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Le substratum de la décharge industrielle de Bonfol est composé essentiellement d'argile. Cette formation d'une épaisseur inférieure à 20 mètres se trouve uniquement dans la région de Bonfol. Il s'agit d'une argile qui contient des alternances de limons et, localement, des lentilles sableuses. La formation est d’origine lacustre et fluviale.
En dessous, la formation des cailloutis du Sundgau est constituée d’une alternance de graviers, sables et limons, avec parfois des intercalations de niveaux argileux. Cette couche, dont l'épaisseur varie entre 1 à 10 mètres s'est formée il y a environ deux millions d'années.
La série des Vosges, qui s'est formée avant le plissement jurassien il y a environ cinq millions d'années, est composée d’une alternance de diverses argiles. Son épaisseur est d'environ 100 mètres dans le périmètre de la DIB.
Sous ces trois premières couches, on trouve une alternance de calcaire et d'argile telle que celle qui constitue les montagnes jurassiennes.
Les argiles de Bonfol ont une perméabilité très faible. C'est notamment cette propriété qui est à l'origine du choix du site par la Chimie bâloise.
Les cailloutis du Sundgau ont en revanche une perméabilité plus élevée et les eaux souterraines qu'ils contiennent s'écoulent en direction du nord-ouest et de l'ouest. L'ensemble des forages installés en aval de la décharge a pour but de détecter et, le cas échant, d'intercepter d'éventuelles contaminations.
Aux abords de la décharge, le "toit" de la série des Vosges est constitué d'une couche d'argile peu perméable.
Dans les couches calcaires enfin, les écoulements d'eau sont généralement hétérogènes. La circulation des eaux souterraines s'effectue souvent dans des chenaux à l'intérieur desquels les écoulements sont rapides et la filtration faible.