Неоген
Неоген представлен в Каменной степи красноцветными породами. Эти породы являются элювием более древних коренных отложений, залегающих на неровной поверхности древнего рельефа. Литологический состав красноцветных отложений зависит от исходного материала. На глинах харьковского яруса формировались кирпично-красные глины, плотные, иловатый, содержащие известковистые конкреции, железисто-марганцевые стяжения, иногда гипс. На более низких отметках, где залегают породы бучакского яруса, красноцветные породы представлены песками, как это видно в карьере кирпичного завода на левом склоне балки Таловой. Мощность красноцветной толщи в пределах 2-3 м.
Много красноцветных глин и песков наблюдается во вторичном залегании в морене в виде глыб и кусков, прослоек различной мощности в смеси с другими породами морены.
Четвертичный период
Четвертичные отложения на исследуемой территории распространены повсеместно. Лишь в немногих обнажениях балки Таловой и балки Озерки просвечивают коренные породы верхнемелового и третичного возрастов. По генетическим признакам выделяются следующие основные типы отложений: аллювиально-озерные, связанные с древними и современными эрозионными долинами и другими неровностями рельефа, ледниковые эпохи, моренные эпох максимального оледенения, встречающиеся на самых различных отметках, делювиально-солифлюкционные древних и современных склонов, элювиальные, представленные главным образом почвами, в том числе погребенными.
Доледниковые и предледниковые отложения
Доледниковые (нижнечетвертичные) и предледниковые (среднечетвертичные) отложения в районе в районе Каменной степи приурочены к древним эрозионным ложбинам, омывавшим и расчленявшим северные склоны Калачской возвышенности.
В пределах древних долин флювиогляциальные отложения с эрратическими валунами и залегающими поверх них аллювиально-озерными отложениями вскрываются под моренами. Мощность этих толщ возрастает к северу. На востоке в балке Таловой таких отложений не обнаружено. (Дубянский, 1927; Басов, Грищенко, 1963).
Ледниковые отложения
Материалы по характеристике четвертичных отложений позволяют выделить здесь два типа морены, существенно отличающиеся друг от друга по условиям залегания и литологическому составу: морену водораздельных участков и морену, выполняющую древние долины.
Морена водораздельных участков имеет мощность слоя не более 10 м. Она представлена суглинками, глинами, реже супесями бурого, зеленовато-бурого, красно-бурого, а иногда кирпично-красного цвета. Эта морена содержит валуны северных кристаллических пород диаметром до 0,5 м. А. А. Дубянский намечал некоторую ярусность морены водораздельных участков. В верхней части она представлена зеленовато-серыми глинами, в средней – красно-бурыми и кирпично-красными глинами, а в нижней содержит большое количество валунов, в том числе местных пород. К востоку, в сторону балки Таловой, морена выклинивается или прорезается этой балкой, вновь появляясь на правобережье.
По направлению же к западу и юго-западу в бассейне балки Озерки морена сильно погружается, уходит на низкие отметки, выполняя древнюю долину. Особенностью этой морены большая мощность (до и более 50 м), связь с глубокими древними долинами, сложный состав и строение иногда с ясной ярусностью, серый и зеленовато-серый цвет нижних горизонтов, сближающих ее с аллювиально-озерными отложениями, и небольшое содержание мелких валунов плотных пород наряду с крупными глыбами и линзами песка.
Поверхность морены является водоупором основного водоносного горизонта и определяет направление потоков грунтовой воды. Основное направление этих потоков должно идти к западу, северо-западу, в сторону балки Озерки, и к востоку, юго-востоку, в сторону балки Таловой.
Покровные суглинки
Покровные суглинки слоем неравномерной мощности залегают на водораздельных участках описываемой территории, а в бассейне балки Озерки вместе с погружающейся мореной они спускаются и на более низкие отметки, сохраняя здесь нормальное ярусное строение. Погружение суглинков на более низкие отметки в сторону балки Таловой не установлено.
В разрезе толщи покровных суглинков достаточно четко выделяются три горизонта. Непосредственно над мореной залегают суглинки и глины темно-бурые, бурые, красновато-бурые, иногда зеленовато-серые или серые. Они плотные, иловатые, часто известковистые, с плотными конкрециями углекислого кальция или порошковатыми выделениями его по трещинам, особенно обильными в нижней части.
В верхней части суглинки более темно окрашенные, возможно гумусированные, причем этот слой, иногда сопровождается карбонатным горизонтом, свидетельствующим о почвообразовательных процессах на их поверхности. Близкая связь этих суглинков с мореной подтверждается наличием мелких валунчиков или обломков изверженных пород.
