Het heuvelland ligt in Zuid-Limburg, ruwweg tussen Heerlen en Maastricht. Het ligt op de grens van het Belgische Ardennenmassief in het zuiden en het  laagland van het Noordzeebekken, dat zich in noordwestelijke richting uitstrekt en de rest van Nederland omvat.

Animatie heuvellandschap.

Het voor Nederlandse begrippen sterke reliëf springt onmiddellijk in het oog. Het heuvellandschap varieert van 60 tot 321 meter boven NAP. Het hoogste punt, de ruim driehonderd meter hoge Vaalserberg, ligt op het drielandenpunt Nederland, België en Duitsland.

Als je vanuit de lucht naar Zuid-Limburg zou kijken dan zie je dat het heuvellandschap in feite een plateau is, doorsneden door rivier- en beekdalen. De plateauvorm is in de noordelijke helft van het heuvelland moeilijk te herkennen. Ten zuiden van de Geul ligt het Plateau van Margraten. Dat plateau, dat naar het zuiden tot 140 meter hoog wordt, heeft een lichtgolvend oppervlak. Erop ligt een afwisselend landschap met dorpjes, boomgaarden, hoeves, akkers, tuinbouwgrond en weilanden. Ook zijn er oude rivierterrassen te zien. De randen van het plateau worden gevormd door steile hellingen, die vaak bebost zijn en waar ook natuurlijke ontsluitingen van de onderliggende formaties voorkomen.

De beekdalen zijn redelijk diep. De beken meanderen door grasland met populierenbosjes. Het Maasdal is de grootste kerf in het heuvelland. In de dalwanden zijn twee opvallende landschapselementen te zien: holle wegen en graften. Holle wegen zijn diep ingesleten wegen die zijn ontstaan door eeuwenlange erosie van een weg in de zachte ondergrond. Graften zijn terrasachtige hellingen. Ze liggen op de dalwanden, waar ze vaak perceelscheidingen vormen. Ze zijn ontstaan door een combinatie van vroegere landbouwmethoden en erosie. Bij het ploegen werd de grond binnen elk hellend perceel van de hoge naar de lage zijde gewerkt. Deze terrasachtige hellingen moeten niet verward worden met rivierterrassen, die op een natuurlijke manier tijdens de ijstijden zijn gevormd. Graften zijn meestal begroeid met struiken en bomen.

Vooral in de zuidelijke helft van Zuid-Limburg toont het landschap sporen van de kalkstenen ondergrond. De witbeige kalksteen dagzoomt in de steilranden van de dalen en in de groeves. Op enkele plekken zijn ook kleine en lage kuilen aan het oppervlakte te vinden, zoals boven op het Vijlenerbos bij Vaals. Deze kuilen, de zogenaamde dolines, zijn instortingen waaronder de onderliggende kalksteen is opgelost.

In de randen van het plateau heeft kalksteenwinning kraters in het landschap nagelaten. De ENCI-groeve in de Sint Pietersberg bij Maastricht is hiervan het duidelijkste voorbeeld. Van de buitenkant ziet de Sint Pietersberg eruit als een onaangetaste berg, van binnen is het inmiddels een 'holle kies': door kalksteenwinning is een kilometers breed en tientallen meters diep gapend gat ontstaan.

De opbouw van de ondergrond is gevarieerd. In het Geuldal ten zuiden van Epen bijvoorbeeld vinden we een opeenvolging van gesteentes terug van verschillende ouderdom, die het landschap een rijk en gevarieerd uiterlijk geven. Onder in het dal, bijna tegen de Belgische grens, liggen vrij grauwe zandstenen en schalies (harde kleistenen) uit het Carboon. Dit zijn de oudste formaties die in Nederland aan het oppervlakte komen: ze zijn zo'n 315 miljoen jaar oud. Eroverheen ligt een dun pakket van groenzanden uit het Krijt en daaroverheen een dik pakket van kalksteen met banden bestaande uit vuursteen. Bovenop de kalksteen liggen bodems met daarin losse vuurstenen. Dit zijn de oplossingsresten van een voorheen dikker kalksteenpakket. In het Vijlenerbos zijn bovenop de Krijtafzettingen nog zandstenen te vinden uit het Tertiair.

