Adıyaman ili, Kuzeyde yer alan son derece kıvrımlı Toros sıra dağları ile güneyde ise Gazi Antep ve Şanlı Urfa illerinin son derece düz alanları arasında yer alır. Tektonik intikal kuşağında bulunan Adıyaman ilinde, fazla kıvrımlara az ama geniş düzlüklere kuzey hariç çok rastlanır.
Adıyaman ili % 10' dan az eğimlidir. Yer yer de % 10 – 25 arası ve % 25' den daha fazla eğimli alanlara rastlanılmaktadır. Temel zemini olarak Germav Formasyonu ve Midyat kireçtaşının gözlendiği alanlarda eğimler % 10 – 25 arasındadır.
Üst miyosen Yaşlı Tortulların kapladığı alanlarda eğimler genelde % 25 den fazladır. Eğimin % 25 den fazla alanlar, kaya düşme ve heyelana maruz alanlar olarak belirlenmiştir. Bu alanlarda eğimin % 10 dan daha az olduğu yerlerde, temel zemini açısından herhangi bir olumsuzluk içermemektedir.
Pliyo-Kuvaterner yaşlı tortul örtüsünün kapladığı alanlar genelde % 10 dan az eğimlidir. Eğimin % 25''den fazla olduğu bir kısım alanda akma, kaya düşmesi ve heyelan oluşmaktadır. Bu alanlar dışında temel zemini ve topoğrafik eğim açısından olumsuzluk görülmektedir.
Alüvyon ise temel zemini özelliğindedir. Ancak kaya düşmesi ve heyelana maruz yamaçları olan vadi tabanında (Eğri Çay vadisi) kalmaktadır. Bu nedenle bu birim heyelana maruz alan içinde gösterilmiştir. İl merkezi ve çevresi orta engebeli bir topoğrafya ya sahiptir. Genelde % 10' dan daha az eğimlerden oluşan bir alan üzerine kurulmuştur.
Adıyaman ve çevresinde daha önce yapılmış çalışmalara göre, şu şekilde belirlenmiştir. En altta, Alt Kretase Yaşlı Kireçtaşı bulunmaktadır. Bu kireçtaşları, yarı kristalize ve dolomitiktir. Bu oluşum, bölgenin kuzeyinde görülmekte ve çalışma alanının dışında kalmaktadır. Bu birim üzerinde Paleosen-Alt Eosen Yaşlı Germav Formasyonu yer alır. Tebeşirimsi marn ile temsil edilen bu formasyon üzerinde ise, Eosen Yaşlı Midyat Kireçtaşları bulunmaktadır. Midyat Kireçtaşları üzerinde ise, alanın güneyine doğru vadi yamaçlarında görülen Üst Miyosen Yaşlı Tortullar gelmektedir. Eğri Çay' ın getirdiği malzemenin oluşturduğu Alüvyon bu akarsu boyunca yer almaktadır.
Germav Formasyonu, en yaşlı birimi olarak, Güneydoğu Anadolu' da yaygın olarak görülmektedir. Paleosen-Alt Eosen yaşlı bu formasyon, marn ile temsil edilmektedir. Yüzeyde beyaz, sarımsı beyaz, taze yüzeyde yeşilimsi beyaz renkli tebeşirimsi haldedir.
Adıyaman ili, T.C. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı' nca yayınlanan Türkiye Deprem Haritası' nda IV. Derece Deprem Bölgesi içinde kalmaktadır. Bu güne kadar tadil edilmiş Mercalli cetvellerine göre, en yüksek (7) şiddetinde deprem kaydedilmiştir. Tarihi kaynaklardan 1889' da meydana gelen şiddetli depremde şehirde önemli tahribatın olduğunu, camilerin minarelerinin yıkıldığını öğreniyoruz. Son olarak 05/05/1986 tarihinde meydana gelen (5) şiddetindeki deprem ile bunu takiben 06/06/1986' da meydana gelen (6) şiddetindeki depremde önemli miktarda hasar ve can kaybı meydana gelmiştir (İl genelinde 296' sı ağır, 728' i orta ve 1792' si hafif olmak üzere 2186 konut hasar görmüştür).
Kabaca WSW-ENE yönünde 100 km. kadar uzanan Adıyaman depresyonunun genişliği de 40-50 km. kadardır. Ortalama yükseltisinin 500-750 metreler arasında bulunduğu ve üzerinde Kâhta, Adıyaman, Akpınar, Bağpınar (Çalgan), Keysun (Çakırhöyük), Şambayat, Narince ve Kızlin(Beşyol) kentlerinin yer aldığı havzanın güneyinden Fırat akarsuyu geçmektedir. Fırat, havzanın doğusundaki Eosen arazisi içerisinde çok tipik gömük menderesler yaparak ve Samsat yakınlarında tipik örgülü drenaj şekli göstererek akmaktadır. Buna benzer taraçalar ovanın kuzeyindeki Kâhta Çayı vadisinde de mevcuttur. Depresyonun suları, Keysun, Göksu, Koruç, Kalbur, Cendere, Aksu.... dereleri vasıtası ile kuzeyden güneyde Fırat'a boşaltılmaktadır.
