Tabel met geologische tijdschaal Pleistoceen en Holoceen en samenvatting van de voornaamste afzettingen in die periode in Nederland
De bodem aan de oppervlakte van Nijmegen en omgeving bestaat, net als de rest van Nederland, voor het grootste deel uit 'jong gesedimenteerd buitenland', dat gedurende de laatste 2,5 miljoen jaren afgezet is op de daaronder liggende oudere afzettingen. Klei, zand en grind zijn als erosieproducten van de oudere gebergten, zoals de Ardennen en de Eifel, maar vooral van de jonggevormde Alpen (ongeveer 100 tot 50 miljoen jaar geleden, in het Krijt en Tertiair; zie Geologische tijdstabel) door het aflopende regen- en smeltwater met de Rijn, Maas en Schelde meegevoerd naar het laaggelegen bekken van de Noordzee. Waar nu Nederland ligt, is onder invloed van de zich steeds verleggende meanderende rivieren een uitgestrekte vlakte van riviersediment (fluviale afzettingen) ontstaan. In het Pleistoceen, de oudste periode van het Kwartair dat ongeveer 2 miljoen jaar geleden begon, hebben zich hier een aantal achtereenvolgende ijstijden (ook glacialen genoemd) voorgedaan. Bepalend voor de groei van ijskappen is sneeuwneerslag in de winter maar vooral een relatief lage temperatuur in de zomer waardoor een deel van de sneeuw van de winter blijft liggen en zodoende netto accumulatie van sneeuw of ijs optreedt. Men denkt dat verschillende factoren een dergelijke temperatuurverlaging kunnen teweegbrengen: veranderingen in de atmosferische samenstelling (waaronder de CO2-concentratie), variaties van de aardbaan tov de zon (excentriciteit; B), verandering van de hoek van de aardas ten opzichte van de omloopbaan (obliquiteit; C) en schommelingen in de de precessie van de aardas (D) (Milankovitch cycli; bekijk een video), variaties in zonneactiviteit, bewegingen van tektonische platen en veranderingen in zeestromingen, inslagen van grote meteorieten en reusachtige vulkaanuitbarstingen.
Milanchovič parameters. Er wordt aangenomen dat schommelingen in deze parameters (B-D) klimaatsveranderingen zoals het zich voordoen van ijstijden mede veroorzaken. A. Seizoensschommelingen, B. Excentriciteit van de aardbaan, C. Obliquiteit en D. Precessie
Deel 1 en deel 2 van de film "Understanding the Earth" (in het Engels; geproduceerd door TV Ontario en de Laurentian Universiteit ism Dr. David Pearson) over de vorming van landijs in Noord-Amerika, de afzetting van eindmorenen en de vorming van stuwwallen.
Voor het ontstaan van het landschap in het gebied rond Nijmegen zijn de twee laatste ijstijden, Saalien (ongeveer 200.000 tot 125.000 jaar geleden*) en Weichselien (ongeveer 115.000-12.000 jaar geleden*), en het interglaciale Eemien (ongeveer 128.000 tot 116.000 jaar geleden*), belangrijk geweest. Het Holoceen, de tijd na de laatste IJstijd, vanaf ongeveer 12.000 jaar geleden, omvat ook de periode waarin de mens invloed heeft gekregen op het landschap: eerst kleinschalig en op lokaal niveau, zoals in de Romeinse tijd met het legerkamp Noviomagus, en vervolgens vanaf de industriële revolutie steeds intensiever uitmondend in de huidige verstedelijking.
(*Over de precieze datering van de glacialen en interglacialen bestaat enige discussie.)
Saalien ijstijd: landijs, stuwwallen en droogte
De ijstijd Saalien (Nederlands) of Saaliaan (Vlaams), zo'n 200 000 tot 125 000 jaar geleden, is genoemd naar de Saale, een zijrivier van de Elbe. Andere locale benamingen voor deze koude periode zijn het Riss glaciaal in Midden-Europa (Alpengebied), 'Wolstonian' op de Britse Eilanden, 'Moskovian' of 'Dnjeper dal' in Rusland en 'Illinoian' in Noord-Amerika. Tijdens de ijstijd van het Saalien tijdperk heeft het Scandinavisch gletscherijs zich uitgebreid over een groot deel van Noordeuropa, in Nederland ongeveer tot de lijn Haarlem-Nijmegen.
Daarbij heeft de zware massa langzaam voortstromend landijs de bevroren metersdikke bovenlaag over de relatief weke en zachte onbevroren onderlaag afgeschraapt. Bij dit proces werden enorme schubben bodem vooruit of opzij geduwd en scheefgesteld tot stuwwallen (zie hieronder een schets over de ontstaanswijze van stuwwallen). Zo zijn in Nederland de stuwwallen ontstaan van het Gooi, de Utrechtse Heuvelrug, de Veluwe, de Veluwezoom, het gebied van de Holterberg en Montferland, en van Nijmegen-Kleef (Link naar een geomorfologische kaart van Nederland met o.a. de locatie van stuwwallen)
Gedurende het Saalien was de temperatuur over een behoorlijk lange periode gemiddeld een aantal graden lager dan de huidige gemiddelde temperatuur. Overigens bleven gedurende een glaciale periode de normale winter en zomer schommelingen zich voordoen en traden er natuurlijk ook afwisseling in temperatuur op over periodes van tientallen tot honderden jaren.
