen de robuuste massieven in het zuidoosten (Ardennen) en de wegzakkende bodem in het noorden (West-Nederlands Bekken).
Cambrium en Ordovicium miniatuur|Posities van Avalonia (groen), Baltica (paars) en Laurentia (blauw) in het huidige Europa Het oudste gesteente van Vlaanderen bevindt zich in de sokkel van het Massief van Brabant. Het betreft afzettingen uit het Cambrium, Ordovicium en Siluur. De oudste lagen zijn circa 540 miljoen jaar oud, uit het vroege Cambrium. Hoewel dat ontzagwekkend oud is, beslaat de hele geologische geschiedenis van Vlaanderen slechts een klein deel (ongeveer 11%) van de totale ouderdom van de Aarde. Dit inzicht maakt het geologische begrip van 'diepe tijd' tastbaar. Gesteentelagen uit het Cambrium, Ordovicium en Siluur zijn tijdens de Brabantse fase scheefgesteld, geplooid en door breuken verzet. Ze liggen vaak innig in elkaar geplooid zodat het lastig is de oorspronkelijke volgorde te bepalen.
Op de meeste plekken bevindt het Massief van Brabant zich diep in de ondergrond, maar het wordt in een smalle strook ten zuiden van Brussel soms aan het oppervlakte aangetroffen. Het gaat dan meestal om locaties langs de lopen van riviertjes, waar een waterloop jonger gesteente heeft weggesleten. De oudste lagen, de Formatie van Blanmont, liggen in de buurt van Halle, in de Zennevallei ten zuidwesten van Brussel aan het oppervlak.
Het stukje aardkorst waar Vlaanderen destijds lag wordt het Avalonterrein genoemd. Het lag in het Cambrium aan de noordzijde van het continent Gondwana, in de zuidelijke hemisfeer. Tijdens het Cambrium begon de noordelijke rand van Gondwana los te breken. De aardkorst bewoog naar beneden waardoor een riftbekken ontstond. Daarin werden duizenden meters dikke lagen siliciklastisch sediment afgezet, vaak in de vorm van turbidieten. Het Cambrium bestaat in Vlaanderen uit een dik pakket kwartsiet, siltsteen en donkere leisteen of schalie. Fossielen uit het Cambrium zijn in België zeldzaam, maar sommige lagen werden gedateerd aan de hand van sporenfossielen en planktonachtige microfossieltjes, zoals acritarchen en groenwieren.
In het begin van het Ordovicium (± 475 miljoen jaar geleden) veranderde de rift in een drift: het Avalonterrein was een zelfstandig microcontinent (Avalonia) geworden en op de plek van de rift groeide een oceaan. Dat ging gepaard met thermische opheffing, waardoor de zee zich terugtrok. In de gesteentelagen uit zich dat als een hiaat in het Onder-Ordovicium.
Avalonia bewoog tijdens het Ordovicium en Siluur noordwaarts richting Baltica en Laurentia. Het in Vlaanderen voorkomend gesteente uit deze periodes ontstond in de diepe zee aan de zuidelijke rand van Avalonia. Er komen veel turbidieten in voor, die langs de onderzeese continentale helling vormden. Ook komt plaatselijk in diep, zuurstofarm zeewater afgezette donkere schalie en moddersteen voor. Vergeleken met het Cambrium zijn er meer fossielen bewaard. Voorbeelden zijn brachiopoden, koralen, bryozoën, deeltjes van zee-egels en trilobieten. Als gidsfossiel worden graptolieten en chitinozoën gebruikt.
Siluur Tegen het einde van het Ordovicium (± 445 Ma) naderden Avalonia en Baltica elkaar dankzij subductie van de tussenliggende Thornquistoceaan onder de oostelijke rand van Avalonia. Als gevolg hiervan kwam het op vrij uitgebreide schaal tot vulkanisme, met als belangrijkste voorbeelden de vulkaanpijp van Quenast en de intrusie van Lessen, beiden bekend voor de productie van kasseien. In Vlaanderen was het vulkanisme geconcentreerd rond Roeselare. Verder komen doorheen de Formatie van Madot vulkanische deeltjes en kristallen voor. Ondertussen lag Vlaanderen nog steeds onder zeeniveau en werd voornamelijk zand, silt en klei afgezet.
