Das Einzugsgebiet des Pegels Nanzdietschweiler kann vereinfachend in drei Bereiche eingeteilt werden, die sich auch in der Geologie widerspiegeln: das Nordpfälzer Bergland in dem permische Gesteine anstehen, die Kaiserslauterer Senke und der Zweibrücker Westrich (Pfälzisch-Saarländisches Muschelkalkgebiet), die aus unterschiedlichen Gesteinen des Buntsandstein aufgebaut sind.

Das Saar-Nahe-Becken ist das größte geschlossene Rotliegend-Gebiet Deutschlands. Über Schichten des Karbon, die vor allem im Saargebiet zu Tage treten, liegen mächtige Rotliegend-Sedimente, in die teilweise sehr große Körper von Vulkaniten (beckeninternen Förderung von Laven, Tuffen und sauren und basischen Intrusionen) eingeschaltet sind. Es entstand als intramontane Senkungszone des variskischen Gebirges. Durch terrestrische Sedimentation des Abtragungsschutts der umgebenden Gebirge entstanden im Permokarbon Konglomerate, Breccien, Sand- und Tonsteine und Kohleflöze.
Oberkarbonische Gesteine treten im Zentrum des Saar-Nahe-Beckens, dem Pfälzer Sattel, zu Tage. Diesen schließen sich auf beiden Flanken des Sattels Rotliegend-Gesteine der Glan-Subgruppe an, die südöstlich des Pfälzer Sattels in weiten Gebieten von permotriassischen Ablagerungen (Zechstein und Trias) überlagert werden. 

Der nördliche Teil des Einzugsgebietes liegt im Bereich des Pfälzer Sattels. Hier stehen graue, teilweise rote Ton-, Silt- und Sandstein mit Konglomerat sowie vereinzelt Tuff, Kalkstein und Kohle an. Diese Sedimente werden dem Stefan des Oberkarbon oder der Unteren Glan-Subgruppe des Unteren Rotliegenden zugeordnet. Nördlich und südlich folgt ein schmaler Streifen Rotliegendgesteine, der von konlomeratischen Arkosen der Oberkirch-Formation über Wechsellagerungen aus grauem ton Silt- und Sandstein, Konglomerat, Tuff und Kalkstein gebildet wird. Diese Sedimente werden in die Obere Glan-Subgruppe (Unteres Rotliegendes) gestellt.

In  einem schmalen Streifen im südlichen Bereich der Rotliegendgebiete, am Übergang zum Zechstein, stehen Wechsellagerungen aus rotem Ton, Silt- und Feinsandstein und gebietsweise äolischer Fein- bis Mittelsandstein der Kreuznach-Formation an, die besonders in Randbereichen rote Brekzien und Konglomerat führen. Diese Sedimente werden in die Nahe-Subgruppe gestellt, die durch fluviatil-alluviale Sedimentationsbedingungen unter ariden Bedingungen im Oberen Rotliegenen gekennzeichnet ist.

Die Vulkanite im Einzugsgebiet betehen aus basischen bis intermediären Effusiva: basaltischer Andesit und Andesit mit subophitischem bis intergranularem Gefüge.

Den Übergang zu den Buntsandsteingebieten kennzeichnet ein Streifen aus schluffigem, rotem bis braunrotem Fein- bis Grobsandstein, der im basalen und oberen Teil oft geröllreich ist. Es handelt sich dabei um Sedimente der Staufer-Schichten aus dem Zechstein. Hier sind einige Flächen von pleistozänen, schluffig bis lehmigen und z.T. umgelagerten Lössen, Lösslehmen, Schwemmlössen und Sandlöss bedeckt.

Der Zentralbereich der Kaiserslauterer Senke ist durch Moorbildungen gekennzeichnet. An seinen Rändern finden sich locker gelagerte, z.T. steinige oder kiesige Abschwemm-Massen aus Lehm und Sand und kiesig, sandige, z.T. lehmige Terrassensedimente.

Nördlich der Moorgebiete besteht der Buntsandstein aus massigen, geröllführenden, schräggeschichteten, violetten bis hellroten, kieselig gebundenen Mittel- bis Grobsandsteinen der Trifels-Schichten (Unterer Buntsandstein). Südlich der Moorgebiete und im Westen der Senke steht in einem schmalen Streifen roter, Grob- bis Feinsandstein an, der basal meis kieselig, geröllführend und in Felszonen schräggeschichtet ist. Höher ist er oft locker gebunden, eher feinkörnig und meist dünn horizontalgeschichtet. Diese Gesteine der Rehberg- und Schlossberg-Schichter wurden im Unteren Buntsandstein sedimentiert. Im Süden des Einzugsgebietes hebt sich die Schichtstufe der Sickinger Stufe deutlich aus der Niederung ab. Sie wird aus meist mittel- bis grobkörnige, z.t. konglomeratischen Sandsteinen mit sehr variabler Kornbindung aufgebaut, der im Mittleren und Oberen Buntsandstein abgelagert wurde. Gesteine des Unteren Muschelkalk stehen nur in einem kleinen Gebiet an der Wasserscheide im Süden des Einzugsgebietes an. Die geologische Karte basiert auf einem Auszug der Geologische Übersichtskarte von Rheinland Pfalz 1:300.000 (GÜK 300). Für die Darstellung wurden ähnliche geologische Einheiten unter Berücksichtigung der Durchlässigkeit der Gesteine vereinfachend zusammengefasst.

Die weiß dargestellten Flächen im Westen des Einzugsgebietes liegen im Saarland. Die geologischen Einheiten sezten sich bis zur Wasserscheide über die politische Grenze hinaus fort.

Quellen: GÜK 300 Stand 3/3003; Kneidl (1984), Henningsen/Katzung (1998), Steingötter (2005).