Giá trị địa chất

Đặc trưng cơ bản của vịnh Hạ Long 1000 năm qua là biển lấn mở rộng vịnh, xói lở mạnh các bãi bằng sú vẹt, nước Vịnh trong hơn, mặn hơn và san hô phát triển. Quá trình ăn mòn của nước biển tích cực tạo nên các ngấn sâu làm tăng thêm vẻ đẹp kỳ dị độc đáo của địa tầng Caxtơ. Vịnh Hạ Long hiện đại ra đời là kết quả của quá trình tiến hoá địa chất lâu dài với sự tổng hợp của nhiều yếu tố sự kiện, trong đó nổi bật nhất là sự  hình thành tầng đá vôi dày trên 1000 m vào các kỷ Các bon - Pécmi (340 - 240 triệu năm trước), sự hình thành bồn trũng Hạ Long vào kỷ Neogen (26 - 10 triệu năm trước). Quá trình Caxtơ  hình thành đồng bằng đá vôi tích cực nhất vào kỷ Đệ tứ Pleixtoxen (2  triệu - 11.000 năm) và biển tiến vào kỷ Holoxen.
Vì thế, du khách đến vịnh Hạ Long không chỉ đến với "kỳ quan" của thế giới mà còn đến với một bảo tàng địa chất quý giá được gìn giữ ngoài trời đến 300 triệu năm. Những hang động không chỉ là những lâu đài của tạo hoá mà còn là bằng chứng sinh động về quá trình xâm thực của mực nước biển qua các kỷ địa chất.
Vào đầu kỷ Cambri (570 - 500 triệu  năm trước), vịnh Hạ Long cơ bản vẫn là vùng lục địa nổi cao, chịu các quá trình rửa trôi bóc mòn. Đến cuối kỷ Cambri vùng này bị nhấn chìm, từ đó Hạ Long mới thành vịnh. Trong thời gian các kỷ Ođovic và Silua (500 - 400 triệu năm trước), khu vực Hạ Long và Đông Bắc Việt Nam cơ bản là vùng biển sâu nằm trong chế độ hoạt động địa máng tích cực, đáy biển có lúc liên tục hạ thấp, có lúc được bồi tụ bằng trầm tích của địa tầng Cô Tô có cấu tạo phân nhịp dày trên 2000 m chứa nhiều hoá thạch bút đá.
Vào cuối kỷ Silua, khu vực này trải qua pha chuyển động nghịch đảo tạo sơn biến vùng biển sâu trở thành vùng núi  uốn nếp. Từ cuối Silua và trong kỷ Đê-vôn (420 - 340 triệu năm trước), khu vực vịnh Hạ Long là một vùng núi chịu quá trình xâm thực bóc mòn mạnh mẽ trong điều kiện khô nóng, Hạ Long là một phần của lục địa Katania rộng lớn bao trùm lên gần toàn bộ khu vực biển Đông và thềm lục địa Trung Quốc ngày nay. Vào cuối kỷ Đê-vôn, do ảnh hưởng của chuyển động kiến tạo Haxini, khu vực Hạ Long và cả vùng Đông Bắc bị nâng lên cao và môi trường biển hoàn toàn biến mất. Sang giai đoạn cổ sinh muộn, (kỷ Các bon và Péc mi) kéo dài từ 340 - 240 triệu năm trước, chế độ biển nông ấm được thiết lập trở lại kéo dài suốt kỷ Các bon và gần hết kỷ Pécmi. Chế độ biển nông đó tồn tại hàng trăm triệu năm đã tích tụ nên tạo thành đá vôi có nguồn gốc hóa  học và sinh vật với hệ tầng Cát Bà có tuổi Các bon sớm dày 450 m và hệ tầng Quang Hanh có tuổi Các bon trung, Pécmi sớm dày 750 m, hai hệ tầng này chiếm ưu thế tuyệt đối trên hàng trăm đảo của vịnh Hạ Long.
Sang thời nguyên đại Tân Sinh (67 triệu năm trước), vịnh Hạ Long tồn tại trong môi trường lục địa núi cao do ảnh hưởng của các pha tạo sơn mạnh mẽ. Vào nửa Paleogen, chuyển động nâng dần và ổn định, quá trình xâm thực bắt đầu mạnh mẽ. Sau một thời gian bóc mòn hàng triệu năm, một dạng địa hình bán bình nguyên hình thành, quá trình xâm thực mạnh mẽ đã chia cắt dần bề mặt này thành các mảng có độ cao tương ứng với các đỉnh núi bây giờ.
Sang kỷ Đệ Tứ, nhất là từ giữa kỷ Neogen, quá trình xâm thực Caxtơ hoà tan đá vôi phát triển mạnh mẽ ở vùng núi đá vôi Hạ Long. Các đảo đá vôi trên vịnh hiện nay, bản chất là những núi sót trên bề mặt đồng bằng Caxtơ bị biển tiến kỷ Holoxen làm chìm ngập. Thời kỳ Pleixtoxen là thời gian chủ yếu tạo nên hệ thống các hang động nổi tiếng ở vịnh Hạ Long, chúng thường tập trung ở các độ cao 10; 15; 20; 25; 60 m. Ban đầu, nước mưa chảy theo những khe nứt vỡ của đá vôi được tạo ra do các chuyển động kiến tạo phát sinh đứt gãy. Quá trình ăn mòn hoá học do nước mưa ngày càng mở rộng các khoảng trống khe nứt để hình thành nên các hang động. Các hang động phổ biến có tuổi khoảng Pleixtoxen giữa và muộn (70.000 - 11.000 năm trước) vì cách đây khoảng 2 - 3 vạn năm trước biển đã tiến vào khu vực Hạ Long và hình thành nên vịnh Hạ Long cổ xưa.
Thời gian Holoxen, từ 11.000 đến 7.000 năm trước, biển đang dâng nhanh ngoài xa nhưng Hạ Long vẫn là vùng lục địa. Từ 7.000 đến 4.000 năm trước, biển tiến Holoxen mở rộng cực đại và vịnh Hạ Long chính thức hình thành. Cách đây 4000 - 3000 năm trước, sang thời kỳ biển lùi khu vực này xuất hiện nền văn hoá Hạ Long. Vào đầu Holoxen muộn, mực nước biển nâng cao trở lại, tái lập lại vịnh Hạ Long trên nền đầm lầy kênh lạch nhưng hẹp hơn trước. Tạo nên những ngấn nước trên vách đá như ngày nay. Vào giữa Holoxen muộn, vịnh Hạ Long tiếp tục tồn tại nhưng bị thu hẹp dần lại.