Vor 400 Millionen Jahren gab es hier ein stürmisches Meer, dessen heftige Wellen gewaltige Sandmassen aufschichteten, aus denen sich dann der heutige Taunusquarzit gebildet hat.
Vor 300 Millionen Jahren, im Karbon, war das Gebiet dagegen trocken. Im tropischen Klima gediehen ausgedehnte Baumfarn – Wälder.
Das Perm vor ca. 250 Millionen Jahren verwandelte die Gegend in eine heiße Wüste. Der in dieser Zeit entstandene rote Sand ist die geologische Grundlage des Mainzer Beckens
und tritt als das so genannte „Rotliegende“ an manchen Stellen zu Tage (Nierstein).
Am Beginn des Tertiärs vor 65 Millionen Jahren wuchs hier ein tropischer Regenwald. Als dann zunächst der Oberrheingraben und etwas langsamer als dieser das heutige Rheinhessen absanken, konnte im mittleren Oligozän über den inzwischen noch tiefer liegenden Oberrheingraben zunächst das Südmeer und dann im weiteren Verlauf über die Wetterausenke auch das Nordmeer einfließen. In das soentstandene Meer führten die Flüsse der Umgebung in Millionen Jahren soviel Sediment heran, dass es zur Verflachung und zur Aussüßung kam.
Im Unteren Miozän sank die Rheinhessische Platte erneut ab und wurde wieder überflutet. Es wurden nun allerdings in erster Linie Kalke abgelagert.
Vor 11 Millionen Jahren im Ober – Miozän wurde das Mainzer Becken schließlich wieder festes Land. In einem ausgedehnten Flusssystem, dessen Sandablagerungen nach den darin gefundenen Knochen der elefantenähnlichen Riesentiere die Dinotherien-Sande genannt werden, herrschten Temperaturen wie im Mittelmeergebiet.
Im Pliozän vor 6 Millionen Jahren entstand der Grundstock unserer heutigen Pflanzenwelt. Laub und Nadelwälder wuchsen bei uns, bis sie durch das Auftreten der Eiszeiten wieder ausstarben, zurück blieb eine kalt-kontinentale Steppenvegetation. In den Zwischeneiszeiten wurde es zum Teil wärmer als heute, und eine entsprechende Pflanzen- und Tierwelt konnte von Süden wieder vorrücken.
Die Bildung der heute vorkommenden Flugsande im Mainzer Becken erfolgte während der letzten trocken-kalten Periode der Würm-Eiszeit (Gletscher bis zum Fluss Würm im Voralpenland) vor etwa 18.000 Jahren und war vor etwa 10.000 Jahren abgeschlossen.
Für die Altersbestimmung wichtig war die erst 1958 erfolgte Entdeckung – von SONNE und STÖR – eines bis 15 cm mächtigen Bimstuffbandes im Flugsand. Diese über die Luft gekommenen „Bimsniederschläge“ stammen von den rund 80 km entfernten Eifelvulkanen. Deren Eruptionen erfolgten vor etwa 10.000 Jahren, d.h. im Alleröd der ersten Wärmeperiode nach der letzten Eiszeit, kulturgeschichtlich in der mittleren Steinzeit. Gefunden wurde das Bimstuffband in der ehemaligen Sandgrube „Walter“ im Gonsenheimer Wald.
Die Würm – Eiszeit wurde durch eine etwa tausend Jahre andauernde Wärmeperiode (Bölling – Wärmeschwankung) unterbrochen.
Die Flugsande der ersten Periode sind ziemlich kalkfrei, während Sande die nach der Wärmeschwankung verweht wurden einen erhöhten Kalkanteil haben und daher Kalkflugsande genannt werden.
Dieser Flugsand konnte sich in den vegetationsfreien, trockenkalten Perioden bilden und wurde als Auswehungsprodukt der Flussablagerungen über die tertiären Schichten geweht. Er lagerte sich dort als Dünen ab, die bis zu 10 Meter Mächtigkeit erreichen konnten.
Am Verlauf der Dünen ist heute noch ersichtlich, dass die Sande durch Winde aus West bis Nordwest transportiert wurden.
DIE ENTWICKLUNG DER TIER- UND PFLANZENWELT
Die beginnende Erwärmung begünstigte die Einwanderung von Steppenpflanzen aus den südrussischen Gebieten in das warme, trockene Mainzer Becken mit seinen meist nur mit Kiefern bewachsenen Binnendünen (Federgräser, Sand-Lotwurz, Adonisröschen…).
Später kamen Tier- und Pflanzenarten aus dem Mittelmeergebiet dazu, die sich aufgrund des sommerwarmen Klimas und dem Fehlen eines dichten Waldes großflächig ausbreiten konnten (Karthäuser-Nelke, Nadelröschen…).
Klimatische Veränderungen im Laufe der Zeit (es wurde kühler und feuchter) brachten ein Vordringen von Bäumen mit sich (erst Eichen, dann Buchen), die Steppengebiete verschwanden allmählich, bis auf kleine Restflächen.
Die Steppenpflanzen konnten nur dort überleben, wo, kleinklimatisch, Bedingungen herrschten, die der Bewaldung Grenzen setzten und wo ihre Konkurrenzkraft gegenüber den anderen Pflanzen, gestärkt wurde.
Ein solches Gebiet stellt das NSG Mainzer Sand dar, das man somit als Relikt der nacheiszeitlichen Kiefern-Steppen-Zeit bezeichnen kann.
Über Jahrhunderte diente der ‘Große Sand‘ als Weidefläche für Schafe und Ziegen, die den Baumwuchs begrenzten. Begünstigt wurde die Steppenflora darüber hinaus durch die Trockenheit und die Niederschlagsarmut dieses Gebietes.
Auch die spätere militärische Nutzung durch die preußischen und österreichischen Truppen der Festung Bundesfestung Mainz verhinderte eine natürliche Ausweitung des benachbarten Lennebergwaldes. Später nutzen auch die Wehrmacht und nach dem 2. Weltkrieg auch französische und später amerikanische Truppen den Sand als Übungsplatz. Auch heute noch sind Teile des Mainzer Sandes Übungsgelände der US-Truppen.
Parallel zur militärischen Nutzung wurden etwa 1900 größere Teile des Sandes zur Anlage von Obstplantagen genutzt 1933 begann man auch mit der Bebauung von Randgebieten des Mainzer Sandes.
1939 wurde dann ein 33 ha großer Teil des Sandgebietes, als Naturschutzgebiet ausgewiesen.
Ein entscheidender Einschnitt war der Bau der Autobahn 1966. Er zerschnitt den Sand in zwei große Teile. Östlich der Autobahn das ursprüngliche NSG mit den militärischen Flächen an der Hasenquelle und dem Übungsgelände an der Autobahnauffahrt. Westlich der Autobahn große Panzerübungsgelände.
1994 erfolgte die Erweiterung des Naturschutzgebietes um 94 ha, bestehend aus den militärisch genutzten Flächen und dem Mombacher Oberfeld.
