Nantes est bâtie sur le Massif armoricain, une chaîne de montagnes altérées qui peut être considérée comme l’épine dorsale de la Bretagne. Les montagnes, qui s’étendent de l’extrémité de la presqu’île bretonne jusqu’aux abords du bassin sédimentaire parisien, sont composées de plusieurs crêtes parallèles de roches ordoviciennes et cadomiennes. Nantes est l’endroit où l’une de ces crêtes, le Sillon de Bretagne, rencontre la Loire. Il traverse l’extrémité ouest de la vieille ville, formant une série de falaises au-dessus des quais. L’extrémité de la crête, la butte Sainte-Anne, est un repère naturel à 38 mètres d’altitude ; ses contreforts sont à une altitude de 15 mètres.
Le Sillon de Bretagne est composé de granit ; le reste de la région est une série de bas plateaux recouverts de limon et d’argile, avec des micaschistes et des sédiments trouvés dans les zones inférieures. Une grande partie de la vieille ville et toute l’île de Nantes sont constituées de remblais. Les altitudes à Nantes sont généralement plus élevées dans les quartiers ouest sur le Sillon, atteignant 52 mètres au nord-ouest. L’Erdre coule dans une faille ardoisière. L’Est de Nantes est plus plat, avec quelques collines atteignant 30 mètres. Les points les plus bas de la ville, le long de la Loire, sont à 2 mètres d’altitude.
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