In het Siluur en Vroeg-Devoon botsten finaal de continenten Avalonia en Baltica tegen elkaar, later gevolgd door het continent Laurentia, om uiteindelijk een groot continent te vormen: Laurussia. De botsing ging gepaard met gebergtevorming van de Caledonische orogenese. Deze is voornamelijk in het noorden van Europa te herkennen (Scandinavië en de Britse Eilanden). De gebergtevorming in het noorden had tot gevolg dat de aardkorst doorboog met als gevolg bodemdaling in Vlaanderen. Als gevolg is het Siluur uitzonderlijk dik. Deels bestaat het uit machtige turbidietafzettingen, zoals de siltsteen en schalie van de Formaties van Corroy, Vichenet en Ronquières. Verder naar het westen is in dezelfde periode de anoxische zwarte graptolietenschalie van de Formatie van Deerlijk afgezet. Dat laat zien dat buiten de troebelingsstromen langs de helling van de snel verzakkende zeebodem ook rustige omstandigheden voorkwamen.
Als gevolg van de Caledonische orogenese kwam het Massief van Brabant aan de zuidelijke rand van Laurussia te liggen. Vanaf ± 430 Ma vormde zich een subductiezone waarlangs terreinen vanuit het zuiden op het gebied in bewogen. De druk veroorzaakte opheffing van de korst. Grote delen kwamen boven zeeniveau te liggen en de sedimentatie stopte. Het dikke sedimentpakket uit het Cambrium, Ordovicium en Siluur werd daarbij geplooid, omhooggestuwd, scheefgesteld en licht gemetamorfoseerd. Dit proces wordt de Brabantse fase genoemd (410-380 miljoen jaar geleden). Het Massief van Brabant werd een harde accretiewig die nadien als het ware de ruggengraat van de Vlaamse geologie zou gaan vormen.
Devoon en Carboon
Het Devoon en Carboon vormen de grote overschuivingseenheden van de Ardennen, maar zijn in de Vlaamse bodem nauwelijks vertegenwoordigd. Het Devoon ligt pas ten zuiden van de lijn Nijvel-Luik aan het oppervlak in de vorm van het Bekken van Namen, dat over de zuidelijke rand van het Massief van Brabant ligt. Het Devoon en Carboon komen ook voor langs de noordelijke rand van het Massief van Brabant - in het Bekken van de Kempen en het West-Nederlands Bekken, waar het echter zeer diep onder de Tertiaire en Kwartaire bedekking ligt.
Al vanaf het begin van het Devoon kreeg het Caledonisch gebergte te maken met stevige erosie. Aan beide zijden van de bergketen werden de typische rode conglomeraten en arenieten gevormd, erosieproducten van het Massief van Brabant. Deze afzettingen komen in een groot deel van West-Europa in de ondergrond voor en staan bekend als Old Red Sandstone. In sommige bekkens van Schotland is deze wel meer dan 10 kilometer dik. In het Bekken van Namen komen vergelijkbare afzettingen voor als het veel dunnere conglomeraat en zandsteen van de Groep van Bois de Bordeaux. Ze bedekken het afgevlakte Siluur van het Massief van Brabant met een opvallende hoekdiscordantie. De rode kleur kent z'n oorsprong in het aride tot subtropische klimaat dat over Laurussia heerste, wat leidde tot de vorming van lateriet, een bodemsoort met een duidelijk rode kleur. Sinds het Cambrium was Avalonia gestaag naar het noorden opgeschoven en intussen lag het op een tropische breedtegraad. miniatuur|De rotsen van Waulsort, een in Wallonië dagzomend voorbeeld van een kalksteenmassief ontstaan uit mud mounds.
Vanaf het Midden-Devoon nam de hoeveelheid erosiemateriaal van het inmiddels afgevlakte Massief van Brabant sterk af. In de tropische zeeën ten noorden en ten zuiden van het massief waren de omstandigheden daarom ideaal voor het neerslaan van kalk, zowel biologisch als biochemisch. Tot en met het Vroeg-Carboon ontwikkelden zich zo met name in het Bekken van de Kempen net zoals in de Ardennen gigantische mud mounds, een soort koraalriffen opgebouwd uit crinoïden, die uiteindelijk werden omgevormd tot kalksteenmassieven.