Naar het noorden toe duiken deze gesteentes de ondergrond in. Aan de noordrand van het Geuldal liggen bijvoorbeeld zeer zware kleien, die zijn afgezet tijdens het Vroeg-Oligoceen (35 miljoen jaar geleden). Ten noorden daarvan vinden we weer rivier- en zeezanden uit het Mioceen (15 miljoen jaar geleden). De lagen zijn doorsneden door breuken en bedekt door löss uit de laatste ijstijden.

Elk van de gesteentes heeft bepaalde eigenschappen. Kalksteen is poreus en laat water gemakkelijk door, waardoor het erboven liggende oppervlakte vaak een droog karakter heeft. De Carboonschalies, Tertiaire kleien en löss zijn juist ondoorlatend. Zo zijn de hellingbossen die op klei liggen heel nat en vind je er tal van bronnetjes (bijvoorbeeld in het Bunderbosch), terwijl hellingbossen op kalksteen (het Savelsbosch) juist droog zijn. De verschillende gesteentes vormen ook het podium voor hele eigen plantengemeenschappen en bieden verschillende mogelijkheden voor landgebruik. De diverse ondergrond van Zuid-Limburg zorgt voor een divers landschap.

Het heuvelland heeft een lange en complexe ontstaansgeschiedenis. De oudste gesteentelagen die aan het daglicht treden zijn meer dan driehonderd miljoen jaar oud. De geschiedenis omvat klamme tropische moerasbossen, striemende poolwoestijnen en heldere koraalzeeën. De oorsprong van het huidige landschap ligt maar in de laatste paar miljoen jaar. Er zijn vier processen aan het werk geweest om het heuvellandschap te vormen.

Opheffing en insnijding - Het heuvelland ligt op de noordflank van de Ardennen. Het hele gebied wordt langzaam opgeheven. Rivieren en beken snijden zich daardoor in. Hierdoor zijn de plateaus en de dalen ontstaan die het heuvelland haar reliëf hebben gegeven. Zelfs de top van de hoogste berg is bijna plat: het is het restant van een bijna totaal geërodeerd plateau.

Terrasvorming - Op de plateaus en in de rivierdalen zijn vrij vlakke stukken land met hoogteverschillen van slechts enkele meters te zien, die zijn gescheiden door vaak vrij lage steilrandjes. Het gaat hier om oude terrassen van de Maas. Ze liggen bijna op alle hoge plekken in Zuid-Limburg, met uitzondering van het uiterste zuidoosten en in een gebied ten noorden van Heerlen. De rivierterrassen zijn in de laatste drie miljoen jaar ontstaan. De vorming is een complex proces waarin klimaatschommelingen en opheffing een rol spelen.

Lössdek - Tijdens ijstijden kon de Noordzee veranderen in een poolwoestijn. De bodem daarvan werd uitgeblazen. De kleideeltjes uit die bodems werden met polaire winden naar het zuiden getransporteerd. In Limburg werden ze afgezet in de vorm van een lössdeken. Deze zeer karakteristieke geelbruine klei bedekt grote delen van het heuvelland. De dikte van het dek varieert van enkele decimeters tot twintig meter. Löss is slecht waterdoorlatend en zorgt voor drassige omstandigheden op de plateaus tijdens nat weer. Het is wel heel vruchtbaar.

Het heuvelland heeft een gevarieerd landgebruik. Ook is er in het gebied een verscheidenheid aan delfstoffen gewonnen en nog steeds te winnen. Door de gunstige ligging en vruchtbare bodems heeft het heuvelland al een lange bewoningsgeschiedenis.

