L’aquifère principal de la nappe d’Alsace est constitué d’alluvions rhénanes d’origine alpine, pouvant s’étendre presque jusqu’au piémont vosgien. Sur les bordures, le long des collines sous-vosgiennes et dans les cônes de déjections des rivières des vallées vosgiennes, les alluvions d’origine vosgiennes sont plus grossières, plus argileuses et entrecoupées de niveau de loess et d’argiles.
Au Sud, entre Bâle et Mulhouse, les alluvions forment un chenal encaissé dans les marnes oligocène du Sundgau dit « Fossé de Sierentz », bien que son origine tectonique soit controversée. Les alluvions sont très grossières et les blocs supérieurs à 25 cm sont abondants. D’anciennes terrasses, aujourd’hui sur la bordure du Sundgau à quelques dizaines de mètres au-dessus de la plaine, témoignent du soulèvement de cette région au Quaternaire.
- Epaisseur de la nappe d’Alsace en moyenne eaux (Aquifères et eaux souterraines en France, 2006)
Entre Mulhouse et le seuil d’Erstein, l’épaisseur des alluvions perméables avec des intercalations locales moins perméables reposant sur les marnes oligocènes est en moyenne de 120 m mais elle dépasse 200 m dans la « fosse de Geiswasser », et les dômes diapiriques tels que le « dôme de Hettenschlag », constitué de sel et de marnes oligocènes qui atteint presque la surface de la plaine, s’expliquent par des phénomènes de subsidence et de diapirisme d’âge quaternaire à actuel. La partie ouest de la plaine, au niveau du bassin potassique, est constituée par les alluvions vosgiennes de la Doller et de la Thur, moins puissantes (inférieures à 40 m), beaucoup plus argileuses et moins perméables.
Au Nord du seuil d’Erstein, les alluvions reposent sur les formations sablo-argileuses du Pliocène. Leur granulométrie est moins grossière, les blocs étant rares, et elles sont entrecoupées d’intercalations silto-argileuses. Sous Strasbourg, ces dernières sont suffisamment continues vers 30 m de profondeur pour constituer une barrière hydraulique limitant les circulations verticales entre les différents niveaux, conférant au réservoir un caractère multicouche. Le cône de déjection de la Bruche orienté vers le Sud-Est au Quaternaire ancien, passe depuis au Nord du dôme de marnes oligocènes de Blaesheim, transportant des sables rouges de démantèlement des Grès vosgiens jusqu’à Strasbourg.
Au Nord de Strasbourg, après le cône de déjection de la Zorn, l’aquifère quaternaire forme un chenal entaillé dans la terrasse des formations pliocènes de Haguenau-Riedseltz et s’infléchit vers l’Est. Les terrains pliocènes, localement entaillés par des chenaux d’alluvions vosgiennes quaternaires et recouverts de loess, sont constitués d’alternances de sables fins et d’horizons argileux et tourbeux. Cet aquifère multicouche était considéré comme peu productif jusqu’à ce qu’un forage au Nord de la Lauter près de Wissembourg ne mette en évidence en 1979 un aquifère artésien à plus de 60 m de profondeur.
