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Das heutige Kyffhäusergebirge war ein Teil des mitteleuropäischen Variszischen Gebirges. Dieser Gebirgskörper wurde im Karbon (vor 290 bis 355 Millionen Jahren) aufgefaltet und gehoben und ragte so aus dem urzeitlichen Meer heraus. Im Rotliegenden (vor etwa 280 Millionen Jahren) wurde dieses Gebirge durch Verwitterungsprozesse wieder zu einer Tafel abgetragen. Im Zeitalter des Zechsteins (etwa vor 250 Millionen Jahren) zog sich der Ozean zurück und der Raum der heutigen deutschen Mittelgebirgsschwelle wurde durch ein großes Binnenmeer bedeckt. Durch die hohen Temperaturen - Europa und Nordamerika befanden sich in Äquatornähe - wurde dieses Binnenmeer zeitweise vollständig ausgetrocknet. Marine Sedimentgesteine aus dem Zechsteinmeer wie Salze und Gipse lagerten sich in mächtigen Schichten auf dem Variszischen Gebirgsrumpf ab. Vor etwa 65 Millionen Jahren (Übergang Kreidezeit / Tertiär) setzten tektonische Vorgänge ein, die dazu führten, dass der Rumpf des Variszischen Gebirges zerbrach. Die Kyffhäuser-Scholle wurde wie auch der Harz herausgehoben und schräg gestellt. Diese Phase dauerte vermutlich bis zum Ende des Tertiärs an, da das Kyffhäusergebirge an seinem Südrand auf tertiäre Braunkohlenablagerungen aufgeschoben wurde.
Bereits im frühen Tertiär (Eozän) setzte die Salzauslaugung der mächtigen Lagerstätten aus dem Zechstein ein, da Oberflächenwasser an Bruchlinien oder am Ausstrich des Zechsteins bis an die Salzlagerstätten gelangen konnte. Das Salz wurde in beträchtlichem Umfang aufgelöst, unterirdisch fortgeführt, bis es an tektonischen Linien empor stieg und in Form von Solequellen an die Oberfläche gelangte. In der Kyffhäuserregion gibt es zahlreiche Solequellen, wobei eine jede von ihnen mehrere Tausend Tonnen Salz pro Jahr zu Tage fördern kann. Dieser Massenverlust in der Tiefe führte durch Senkungserscheinungen zur Bildung der den Kyffhäuser umgebenden Niederungen. Bäche und Flüsse lagerten in diesen Gebieten Gerölle und Kiese ab, die örtlich eine Mächtigkeit von mehreren Zehnern von Metern erreichen können. In ersten lokalen Einsturzbecken, die sich am Kyffhäusersüdrand aneinanderreihten, konnten sich üppige tropische Sumpfwälder entwickeln, die sich durch Inkohlung zu Braunkohle umwandelten (Lagerstätten zwischen Esperstedt bis Steinthaleben). Während der Elsterkaltzeit drang das Inlandeis bis in den thüringischen Raum vor. Der Höhenzug des Kyffhäusergebirges ragte aus dem Eis, während die umliegenden Niederungen vom Eis bedeckt waren, dass Sedimente aus anderen Gebieten mitbrachte. Während der Kaltzeiten entstand durch Frostsprengung grober Gesteinsschutt, der Flüssen zugeführt wurde und sich auf den Talböden ablagerte. Während der letzten Kaltzeit wurde besonders an den Ost- und Südosthängen fruchtbarer Löß abgelagert, der hier eine annähernd lückenlose Decke bildet. Dabei handelt es sich um ein gelblich mehliges Auswehungsprodukt pleistozäner Sedimente, die an ihrem Ursprungsort nur spärlich durch Vegetation geschützt waren, so dass die feinen Bestandteile leicht vom Wind erfasst und an anderer Stelle abgelagert werden konnten.
Durch die kaltzeitlichen Prozesse, warmzeitliche Abspülung und die Salzauslaugung bildete sich im Laufe der Zeit das heutige Relief des Kyffhäusergebirges heraus, das entsprechend seiner Entstehungsgeschichte wie folgt aufgebaut ist:
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