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I Monti Martani presentano una varietà di caratteri geomorfologici ed idrogeologici e contatti litologici di particolare interesse, tipici dell'evoluzione tettonica dell'area. Presenta terreni sedimentari di origine marina facenti parte della serie calcarea e terrigena Umbra con litotipi che vanno dai calcari ad Avicula contorta del Retico (circa 200 milioni di anni di età) alla formazione flyschoide della Marnoso Arenacea (circa 20 milioni di anni di età).
L'alto grado di permeabilità delle rocce calcaree e la presenza di un complesso sistema di faglie ha permesso l'instaurarsi di una circolazione idrica sotterranea profonda e complessa. L'abbondanza di sali carbonatici e di anidride carbonica presenti nelle acque sotterranee, ha consentito la deposizione di formazioni travertinose che caratterizzano il bordo occidentale della catena montuosa. Lungo questo bordo travertinoso sono presenti importanti sorgenti minerali.