De westrand en vooral de noordrand van het heuvelland is verstedelijkt. Met name in de zone Sittard-Kerkrade liggen de dorpen en steden dicht opeen en is er veel industrie of zijn er sporen van de voormalige steenkoolmijnen te zien. Naar het zuiden is het landschap heuvelachtiger. Hier vinden we een afwisseling van kleinere dorpen, weilanden, bosjes en bossen, akkerland, boom- en wijngaarden en overig tuinbouwgrond. Op steile hellingen zijn bossen te vinden die gedomineerd worden door eiken. In de dalen vinden we veelal grasland en populierenbosjes.

Vandaag de dag wordt er nog zilverzand gewonnen ten behoeve van de glasindustrie in groeves op de Heerlerheide. Ook wordt er lokaal nog naar grind gebaggerd in plassen langs de Maas. Tenslotte wordt er in de Necamigroeve in Bemelen en de ENCI-groeve bij Maastricht kalksteen voor cement en kunstmest gewonnen.

In de negentiende en twintigste eeuw waren er grote steenkoolmijnen in het noordelijke heuvelland. De laatste sloot in 1973. Op kleinere schaal is er ook bruinkool gewonnen ten bij Heerlen en Brunssum. Mogelijk al sinds de Romeinse tijd wordt er in het Geuldal lood- en zinkerts gewonnen, al liggen de belangrijkste winningsgebieden net ten zuiden van de grens in België. De winning van kalksteen voor gebruik in de bouw gaat al vele eeuwen terug en tijdens de prehistorie was het heuvelland een zeer belangrijke leverancier van vuursteen voor werktuigen.

De gunstige bewoningscondities van het gebied (vruchtbare gronden, afwisselend landschap, veel natuurlijke delfstoffen) zijn terug te zien in de lange bewoningsgeschiedenis. Sporen van oermensen zijn bijvoorbeeld teruggevonden in Midden-Pleistocene rivierterrassen in groeve Belvedère, ten noorden van Maastricht. Bij Rijckholt zijn hele complexen prehistorische vuursteenmijnen gevonden. Op het lössplateau zijn bij Elsloo schitterende Paleolitische tot Vroeg-Neolithische nederzettingen gevonden en ook de Romeinen waren actief in het gebied, getuige de vondst van tempels, warme baden (thermen) en wegen.

Cotessergroeve bij Epen.

De oudste geschiedenis van Nederland is terug te vinden in de bodem van het Geuldal tussen Epen en de grens met België. In twee groeves zijn hier gesteenten uit het Carboon van zo'n 315 miljoen jaar oud te vinden. Bij de term groeve moet je je overigens niet al te veel voorstellen: het gaat om twee kleine uitgravingen in de dalwand van de Geul, te weten de Heimansgroeve en de Cotessergroeve. Beide genieten de status van geologisch monument.

In beide groeves zijn kwartsitische zandsteen en kleischalie te zien, die zijn afgezet in een ondiepe tropische zee in een periode waarin Nederland rond de evenaar lag. De gesteenten worden tot de Baarloformatie gerekend. De zandsteen is hard en heeft een bruinige kleur. Naar het noorden duiken de gesteentes diep de ondergrond in en komt er ook steenkool in voor. De steenkool is echter niet in de twee groeves te zien.

In de Heimansgroeve is ook leisteen uit het Carboon aanwezig. Deze leisteen is gevormd uit kleilagen die in zee zijn afgezet, zoals blijkt uit de vondst van fossiele schelpen. Tektonische krachten, die ook verantwoordelijk zijn voor het omhoogkomen van de Ardennen, hebben de carbonische gesteenten omhooggedrukt. Omdat de zandsteen zich op een breuk bevindt en in verbinding staat met de diepere ondergrond, heeft het KNMI in de groeve een systeem voor de registratie van aardbevingen neergezet. Als spanningen diep in de aardkorst zich ontladen, worden ze via de harde zandsteen naar boven doorgegeven en door het meetstation in de groeve geregistreerd.

- Paul Haring, Naturalis