De grote hoeveelheid vastgelegd water in de vorm van ijs en sneeuw (geschatte toename van ijsoppervlak 15 tot 44 x 106 km2 en volume van 27 tot 77 x 106 km3), had tot gevolg dat de hoeveelheid water in de kringloop drastisch afnam. Daardoor werd het klimaat naar verhouding ook droger en daalde de zeespiegel met meer dan 100 meter waarbij de zuidelijke helft van de Noordzee droogstond. Allerlei afzettingen die eerder tot de zeebodem behoorden, waaronder zeer fijne sedimenten, kwamen aan de oppervlakte te liggen. In het Saalien werd de loop van de Rijn, die een sterk verminderde waterafvoer had, door het landijs en de opgestuwde stuwwallen naar het zuidwesten verlegd. De Rijn stroomde door het Niersdal en verder vanaf Gennep in westelijke richting samen met de Maas, tot ten noorden van de huidige Doggersbank in de verkleinde Noordzee. De Maas was daarmee dan ook een zijrivier van de Rijn geworden, net als de Schelde en de Theems (kaart van de rivieren gedurende het Saalien).
Wanneer je aan vegetatie denkt, dan moet je je het gebied ten zuiden van het landijs voorstellen als een toendra, met nauwelijks bomen. Op veel plaatsen zal ook van permafrost sprake zijn geweest, maar in de wat warmere jaren zal in de zomer de bovenlaag van de bodem ontdooid zijn, waardoor deze bovenlaag weer met smeltend ijswater kon afspoelen over de onderliggende bevroren bodem.
Einde Saalien - Eemien: Sandr en stuwwaldoorbraken
Aan het eind van het Saalien en gedurende de overgang naar het warmere (interglaciale) Eemien smolten de ijstongen in rap tempo. De afvoer van smeltwater met sediment van landijs en stuwwallen door de rivieren (fluvio-glaciale afzettingen) nam enorm toe. Hierdoor zijn aan de zuid(west)zijde van de stuwwallen een soort puinwaaiers uit grind, zand en leemdeeltjes ontstaan, zogenaamde Sandr vlakten (zie figuur hierboven). De grofste deeltjes zijn het dichtst bij de stuwwal afgezet, terwijl fijnere deeltjes naarmate ze kleiner en lichter waren steeds verder van de stuwwal met het afstromende smeltwater zijn meegenomen en gesedimenteerd.
Het Niersdal en de gezamenlijke Rijn/Maasdal kon de grote afvoer van smeltwater niet meer verwerken. Het Rijnwater rees op tegen de zuidoostelijk van Nijmegen lopende stuwwallen waardoor een aantal (vier?) doorbraken veroorzaakt werden, daar waar de stuwwallen het laagst waren. Daardoor stroomt de Rijn thans weer ten Noorden van de Nijmeegse stuwwal, maar ten zuiden van die van Montferland en de Veluwe. Het waterrijk natuurgebied "De Gelderse Poort" dankt dus haar onstaan aan deze doorbraken van de stuwwal (meer informatie over natuur en recreatie rond Nijmegen).
Tijdens het nattere en warmere Eemien is de vorming van de riviervlakte voortgeschreden; het spel van sedimentatie door Maas, Schelde en Rijn is verder gegaan, de Noordzee heeft zijn oude omvang weer gekregen door de zeespiegelrijzing. Hogere temperaturen maakten het mogelijk om in onze streken weer min of meer gesloten bosvegetaties terug te krijgen.
Weichselien: koud, droogte en windeffect
Het Weichselien, in het Nederlands/Vlaams ook Weichseliaan of Weichsel ijstijd genoemd (115 000-10 000 jaren geleden), genoemd naar de rivier Weichsel (=Wisla), komt overeen met de Alpiene vergletsjering genaamd Würm, het 'Devensian' in de Britse Eilanden en het 'Midlandian' in Ierland, de Wisconsin ijstijd in Noord-Amerika en 'Pinedale' ijstijd in de Rocky mountains. In het Weichselien heeft het Scandinavisch landijs Nederland nauwelijks kunnen bereiken, waardoor ook rond Nijmegen geen nieuwe stuwwallen zijn gevormd. Toch zien we in die periode een herhaling optreden van hiervoor beschreven omstandigheden gedurende een ijstijd: de Noordzee stond weer gedeeltelijk droog, waardoor de sedimenten van fijne leemdeeltjes aan de oppervlakte kwamen, door het koude klimaat ontbrak een beschermende aaneengesloten vegetatie en was er hooguit sprake van een toendra-achtige begroeiing.
