"Da oltre quaranta anni io sono venuto visitando un piccolo colle del nostro territorio in grazia della copia e varietà dei fatti geologici che esso offre raccolti (...). Il colle è posto ove il torrente Samoggia entra nella pianura; conosciutissimo per antichi fatti storici con il nome di Mons Belli volgarmente Monte Velio. In esso è sviluppatissimo il terreno delle Argille scagliose, ed il miocenico: e vi è rappresentato il terreno pliocenico; ciascuno con i suoi caratteri che gli sono peculiari, trovandosi essi ne' loro mutui rispettivi rapporti, e col giacimento che è proprio a ciascuno. Esso offre può dirsi raccolto e ordinato un compendio della Geologia bolognese". Le parole usate nel 1870 dal geologo bolognese Giuseppe Bianconi per il colle di Monteveglio sono ancora una eccellente introduzione alla geologia di queste colline, che davvero si presentano come un manuale da sfogliare passeggiando per i sentieri del parco. La varietà di ambienti che si alternano in poco spazio, una peculiarità che subito si nota, è dovuta proprio ai repentini mutamenti del substrato geologico, tra le più erodibili rocce argillose, sulle quali si approfondiscono i calanchi, e le più tenaci marne, calcareniti e arenarie, che hanno dato origine a rilievi pronunciati, versanti a tratti ripidissimi e profonde vallecole, dettando anche i limiti allo sviluppo agricolo e agli insediamenti.

Dal punto di vista naturale tra le zone più pregiate del parco spiccano alcuni bacini calanchivi situati lungo i terreni argillosi che dal Samoggia raggiungono il Panaro: la vallecola del fosso San Teodoro, la testata del rio Ramato, l'affascinante anfiteatro di Pan Perso. In queste profonde incisioni affiorano le rocce più antiche dell'Appennino bolognese, che sempre Bianconi, in uno studio del 1840, aveva descritto con grande efficacia: "Una superficie levigatissima, dolce, untuosa al tatto, lucente, ceroide e metalloide si presenta andando a seconda delle scaglie di cui è costantemente composta questa sorta di Argille (...) ed è questo carattere talmente proprio (...) che credemmo doverle chiamare provvisoriamente Argille scagliose...". I calanchi del parco sono un luogo esemplare per l'osservazione di queste rocce, tuttora note con la denominazione "provvisoria" di Bianconi, che hanno una storia travagliata e affascinante, come si può intuire anche solo dall'osservazione. Esse si presentano, infatti, come un variopinto e disordinato miscuglio, evidentemente scompaginato rispetto alla giacitura originale. La stratificazione che un tempo le caratterizzava non è più riconoscibile e al suo posto compaiono discontinue strisce, dai toni grigi, bianchi, neri, viola, rossi, verdi, che disegnano forme bizzarre, piegate e ravvolte come lacci o nastri e a volte stirate in allineamenti multicolori, in cui sono inclusi blocchi più tenaci di calcari e arenarie. Queste argille si sedimentarono, tra 100 e 60 milioni di anni fa, sul fondo di quello che i geologi chiamano Oceano Ligure-Piemontese. Dalla chiusura di questo piccolo braccio oceanico ha avuto origine la catena appenninica e nel corso dell'orogenesi, durata molti milioni di anni, le Argille scagliose hanno compiuto spostamenti di molti chilometri, deformandosi sino a diventare lo sconvolto miscuglio che si osserva oggi. Esse formano la base d'appoggio per le formazioni geologiche più recenti e negli ultimi decenni sono state indicate con vari nomi: Complesso Caotico Eterogeneo, Complesso Alloctono, Alloctono Indifferenziato, Mélange sedimentari o tettonici, Liguridi. Al loro interno si trovano interessanti mineralizzazioni: piriti, marcasiti, bariti (di cui i calanchi della zona sono notoriamente ricchi), calciti e septarie (in particolare a Pan Perso).

Lungo gli scoscesi versanti del rio Ramato e i contrafforti delle pendici meridionali della Cucherla e di Monte Gennaro, affiorano le rocce marnose e calcarenitiche che caratterizzano i rilievi più pronunciati del parco: ai piedi dei due colli è evidentissimo il passaggio dalle argille alle più chiare rocce soprastanti, sottolineato da un netto gradino morfologico e dal mutamento della copertura vegetale: le ripide balze rocciose, a tratti rivestite da un rado bosco, si staccano vistosamente dai calanchi, la cui discontinua copertura vegetale è soprattutto formata di praterie e arbusteti. Osservandole da vicino, le rocce rivelano tonalità che vanno dal beige all'avana, una stratificazione talora difficile da distinguere e una granulometria molto variabile. Le particelle che formano queste rocce si sedimentarono infatti durante il Miocene medio (17-15 milioni di anni fa) in bacini marini poco profondi sopra le già deformate "Argille scagliose" e sono perciò dette Epiliguridi (che stanno sopra alle Liguridi). Durante questo periodo i fondali si approfondirono progressivamente, passando da sedimenti più grossolani (arenarie e calcareniti) a sedimenti fini (marne siltoso-sabbiose), che qui affiorano con evidenza lungo il rio Ramato. Appartengono a un'unità Geologica molto estesa nell'Appennino emiliano, la Formazione di Bismantova, che prende il nome dalla celebre rupe della montagna reggiana.