Γεωλογία
Το γεωλογικό υπόβαθρο των Τεταρτογεννών αποθέσεων στα Ροδαφνίδια αποτελείται από πυρομβρίτη. Ο πυρομβρίτης είναι πέτρωμα που σχηματίστηκε από την πυροκλαστική ροή κίσσηρης κατά τη διάρκεια των ηφαιστειακών εκρήξεων της Κατώτερης Μειοκαίνου Εποχής (23-16 εκατομμύρια χρόνια). Ο λόφος οριοθετείται στα βόρεια από ένα μικρό ρέμα και στα δυτικά από μεγαλύτερο ρέμα που τροφοδοτείται από τις θερμές πηγές του Λισβορίου. Τα δύο ρέματα συνδέονται στα βορειοδυτικά του λόφου και εκβάλλουν στον Κόλπο της Καλλονής, ανατολικά των αλυκών του Πολιχνίτου. Στο νότιο και δυτικό μέρος του λόφου, η τεκτονική και η ροή του νερού στο ρέμα δημιούργησαν στο πυρομβριτικό υπόβαθρο ένα μικρό φαράγγι, και η περιοχή είναι απότομη και βραχώδης. Η βόρεια πλευρά του λόφου είναι λιγότερο επικλινής, με ομαλό ανάγλυφο.
Στην αλλουβιακή πεδιάδα, γύρω από την οποία ανέπτυσσαν δραστηριότητα οι Παλαιολιθικές ομάδες του Λισβορίου, αναπτυσσόταν ένα δίκτυο αποστράγγισης της λεκάνης της Καλλονής, όπου οι αύλακες άλλοτε, όταν η στάθμη της θάλασσας έπεφτε, διάβρωναν κατά βάθος τις αποθέσεις και απέθεταν κροκάλες (υψηλή ενέργεια), ενώ αντίθετα, όταν η στάθμη της θάλασσας ανέβαινε, η περιοχή λειτουργούσε σαν πλημμυρική πεδιάδα, στην οποία απετίθετο λεπτόκοκκο κλαστικό υλικό. Κατά το τέλος της Μέσης Πλειστοκαίνου Εποχής, λόγω του τεκτονικού καθεστώτος, άρχισε να λειτουργεί στην περιοχή ένα δίκτυο κανονικών και οριζόντιο-ολισθικών ρηγμάτων, προκαλώντας περιστροφή των ρηξιτεμαχών. Εξαιτίας της διαφορικής ανύψωσης και της περιστροφής ενός τέτοιου ρηξιγενούς τεμάχους το οποίο ανυψώθηκε προς τα νοτιοανατολικά και βυθίστηκε προς τα βορειοδυτικά, σχηματίστηκε ο λόφος των Ροδαφνιδίων. Στη νότια πλευρά του λόφου, τα τεταρτογενή ιζήματα έχουν διαβρωθεί και είναι ορατό το πυρομβριτικό υπόβαθρο της αρχαιολογικής θέσης, ενώ στη βόρεια «βυθισμένη» πλευρά συναντάμε τις τεταρτογενείς αποθέσεις με τα στρώματα της Μέσης Πλειστοκαίνου εποχής, τα οποία και περιέχουν τα Παλαιολιθικά κατάλοιπα.
Στρωματογραφία
Στα Ροδαφνίδια ήλθε στο φως ένα εκτεταμένο υδρολογικό σύστημα με μικρότερους και μεγαλύτερους ποταμούς και χειμάρρους να διαρρέουν την περιοχή. Κατά τις παγετώδεις φάσεις, υπό συνθήκες ξηρασίας και με χαμηλή στάθμη της θάλασσας, στο σύστημα αυτό κυριαρχούσε η κατά βάθος διάβρωση χαράσσοντας τις παλαιοκοίτες του αποθέτοντας τελικά στις κοίτες χονδρόκοκκα ιζήματα. Αντίθετα κατά τις μεσοπαγετώδεις, όταν το κλίμα ήταν πιο θερμό αλλά και πιο υγρό και με τη στάθμη της θάλασσας υψηλή, η περιοχή εξελισσόταν σε αλλουβιακή πεδιάδα, πλημμύριζε και καλυπτόταν από λεπτόκοκκα ιζήματα. Ο εντοπισμός αυτών των αλληλοδιάδοχων φάσεων απόθεσης (χονδρόκοκκα ιζήματα κατά τις παγετώδεις, λεπτόκοκκα ιζήματα κατά τις μεσοπαγετώδεις) στη διάταξη των στρωμάτων επιτρέπει την σύνδεση των αρχαιολογικών ευρημάτων με το παλαιοπεριβάλλον τους, στο πλαίσιο της εναλλαγής των κλιματικών κύκλων της Πλειστοκαίνου Εποχής (παγετώδεις-μεσοπαγετώδεις).