De (overheersend westelijke) winden konden in die tijd veel van dat fijne sedimentatiemateriaal uit het zuidelijke Noordzee-bekken meenemen en afzetten aan de lijzijde van de stuwwallen; vandaar dat we thans aan de noordoostelijke kant van de Nijmeegse stuwwal lössafzettingen kunnen vinden. Uiteraard hadden ook tijdens het Saalien dit soort eolische (= wind) afzettingen plaatsgevonden, maar in het Nijmeegse vind je die niet terug omdat dit fijne lössmateriaal op het ijs terecht kwam. De Limburgse löss is echter wel in die eerdere droge Saalienperiode afgezet, zo ook de zwarte aarde in de Oekraïne en verder Rusland in.
De inbreng van de mens
Uit opgravingen die naar voren gebracht hebben dat er op Mammoeten gejaagd is valt op te maken dat er reeds tijdens de laatste ijstijd sprake moet zijn geweest van menselijke activiteiten in het gebied dat het huidige Nederland omvat. In de bodem van locaties behorend tot het "Land over de Waal" (rond Lent, Bemmel, Oosterhout, de Nijmegen Waalsprong) zijn door archeologen (artikel) zo'n 7000 jaar oude resten van nederzettingen gevonden uit de steenstijd. Pas met de komst van de Romeinen wordt de invloed van de mens op het landschap duidelijk merkbaar. De grote Romeinse historicus Tacitus beschrijft het landschap in het Noorden van ons land als 'een gebied waarvan het niet te zeggen is of het tot het land of tot de zee behoort'. Toch leefden er toen al in die streken mensen, die zelf terpen opwierpen om zich bij hoog water op terug te trekken. In die tijd waren het drogere deel van ons land en de stuwwallen met eiken-beukenbossen (Querco-Fagetum) bedekt. De natte riviervlakte ten noorden van Nijmegen (de Betuwe) was bedekt met elzenbossen (Alnetum).
Romeinse legerplaats blootgelegd bij het Kops Plateau in Nijmegen
Bron: Omroep Nijmegen 1992 (YouTube), Duur 5:11
De Romeinen hebben een duidelijk stempel gedrukt op het landschap, met name in de hogere delen. Te denken valt niet alleen aan het onderbrengen van hun soldaten in grote kampementen (castra), zoals op de Nijmeegse stuwwal ter plaatse van het Kops plateau en de Hunnerberg (Romeinse castellum = fort, tussen de Berg en Dalseweg en de steilrand van de stuwwal). De Romeinen hebben grachten gegraven en rivierbeddingen verlegd om hun gebied beter en vooral gemakkelijker te kunnen verdedigen. Voorbeelden hiervan zijn de Drususgracht, de verbinding tussen de Rijn en IJssel, en in het westen van Holland de Vliet. Interessant is dat uit pollendiagrammen die gemaakt zijn van boringen aan de steile noordzijde van het Kops plateau, waar de Romeinse legerplaats stond, is op te maken dat de Romeinen vanaf het jaar 10 voor Christus het bos gekapt hebben. Dit blijkt uit het verdwijnen van pollen van bossoorten in de lagen uit die tijd (meer over Pollen en Biologie). In jongere lagen komen in deze monsters pollen voor van allerlei grassoorten en van tredplanten, en pollen die wijzen op een periode van graanteelt in een latere periode. Na het jaar 70 verlaten de Romeinen het Kops plateau, waarna het bos weer langzaam zijn positie herovert, zoals uit de toename van pollen van bossoorten blijkt. Ook zijn de legionairs na uit krijgsdienst gekomen te zijn begonnen met het maken van terrassen en de aanleg van boerderijcomplexen (villa's) op de warmste en vruchtbaarste plekken in de stuwwallen. Voor de bouw van huizen werd door hen de leem gebruikt uit de stuwwallen (speeltuin de Leemkuil, wellicht) om bakstenen en dakpannen te maken (zie kaartjes van de Romeinse nederzettingen).
Vanaf de Middeleeuwen gaat de mens steeds meer invloed op het gebied uitoefenen. Op diverse plaatsen worde met water aangedreven molens gebouwd en molenvijvers worden aangelegd om het water uit de bronnen in de stuwwallen op te stuwen en te verzamelen. De terrassen-landbouw op de meest vruchtbare plekken wordt uitgebreid. In de vroege Middeleeuwen worden de eerste dijken aangelegd door de oeverwallen met elkaar te verbinden. Na het sluiten van de bandijken wordt in de zeventiende eeuw zelfs overgegaan tot het verleggen van waalbochten. Dit gebeurde bijvoorbeeld bij Gendt dat bedreigd werd door de meanderende Waal.
Daarbij heeft de zware massa langzaam voortstromend landijs de bevroren metersdikke bovenlaag over de relatief weke en zachte onbevroren onderlaag afgeschraapt. Bij dit proces werden enorme schubben bodem vooruit of opzij geduwd en scheefgesteld tot stuwwallen (zie hieronder een schets over de ontstaanswijze van stuwwallen). Zo zijn in Nederland de stuwwallen ontstaan van het Gooi, de Utrechtse Heuvelrug, de Veluwe, de Veluwezoom, het gebied van de Holterberg en Montferland, en van Nijmegen-Kleef (Link naar een geomorfologische kaart van Nederland met o.a. de 