Ova batısında, Gölbaşı ovasını Adıyaman ovasından ayıran ve Eosen-Oligosen formasyonlarından oluşmuş bulunan Kozdağ (Besni ilçesinin batısı) yer alır. Bunun temelinde ise, kuzey doğuya doğru. Kretase kalkerleri ve ofiolitler bulunur (Tut çevresi ve Akdağ). Ova kuzeyindeki yapı da hemen hemen aynıdır. Ancak, buradaki Tucak-Ulubabadağ (2587 m) volkanitlerden oluşmuştur. Bunların esasını andezitler teşkil eder. Ova doğusunda bulunan volkanitler ise, daha genç yaştaki bazaltlardır.
Ova güneyi, altta yine Kretase yaşlı formasyonlardan ve bunların üzerine gelip geniş alanlar kaplayan Eosen yaşlı kalker ve marnlardan oluşmuştur. Bu arazi sık sık, dar bölgeli akışlar gösteren bazaltik lavlarla örtülmüşlerdir. Şanlıurfa-Adıyaman arasındaki bu bazaltik volkan konileri tamamen buradaki NW-SE yönünde uzanan fayların üzerinde sıralanmışlardır (fisür volkanizması).
Depresyonun güneyi, üst Miyosen yaşlı ve bugün akarsularla çok parçalanmış olan kalker, marn, kumtaşı ve konglomeralı depolarla temsil edilmektedir. Bunların, daha önce bütün depresyonu işgal ettikleri, ovanın kenar kısımlarında parçalar halinde bulunmalarından anlaşılmaktadır. Depresyon dışında bu formasyonlara rastlanmaması, onun ilk çöküşünün üst Miyosen' den önce olduğunu ortaya koymaktadır. Bu devreden sonra üst Miyosen depoları ile dolan ve bu depoların ağırlığı altında çöken havza, yapılan petrol sondajlarından elde edilen bilgilere göre daha da derinleşmiştir. Çökmeler, kuzeyde E-W, güney doğuda WNW-ESE yönlü faylar boyunca gerçekleşmiştir. Bunlardan, Adıyaman' ın kuzeyinde bulunan Karadağ ve Kurucak fayları birbirlerine paralel olup, ovaya egemen olan, Karadağ güneyinde yer yer diklikleri ile temayüz eder. Bunun dışında, Adıyaman' ın hemen doğusunda Eosen (Lütesiyen) yaşlı kalker ve marnlardan oluşmuş 804 m. Yüksekliğindeki Aldağ, bir horst şeklinde ova ortasında yer alır. Özellikle kuzeyindeki fay dikliği çok nettir ve bu fay içerisine Kuruçay deresi yerleşmiş durumdadır. Fay, NESW yönünde uzanmaktadır.
Kahraman Maraş depresyonunun kuzey doğusunda yer alan ve NE-SW yönünde dar ve uzun bir koridor halinde uzanan ova (30-35 km. kadar uzunluğunda ve 4-5 km. kadar genişliğinde) oluşum bakımından oldukça ilginçtir ve Kahraman Maraş depresyonunun kısmen de olsa bir devamı niteliğindedir. Nitekim, ovanın uzantısı, Kahramanmaraş depresyonunun oluşumunda rol oynayan fayların uzantılarına tamamen uymaktadır. Büyük bir ihtimalle, Kahramanmaraş depresyonunun güneyinden geçen fay burada da devam etmekte ve ovanın oluşumunda esas rolü oynamaktadır.
Doğudan Kozdağ, batıdan Öksüz dağı (1871 m.), kuzeyden Boruk dağı (2110 m.) ile sınırlanmış olan ova, güneyden Aksu vasıtası ile Kahramanmaraş depresyonuna açılmaktadır. Üzerinde Gölbaşı ilçesinin yer aldığı ovada başlıca, birbirleriyle bağlantılı olan 3 göl yer almaktadır. Ovanın suları, bu göllerden geçerek Kapı deresi ile Ceyhan' ın bir kolu olan Aksu deresi vasıtası ile boşaltılmaktadır.
Ova doğusu üst Kretase-Paleosen yaşlı kalker ve ofiolitlerden oluşmuştur. Kalkerler karstlaşmaya elverişli olup, içlerinde pek çok karstik şekil, özellikle dolinler oluşmuştur. Ova batısı ise, altta Eosen flişleri ile onların üzerine gelen orta Miyosen yaşlı kalker, kum ve kumtaşları ile temsil edilmektedir. Ova güneyinde ise, büyük bir ihtimalle post-Neojen yaşlı, güneye doğru genç tektonik hareketlerle çarpılmış bir aşınım sathı vardır. Satıh, tamamen üst Kretase formasyonları içersinde gelişmiştir.
Ova, doğudan faylanmış durumdadır. Ancak, bölgedeki karstlaşmanın da varlığı, ovanın oluşumunda sadece tektoniğin değil, her ikisinin de rolü olduğunu göstermektedir. Belki de, post-Neojen sathını deforme eden tektonik hareketlerin neden olduğu faylar, ovanın oluşumunda etkili rol oynamışlar ve böylece tektono-karstik oluk ortaya çıkmış, sonradan alüvyonlarla dolması ile de bugünkü Gölbaşı ovası oluşmuştur. Ovadaki göllerin varlığı ise, yeni çökmelerle ilgili olmalıdır.
