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Para comprender la historia geológica tenemos que abstraernos. Los materiales que conforman estas montañas proceden de sedimentos que se encontraban en un gran geosinclina, de dimensiones regionales,l situado entre la placa geológica africana y la placa ibérica, que durante el Mesozoico (hace entre 251 y 65 millones de años) y el Cenozoico (a partir de hace 65 millones de años) formaban una enorme cuenca marina. El acercamiento de los dos continentes (de la corteza terrestre corespondiente), el africano y el europeo, dio origen a la formación de estas cordilleras por plegamiento y deformación de los materiales marinos. Fue hace unos 62 millones de años, cuando se inicia el denominado plegamiento alpino, desarrollándose montañas como los Alpes y otras de la cuenca mediterránea, entre las que se encuentran las del Parque Natural.

En el conjunto de las Cordilleras Béticas, el parque natural queda encuadrado dentro de la Zona Prebética, que enlaza con las formaciones geológicas de la meseta ibérica. Dentro de esta zona existe una clara división: el Prebético Interno y el Prebético Externo. La distinción entre ambos viene definida por los afloramientos de los materiales triásicos que descubre el río Guadalquivir, fruto de la erosión que produce en estas sierras.

Durante el Paleozoico (hace entre 542 y 251 millones de años), el gran sinclinal que había en la región se plegó en el movimiento Herciniano. Más tarde se diferenciaron la Meseta, donde predominó la erosión, y una serie de depósitos que formarían las Cordilleras Béticas.

Durante el Mesozoico (hace entre 251 y 65 millones de años) tienen lugar una serie de acciones geológicas de gran importancia para estas sierras, y que se resumen de la siguiente forma:

Periodo Triásico (hace entre 251 y 200 millones de años). El territorio está ocupado por el mar y se depositan arcillas y arenas. Al final de este período las aguas sufren una fuerte evaporación, dando lugar a la aparición de lagunas, donde se depositan los materiales procedentes de dicha evaporación.

Periodo Jurásico (hace entre 200 y 145 millones de años). Gran parte de la cuenca aún está cubierta por el mar. Aparecen una serie de materiales de tipo dolomítico y margas. Ya a finales de este período, se produce un levantamiento de los materiales.

Periodo Cretácico (hace entre 145 y 65 millones de años). A mediados de este período se produce una gran transgresión marina, formándose algunos arrecifes coralígenos, con un ambiente claramente marino de poca profundidad. Al retroceder las aguas que culmina con el depósito de calizas y dolomías. Durante el Cenozoico (desde hace 65 millones de años hasta el presente), se producen los siguientes acontecimientos geológicos:

Periodo Paleógeno (hace entre 65 y 23 millones de años). Las aguas marinas se retiran formando de nuevo algunas lagunas originadas por las aguas acumuladas durante el período anterior. Al final de este periodo se produce un cabalgamiento hacia el noroeste, plegándose y erosionándose la región.

Periodo Neógeno (hace entre 22 y 2 millones de años). se vuelve a producir una transgresión marina, y lo que es más importante, se produce una inestabilidad, que trae consigo el cabalgamiento subbético y el plegamiento prebético. Hay una compresión de sedimentos que se deforman, se fracturan y se apilan en unidades tectónicas que acaban emergiendo de las aguas, en un lentísimo proceso que continúa en la actualidad.

Período Cuaternario (desde hace 2 millones de años hasta la actualidad). Se desarrollan las formas actuales del relieve de estas sierras. Se produce un levantamiento de unos mil metros donde los ríos tienden a encajarse y erosionar el paisaje hasta llegar a la configuración actual, quedando la sierra de Segura con formas más suaves y compactas, mientras que las de Las Villas y Cazorla presentan formas más quebradas.