Верхний отдел девона мощностью около 200 м представлен снизу вверх: чистыми и доломитизированными известняками с редкими прослоями мергелей и известковистых глин, глинистыми и доломитизированными известняками.
Средний отдел имеет несколько большую мощность (около 250 м). В нижней части отложения его представлены карбонатными породами (около 70 м), выше которых залегают доломиты, доломитизированные известняки и мергели, переслаивающиеся с пестроцветными и тёмными глинами, песчаниками.
Скважины, пробуренные на территории природного парка, вскрывают верхнюю небольшую толщу девонских отложений, представленных (снизу вверх) чередованием серых и тёмно-серых глинистых доломитов с зеленовато-серыми мергелями с прослоями гипса, серыми доломитами с прослоями гипса, доломитовыми глинами, доломитами,
Отложения каменоугольной системы мощностью от 110 до 150 м. представлены серыми, серовато-зелёными и голубовато-серыми глинами, большей частью доломитизированными, нередко песчанистыми.
Отложения карбона во многих местах залегают близко к поверхности и подстилают четвертичные отложения чаще известняки с прослоями мергелей доломитов, глин. В долинах ряда рек они выходят местами на дневную поверхность. Выходы известняков, доломитов можно наблюдать, например, в долине р.Олеля, на правом, берегу р.Алешня.
Четвертичные отложения лежат на размытой поверхности этих коренных пород и покрывают всю территорию района. Представлены они в основном ледниковыми (большей частью валунными суглинками) и водно-ледниковыми отложениями (преимущественно разнозернистыми и гравийными песками). Мощность их изменяется от 25 до 60 м. Залегают они на сильно расчлененной поверхности коренных пород. Выработанный в доледниковое время рельеф этой поверхности обнаруживает заметное сходство с современным рельефом. Одна из этих долин, по которой проходил, по-видимому, основной сток талых ледниковых вод, расположена в Гжатско-Сычёвской низине.
Территория всего района подвергалась неоднократному оледенению, о чём свидетельствует чередование разной мощности слоев мореных суглинков и водно-ледниковых песков. Нижняя морена, представлена обычно мореными суглинками малой мощности с валунами. Мощность этой морены лишь в отдельных местах достигает 25 м. Суглинки светло-желтые, плотные, известковистые, неравномерно насыщенные гравием, галькой и валунами карбонатных пород. Подстилается эта морена часто глинистым песком, изредка – слабо окатанной щебёнкой.
Морена более позднего оледенения, нередко значительной мощности, представлена коричнево-красным суглинком, плотным, вязким, карбонатным, часто песчанистым, неравномерно насыщенным щебнем и плохо окатанной галькой с гравием. Содержание валунов и щебёнки нередко значительное. В суглинках местами наблюдаются линзы и прослои супеси и песка, мощностью до нескольких метров. Линзы песка нередко с гравием, галькой и щебнем. В морене иногда встречаются отторженцы каменноугольных отложений. Мощность этой толщи изменяется обычно от нескольких – до трёх десятков метров.
Моренные суглинки на значительной части территории перекрыты песками, мощностью в ряде мест до 20 м. Пески разнозернистые, иногда „глинистые, косослоистые с гравием, галькой и редкими небольшими валунами, местами они содержат линзы гравия, гальки, суглинка. Наиболее хорошо представлены, эти межмореные отложения в Гжатско-Сычевской низине, их мощность здесь обычно изменяется от 3 до 10 м. На наиболее высоких участках древних водоразделов данная морена и залегающие в её кровле пески нередко отсутствуют. На коренных отложениях здесь часто залегают непосредственно отложения последнего для данной территории оледенения – Московского.
Верхняя морена на всей территории района московского возраста, на водоразделах она обычно перекрыта покровными суглинками. Подошва её в пределах Гжатско-Сычёвской низины опускается до абсолютных отметок 170 -180 м., мощность – обычно не превышает 20 -30 м. Представлена она в подавляющем большинстве песчанистыми, плотными, известковистыми суглинками, окрашенными в желтовато-бурые тона, насыщенными валунами, щебней и гравием. Валуны и щебень состоят преимущественно из известняка и кремния, реже встречаются обломки гранита и шокшинского песчаника, иногда встречаются валуны и глыбы размером до двух метров. Нередко в толщу морены включены многочисленные линзы и прослои песка и гравия. По внешним признакам и физико-механическим свойствам мореные суглинки толщи четвертичных отложений различаются незначительно. Они имеют один гранулометрический состав, одинаковую плотность, пористость и другие свойства.
Водно-ледниковые отложения на морене московского оледенения имеют в пределах Гжатско-Сычёвской низины значительное распространение. Образовались они в разное время отступания московского ледника, сложены песками супесями, иногда ленточными глинами и суглинками. Пески жёлто-бурые, жёлто-серые, косослоистые, разнозернистые, местами обогащены глинистым материалом. В песках местами встречаются ленточные глины и суглинки. Среди водно-ледниковых отложений значительное распространение имеют озёрно-ледниковые. Озерно-болотные отложения залегают обычно на московской морене, встречаются на небольших площадях в хорошо выраженных понижениях рельефа. Эти отложения являются реликтами более крупных озёрно-ледниковых бассейнов. Часто они перекрыты покровными или делювиальными суглинками.