Παλαιογεωγραφία
Η νοτιοδυτική Λέσβος, χάρη στη σύνθετη τοπογραφία, τα βραχώδη εξάρματα, τα ψηλά σημεία για την επόπτευση του τοπίου, τον μεγάλο υδάτινο όγκο, το πυκνό δίκτυο από μικρότερους υγροτόπους και το ηφαιστειακό τοπίο με τις θερμές πηγές και τα πυριγενή πετρώματα, δεν ήταν απλώς πέρασμα αλλά και σταθμός για εγκατάσταση. Η εξαιρετική αρχαιολογική ορατότητα οφείλεται εν πολλοίς στην καλή γνώση και επίμονη προτίμηση των Αχελαίων ομάδων σε μέρη που συνδυάζουν τα ιδιαίτερα αυτά φυσιογεωγραφικά χαρακτηριστικά.
Κατά τη διάρκεια της Μέσης Πλειστόκαινου Εποχής (780-125 χιλιάδες χρόνια Πριν από το Παρόν), αλλά και γενικότερα σε ολόκληρη τη διάρκεια της Τεταρτογενούς Περιόδου, η παλαιογεωγραφία της Λέσβου, όπως και ολόκληρου του Αιγαίου, τροποποιούνταν διαρκώς εξαιτίας πολύπλοκων γεωλογικών διεργασιών που αδιάκοπα μεταμορφώνουν το τοπίο έως και σήμερα, όπως η τεκτονική και η ηφαιστειακή δραστηριότητα καθώς και οι ευστατικές κινήσεις που οδηγούσαν συνεχώς σε σταδιακές αλλαγές στη στάθμη της θάλασσας.
Για μεγάλα χρονικά διαστήματα κατά τις παγετώδεις περιόδους του Τεταρτογενούς, με την υποχώρηση της θαλάσσιας στάθμης, οι παράκτιες περιοχές του Αιγαίου τροποποιούνταν και η χερσαία έκταση των νησιών μεγάλωνε με αποτέλεσμα συχνά τα νησιά να ενώνονται είτε μεταξύ τους ή και με τις γειτονικές ηπειρωτικές ακτές. Σε τέτοιες περιόδους η Λέσβος συνδεόταν με την ακτή της Μικράς Ασίας δημιουργώντας χερσαία περάσματα που σήμερα είναι καταποντισμένα, και επιτρέποντας σε χερσαίους οργανισμούς, όπως θηλαστικά και ερπετά συμπεριλαμβανομένων των πρωτευόντων και των ανθρωπίδων, να μετακινηθούν και να εποικίσουν το νησί. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώνεται από την παρουσία απολιθωμάτων πανίδας χερσαίων σπονδυλωτών που εντοπίστηκαν στα Βατερά με καθαρά ηπειρωτικό χαρακτήρα, και τα οποία χρονολογούνται στις αρχές της Πλειστοκαίνου Εποχής. Μεταξύ άλλων περιλαμβάνουν το πρωτεύον Paradolichopithecus arvernensis, τον νυκτερευτή Nyctereutes megamastoides, τον ρινόκερο Stephanorhinus cf. etruscus, την καμηλοπάρδαλη Palaeotragus cf. inexpectatum και από τη γιγαντιαία χελώνα Geochelone atlas. Το σχετικά ομαλό Στενό της Μυτιλήνης αποτελούσε ένα πιθανό πέρασμα καθώς μια πτώση της στάθμης της θάλασσας της τάξης των 50 μ αρκούσε για να μετατρέψει το νησί σε δυτική προέκταση της Μικρασιατικής ακτής.
Με την υποχώρηση θαλάσσιας στάθμης οι δυο μεγάλοι φυσικοί κόλποι του νησιού, ο κόλπος της Καλλονής και ο κόλπος της Γέρας, έχαναν την επαφή τους με την θάλασσα. Μετατρέπονταν σε μεγάλες λίμνες αρχικώς με υφάλμυρο και προοδευτικά με φρέσκο νερό, διαμορφώνοντας ένα ελκυστικό περιβάλλον διαβίωσης για ανθρωπίδες και ζώα. Η ίδια περιοχή καλύπτεται από πυριγενή πετρώματα όπως οι πυρομβρίτες, οι βασάλτες, οι δακίτες, οι ανδεσίτες και οι τοφίτες καθώς και από πετρώματα όπως οι κερατόλιθοι, που αποτελούν δευτερογενή προϊόντα υδροθερμικής προέλευσης, και τα οποία προήλθαν από την ηφαιστειακή δραστηριότητα στο βορειοανατολικό Αιγαίο κατά τη Μειόκαινο Eποχή. Με τα πετρώματα αυτά κατασκευάστηκαν τα εργαλεία της Αχελαίας παράδοσης.