Средний горизонт составляют светло-бурые, белесые или палевые суглинки, пористые, известковистые, пронизанные лжемицелиями, характерного лёссовидного облика, отличающиеся от типичного лёсса лишь большей плотностью и некоторой иловатостью.
На поверхности этого суглинка намечается прослойка гумусированного суглинка с явными признаками почвообразования, выделенная нами как погребенная почва. Помимо темной окраски от гумуса, эта прослойка сопровождается карбонатным горизонтом, а иногда и древними кротовинами.
Верхнюю часть разреза покровных суглинков составляют бурые или темно-бурые суглинки, плотные, иногда иловатые или оглеенные, почти всегда известковистые, часто с примазками марганцовистых соединений, всегда перекрытые кротовинами, достигающими большой глубины. Часто эти суглинки бывают разбиты морозобойными трещинами или трещинами усыхания. На поверхности их сформировался современный почвенный покров.
Покровные суглинки водоразделов и более низких участков имеют сходное строение, что может служить основанием для вывода об одновременности этих отложений на всей описываемой территории.
Наиболее распространенными являются коричневые надморенные суглинки. Они всюду сопровождают морену и выпадают в разрезе лишь в тех случаях, когда бывают смыты эрозионными процессами более позднего времени.
В генётическом отношении описанные коричневые суглинки представляют собой первые водные осадки, накопившиеся на поверхности морены после ухода ледника в пределах озер, приуроченных к неровностям послеледникового рельефа. Материалом для их образования служили ледниковая муть, содержащаяся в воде после таяния ледника, и продукты перемывания морены на водоразделах и прилегающих склонах.
Лёссовидные суглинки менее распространены. Мощность их колеблется от 1 до 2 м, увеличиваясь до 3 м на участках с более высокими отметками, особенно в северо-восточной и юго-западной частях района. В пониженных участках мощность суглинков не велика. По особенностям строения литологического состава с большим основанием можно допускать водное озерно-аллювиальное происхождение их, как и коричневых суглинков, с последующим облёссовыванием их в процессе выветривания, возможно также с участием почвообразовательных процессов при формировании того почвенного горизонта, который сопровождает эти суглинки.
Верхнечетвертичные отложения
На склонах крупных балок развиты делювиальные суглинки, которые неравномерной мощности шлейфом прикрывают коренные породы и более древние четвертичные отложения, включая морены и покровные суглинки. За счет морены и покровных суглинков они и образовались. Гранулометрический состав их вполне соответствует такому представлению о генезисе этих суглинков; они несколько грубее лёссовидных и коричневых суглинков. Делювиальные суглинки иногда выстилают ложе древних балок, примыкая к балочным террасам или вклиниваясь в них.
Террасы и пойма балок
В современных крупных балках очень часто встречаются аллювиально-делювиальные отложения разного возраста, образующие надпойменные террасы и пойму.
По геоморфологическим признакам в основных балках можно наметить две надпойменные террасы. Более четко выделяются первая надпойменная терраса высотой 3-5 м. Вторая надпойменная терраса сохранилась в руслах лишь обрывками и в значительной мере замаскирована делювиальными суглинками, снивелировавшими уступ к ней о приводораздельного склона.
Последнюю, наиболее молодую свиту четвертичных осадков Каменной степи составляют пойменные отложения голоцена, выстилающие дно современных балок. Они представлены темноокрашенными глинами, суглинками, супесями, то неслоистыми, однородными, то содержащими прослои песка. В верхней части балок основную массу этих отложений составляет намытый чернозем, в средней же и нижней частях значительная часть пойменных отложений представлена аллювиально-озерными глинами и суглинками серыми и темно-серыми или зеленовато-серыми, обычно известковыми, редко обогащенными песком (преимущественно отложения стариц). На участках балок, занятых прудами, строение поймы еще более сложное в связи с участием в разрезах осадков, накопившихся в пределах прудов (Басов, Грищенко, 1963).
Первое обстоятельное описание рельефа территории Каменной степи принадлежит Н. М. Сибирцеву и К. Д. Глинке (1894).
Каменная степь расположена на северных склонах Калачской возвышенности, на водоразделе балок Таловой и Озерки, впадающих в речку Чиглу, левый приток Битюга и Дона.
Поверхность этой территории поднимается до 195—197 м абсолютной отметки, что дает 118—120 м превышения над уровнем Дона на западе и Хопра на востоке. Над уровнем ближайшей реки Чиглы поверхность возвышается до 90 м. Если учесть, что большая часть территории лежит на отметках 180—185 м, то это превышение будет значительно меньше.
Общий уклон поверхности описываемой территории имеет западно-северо-западное направление. Однако хорошо развитая овражно-балочная система усложняет ориентировку ее, обеспечивая для значительной площади северо-восточную и юго-западную экспозиции.