Le formazioni geologiche presenti nel Parco sono di origine sedimentaria, risalgono all'era mesozoica e , più precisamente ad un periodo compreso fra i 230 ed i 90 milioni di anni fa (Triassico medio - Cretacico superiore). Esse sono costituite in parte da rocce vere e proprie, come le dolomie e i calcari, che formano grosse colate detritiche e pareti verticali talvolta molto sviluppatein altezza, ed in parte da formazioni meno compatte, come le argille e le marne, sulle quali si adagiano versanti meno acclivi e generalmente coperti da foreste o da pascoli. Il nucleo essenziale delle Dolomiti ampezzane è costituito dalla Dolomia Principale, formazione rocciosa del Triassico superiore derivante dalla sedimentazione di fanghi lagunari su piane ricoperte di alghe.
	In certe zone questa dolomia stratificata occupa uno spessore di quasi 1000 metri e forma pareti e torri fra le più alte e caratteristiche del Parco, come le pareti meridionali della Tofana di Ròzes, del Cristallo e del Piz Popena e le torri di Fanes e Travenanzes.Dolomie più antiche dotate di minore spessore e stratificazione e sviluppate in estese piattaforme, affiorano alle estremità este ed ovest dell'area protetta e formano la catena Lagazùoi piccolo - Cima Falzarego - Col dei Bos. i calcari grigi, sovrastanti la Dolomia Principale nella successione stratigrafica, formano pareti molto suggestive, di particolare verticalità e levigatezza, quali la Tofana di Mezzo, il Monte Taè e gli spalti del Col Bechèi; essi sono normalmente stratificati in modo molto fitto e marcato.
Là dove gli strati sono più marcati, i calcari, più corrodibili delle dolomie, vengono profondamnete incisi da rigole di erosione e formano delle bianche e piatte lastronate come quella della Croda del Bèco e della Piccola Croda Rossa. Dove invece la loro giacitura è orizzontale, essi subiscono un'intenso processo di carsificazione, che sugli altopiani di Foses e di Rudo ha portato alla formazione di un ramificato sistema di grotte e meandri sotterranei, alcuni dei quali si sviluppano in profondità per più di 1000 metri.Altrettanto suggestivo anche se meno sviluppato è il carsismo nelle dolomie, che si manifesta in modo particolare nella Grotta della Tofana di Rozes e in una Grotta sotto la Cima Fanes di Mezzo. Una curiosità geomorfologica del Parco è la presenza di alcuni fori passanti nella roccia, derivanti da erosioni su sottili creste calcaree, fra cui il Busc de Tofana e il Busc de r'Ancona sono i più conosciuti.
	Le formazioni più antiche e più recenti dell'area protetta, localizzate rispettivamente alla base della Tofana e del Cristallo e sul colle bosco a monte di Antrùiles, sono costituite provalentemente da marne ed argille ed abbondano di testimonianza fossili; non essendo rocciose esse sono quasi sempre ricoperte di uno strato di terra fertile su cui prospera la copertura vegetale e sono spesso franose. Sui verssanti est e sud del Col Bechèi sono presenti alcuni lembi di un conglomerato dell'Oligocene-Miocene ( 20 milioni di anni), deposto successivamente alle fasi salienti dell'orogenesi alpina ed unico nel suo genere nelle Dolomiti. I fossili delle Dolomiti ampezzane, studiati e raccolti dal paleontologo Rinaldo Zardini, formano una collezione conosciuta come una delle più ricche ed interessanti a livello nazionale; essa è esposta permanentemente nelle sale del Museo de ra Regoles, nel centro di Cortina

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