La basse vallée de la rivière du Gouffre est remblayée par des dépôts quaternaires appartenant au Wisconsinien et à l'épisode marin goldthwaitien. Le lit rocheux préglaciaire correspond à une faille orientée NO-SE. Le refroidissement climatique qui a sévi sur la région au Fini-glaciaire a permis une réavancée du front glaciaire associé à la récurrence deSaint-Narcisse, phase durant laquelle s'effectua la mise en place de matériel glacio-marin. La mer de Goldthwait a par la suite submergé la vallée jusqu'à la cote de 170 m. L'analyse des coupes stratigraphiques et les datations 14C obtenues à partir d'échantillons prélevés dans les sédiments fini-glaciaires et holocènes ont permis de définir la chronologie des événements depuis plus de 11 000 ans BP. À cette époque, un lobe de glace flottante s'est avancée jusqu'à l'embouchure de la baie Saint-Paul et vraisemblablement à l'intérieur de l'estuaire moyen. La photo-interprétation a permis de circonscrire le plus ancien glissement de terrain qui est survenu dans la vallée, lequel date l'abaissement du niveau marin au niveau de la terrasse de 20-35 m. Une discontinuité liée aux argiles basculées, non liquéfiées, est observable sous les dépôts de la terrasse de 8-10 m et au niveau du haut estran. L'existence d'un niveau marin plus bas que l'actuel vers 4600 ans BP a aussi été suggérée dans la baie. La courbe d'émersion post-glaciaire proposée pour ce secteur rend compte d'un déglacement qui semble s'être produit de l'est vers l'ouest de la vallée.