Nelle colline piacentine le rocce più antiche affiorano poco più a sud delle stazioni della riserva; si tratta in gran parte di argille, e in misura minore di calcari e arenarie, intensamente deformate per aver partecipato alle lunghe vicende che hanno portato alla formazione della catena appenninica. Queste rocce sono dette Liguridi perché la loro sedimentazione avvenne sui fondali di un antico oceano (l'Oceano Ligure) che nel lontano Mesozoico, tra Giurassico e Cretacico, si estendeva in zone che corrispondono all'odierna Liguria. Dopo la chiusura dell'oceano la sedimentazione proseguì per molti milioni di anni nelle aree appenniniche, ricoprendo le rocce più antiche che formavano il nucleo dell'edificio montuoso in via di sollevamento. Gli affioramenti della riserva raccontano una parte molto recente di questa storia, quella accaduta durante il Pliocene (tra 5,3 e 1,8 milioni di anni fa). Una grandiosa trasgressione marina, ossia l'invasione del mare su terre precedentemente emerse, siglò l'inizio di quest'epoca, a seguito della quale un profondo golfo marino si stabilì nell'area dell'odierna pianura padana, e la sua la linea di costa disegnava ai piedi dell'Appennino numerose insenature. All'inizio del Pliocene il clima piuttosto caldo favorì la vita di specie marine di ambiente subtropicale, tra cui numerosi molluschi tipici di ambienti più caldi dell'attuale Mediterraneo, i cui resti sono rimasti tra le rocce come preziosa testimonianza fossile.

"Mi recai in quel rivo fiancheggiato da altissime ed ineguali sponde, e tutte le vidi formate a strati paralleli regolarissimi, seminati di marine conchiglie della più rara conservazione, siccome lo sono tutte quelle che trovansi in tutti i colli conchigliacei di questi Ducati. Vidi similmente che, siccome in tutti questi colli, sino a certa altezza le stratificazioni inferiori sono di marna cerulea, e che le superiori sono composte di sabbia rossiccia...". Così nel 1834 Giuseppe Cortesi, il primo a studiare questi luoghi, descriveva l'affioramento di Monte Giogo, dove é ben visibile il passaggio tra le argille marnose grigio-azzurre e gli strati più sabbiosi di colore giallo aranciato. Questo progressivo aumento verso l'alto della frazione sabbiosa, che si riscontra in tutti gli affioramenti della riserva, é una chiara traccia dell'abbassamento del livello marino che nel Pliocene medio-superiore portò fondali relativamente profondi, su cui si sedimentavano argille, a divenire spiagge. In alcuni affioramenti della riserva, nella parte superiore degli strati sabbiosi si riconoscono spesse banconate di colore giallo arancio, costituite da un tritume conchigliare grossolano e ben cementato che prende il nome di calcarenite (o meglio biocalcarenite, a sottolineare l'origine biologica dei granuli). Lungo il fianco sinistro dell'Arda, tra Lugagnano e Castell'Arquato, si notano tre di questi banconi; il terzo si può seguire da Monte Padova sino a Castell'Arquato, dove forma il saldo poggio su cui é sorto il borgo medievale (nel quale molte parti di edifici, muretti e scalinate sono costruite con queste rocce rossicce). Anche le associazioni fossili documentano bene i cambiamenti avvenuti durante il Pliocene: nella parte inferiore (Formazione delle Argille di Lugagnano) si trovano specie adattate a vivere su fondali profondi, tra cui i bivalvi Amusium cristatum e Anadara diluvii, mentre negli strati più sabbiosi (Formazione di Castell'Arquato) aumentano le specie legate ai bassi fondali, come Clamys latissima, Charonia nodifera, Pelecyora islandicoides, Glycimeris inflatus e Glossus humanus, quest'ultimo dalla caratteristica conchiglia a forma di cuore. Attraverso lo studio delle associazioni fossili é stato anche possibile ricostruire i mutamenti climatici durante il Pliocene. Un episodio di raffreddamento, avvenuto intorno a 3 milioni di anni fa, causò l'estinzione di circa 30 specie di molluschi tropicali; passata questa crisi, le specie tropicali rimaste vissero sino alla fine del Pliocene, quando un peggioramento climatico di maggiore portata, che segna l'inizio del Pleistocene, le scacciò definitivamente, favorendo la penetrazione dei cosiddetti ospiti freddi, tra i quali é caratteristica Arctica islandica (un grosso bivalve che vive tuttora nei mari del Nord). Anche i cetacei popolarono numerosi il mare padano: balene, balenottere e delfini trovarono condizioni ideali di vita e i loro resti fossili sono piuttosto frequenti nelle rocce della zona. L'abbondanza di scheletri di cetacei nei sedimenti piacenziani indusse il geologo ottocentesco Dante Pantanelli a formulare una affascinante ipotesi, secondo la quale il golfo padano presentava nella zona piacentina una pronunciata insenatura in cui i cetacei potevano arenarsi lungo le spiagge o, morendo al largo, finire cadaveri sul fondo fangoso.