Hercynische orogenese miniatuur|De steenkoolgebieden in en rond Vlaanderen. De genummerde mijnen waren nog actief in 2012. In 2018 sloot echter de laatste Duitse steenkoolmijn. Tijdens het Laat-Carboon naderde vanuit het zuiden de invloed van de Variscische of Hercynische gebergtevorming, resulterend uit de botsing tussen Gondwana en Laurussia. Hoewel Vlaanderen uiteindelijk net buiten schot zou blijven, veroorzaakte het plots aan de zuidoostgrens oprijzende gebergte wel een overbelasting van de lokale sedimentatiebekkens, met name het Bekken van de Kempen. Immers, hoewel in Vlaanderen door het nabije gebergte een voorlandbekken gevormd werd, was de aanvoer van afbraakmateriaal van datzelfde gebergte zeer hoog, waardoor inzakking en opvulling elkaar, op een initiële opvulcyclus na, in evenwicht hielden. De zee en koraalriffen verdwenen, en het gebied werd een uitgestrekt deltagebied, waarin een soort mangrove groeide. Het tropische klimaat maakte de productie van een enorme hoeveelheid plantaardig materiaal mogelijk. De afgestorven plantenresten werden onder het kalme water opeengehoopt en van de lucht afgesloten zodat ze niet verrotten. Eens dit organisch materiaal voldoende diep was begraven, werd het omgevormd tot steenkoollagen, die in de Limburgse Kempen uitgebaat werden in Beringen, Eisden, Houthalen, Waterschei, Winterslag, Zolder en Zwartberg.
Perm-Trias-Jura Bij het aanbreken van het Perm had zich het supercontinent Pangea gevormd. Vlaanderen veranderde door de centrale positie op het supercontinent in een dorre vlakte. Iets meer noordelijk, in Noord-Nederland en Noord-Duitsland, waar altijd al een voorloper van de Noordzee had gelegen, droogde deze nu regelmatig uit en liet dikke zoutafzettingen achter. In Vlaanderen viel de sedimentatie tijdens het Perm echter quasi volledig stil, enkel het noordoosten van Antwerpen en Limburg kenden wat fluviatiele sedimentatie. Die situatie bleef in stand tijdens het Trias, terwijl Pangea langzaam uiteen scheurde door de vorming van de Atlantische Oceaan. Als gevolg van deze Atlantische rifting ontstonden ook secundaire zwaktezones op het continent, gekend als slenken. De belangrijkste van deze slenken zou uiteindelijk evolueren naar de Noordzee. Twee zuidoostelijke uitlopers daarvan, de Rijnslenk en de Roerdalslenk, zijn eveneens van belang voor de verdere geologische geschiedenis van de Lage Landen. Vanaf het Jura steeg de zeespiegel nadrukkelijk en kwam volledig Vlaanderen weer onder water te staan. Fijne mariene kleien werden afgezet. Door de nadien volgende Kimmerische opheffing werden deze afzettingen echter over heel Vlaanderen weer geërodeerd, behalve in de vanaf toen sterk inzakkende Roerdalslenk.
Krijt miniatuur| Krijtontsluitingen Albertkanaal insnijding van Kanne Ongeveer 100 miljoen jaar geleden lag Vlaanderen op de breedtegraad waar zich nu de Middellandse Zee bevindt. De zeespiegel stond ook meer dan 100m hoger dan heden ten dage. Enkel bergketens zoals de Ardennen, het Zwarte Woud en het Centraal Massief staken nog boven het zeewater uit, de Alpen bestonden nog niet. De aanvoer van sedimenten was dan ook gering. Dit waren ideale omstandigheden voor de productie van biogene kalkstenen, zoals het typische krijt waaraan deze geologische periode z'n naam dankt. miniatuur|Mergelgrot te Zichen-Zussen-Bolder (Riemst). In België vindt men dergelijke krijtgroeves onder meer ook in Kanne, Vechmaal, Lanaye en Folx-les-Caves