Водоразделы данной территории во многих местах перекрыты толщей безвалунных покровных суглинков, их мощность – 0.5–5м. Они отсутствуют только на древних и современных речных террасах и не перекрывают современные болотные отложения. Внешне суглинки довольно однообразны. Цвет их в основном желтовато-бурый, иногда серовато-коричневато-бурый. На большей части они карбонатные. Встречаются тонкозернистые, пылеватые, пористые суглинки и более грубые, содержащие редкий гравий.
Аллювий вторых надпойменных террас обычно маломощный (террасы преимущественно цокольные). По составу это суглинки, супеси и пески, залегающие на карбонатных отложениях, их мощность не превышает 6 - 8 м. Аллювий первых надпойменных террас, преимущественно также цокольных, имеет более широкое распространение. Его мощность обычно не превышает 6 - 7 м., представлен песками, супесями, реже суглинками. В цоколе залегают в основном мореные отложения, дочетвертичные породы встречаются редко. Современный аллювий пойм прослеживается по долинам как относительно крупных, так и малых рек. Среди осадков, слагающих поймы, наиболее развиты тёмные иловатые суглинки и глины. В основании пойменных террас наиболее распространены тёмные иловатые суглинки и глины, гравелистые пески. Встречаются в пойменном аллювии линзы в прослои торфа. Мощность аллювиальных отложений обычно не более 5-6 м.
Современные болотные отложения имеют заметное распространение. Образованию болот способствует: а) преобладание на поверхности слабо фильтрующих влагу пород тяжелого механического состава; б) слабое дренирование многих участков; в) превышение количества осадков над их испарением. Наиболее распространены болота низинного типа, залегающие в поймах рек. Мощность торфов в редких случаях превышает 6 м.
Делювиальные отложения развиты местами на склонах речных долин балок, оврагов. Представлены они обычно суглинками, часто содержащими прослои и линзы песка, гравия и щебня. Мощность их не превышает нескольких метров. Занимают они в целом очень малые площади.
Данная территория, как и Смоленская область в целом, отличается спокойным тектоническим режимом. Для неё характерно моноклинальное падение на север палеозойских отложений. Наличие глубоких доледниковых долин свидетельствует о значительном поднятии данной территории перед началом оледенений.
Инженерно-геологические условия территории Гагаринского района в полной мере определяются четвертичной историей и особенностями сформированных в это время рыхлых отложений. По большей части территории сельского поселения отмечаются простые инженерно-геологические условия и лёгкие условия для разработки грунтов. Особенностью района является широкое развитие заболачивания, а также – наличие захоронений скота, павшего от сибирской язвы. Инфекции геологической среды в районе опасны по двум причинам: а) для них нет «срока давности» и б) местонахождения данных захоронений в пространстве района в течение времени утрачены и их невозможно установить доступными способами.
Полезные ископаемые района изучены недостаточно полно. Выявлены залежи бурых углей, известняков, песков, глин, гравия. Залежи угля – в нескольких местах района, но площади их залегания небольшие, пласты маломощные, невыдержанные, залегают в сложных гидрогеологических условиях в основном на глубине более 140 м, качество угля - низкое.
Более детально изучены торфяники, определены не только места распространения торфяных болот, но и запасы торфа в них. На территории сельского поселения преобладают низинные торфяники небольших размеров, преимущественно пойменные, залежь которых представлена в основном осоковым, гипново-осоковым тростниково-осоковым, древесно-осоковым видами торфа.
Строительные пески, черепичные и гончарные глины встречаются во многих местах района. Покровные суглинки и особенно озёрно-болотные суглинки и глины являются хорошим сырьём для производства кирпича и керамических изделий. Запасы их достаточно велики. Во многих местах встречаются пески, песчано-гравийные отложения. Добыча их часто требует проведения вскрышных работ.
Подземные воды. Первый от поверхности горизонт подземных вод на территории района залегает на глубинах 0,5 – 20 м. Минимальной глубиной залегания отличаются болота и заболоченные низины, глубина первого от поверхности горизонта здесь не превышает 0,5 -1,0 м, чаще – 1,5 м. Воды этого горизонта – мутные, буроватого цвета с болотным запахом, их минерализация – от 0,1 до 0,5 г/л., отличаются они высокой окисляемостью, представлены чаще в долинах рек и в пределах древних озёрно-ледниковых впадин. Выдержанного водоупора они часто не имеют, вследствие чего водообильность их непостоянна. Эти воды легко загрязняются, в связи с чем в них нередко можно обнаружить высокое содержание нитрат-иона, органических веществ. Несмотря на высокую опасность загрязнения, они достаточно широко используются для водоснабжения местными жителями. Однако, такие воды не могут являться надёжным источником водоснабжения в силу непостоянного режима, малой водообильности, легкой загрязняемости.