Tra gli edifici che si incontrano salendo alla piazza del bel borgo medievale di Castell'Arquato, spicca la sede del Museo Geologico che si trova nel cinquecentesco Ospitale Santo Spirito. Nell'interno, con bei soffitti a cassettoni e affreschi seicenteschi, si svolge un percorso espositivo che comprende una introduzione sulle Scienze della Terra e sulla Paleontologia e una significativa rassegna dei fossili più caratteristici delle diverse ere. Ricchissima è la sezione dedicata ai reperti provenienti dalle vicine colline. Gran parte dei molluschi del Pliocene piacentino appartiene alla storica collezione di Odoardo Bagatti e di estremo interesse è la sezione dedicata ai cetacei, tra cui spiccano la balenottera di Monte Falcone e il cranio di Rio Carbonari. Alcune vetrine sono dedicate alla malacologia attuale e consentono di cogliere l'affinità tra le specie plioceniche e quelle odierne dei mari tropicali. Nel museo sono inoltre esposte le lastre fotografiche e le diapositive su vetro realizzate con grande perizia all'inizio del secolo da Bagatti: un importante documento storico particolarmente significativo per i reperti andati perduti. Le molteplici attività del museo, che cura il recupero e il restauro dei fossili della riserva, prevedono una scuola estiva di paleontologia e anche ricerche internazionali (dal 1987 sono state organizzate tre spedizioni scientifiche in Ladakh, Tibet e Urali e alcuni dei campioni raccolti sono esposti nella sezione sulla Tettonica a Zolle). Una grande sala è dedicata alla didattica: oltre che di strumenti tradizionali, è dotata di supporti informatici che permettono a studenti e appassionati di classificare le oltre 800 specie del Piacenziano.

L'adozione di una scala dei tempi geologici accettata in tutto il mondo scientifico è fondamentale per confrontare eventi accaduti contemporaneamente in parti molto lontane del pianeta. Nella scala, che é detta geocronologica se riferita a intervalli di tempo puro e cronostratigrafica se riferita a successioni sedimentarie, il tempo viene suddiviso con una logica gerarchica in unità di durata diversa. Rigide regole raccolte in codici specifici, tra cui il Codice Italiano di Nomenclatura Stratigrafica, stabiliscono come le diverse unità-tempo debbano essere istituite, nominate o cambiate. In questa scala l'unità fondamentale è quella di rango inferiore; che rappresenta un breve intervallo di tempo detto età. I sedimenti, generalmente appartenenti a successioni marine, continue e fossilifere, che si sono depositati nel corso di un'età formano un'unità cronostratigrafica detta piano. La formalizzazione di un piano richiede la definizione di uno stratotipo, ossia di una sezione stratigrafica ubicata in una località rappresentativa, che costituisca il riferimento ufficiale per confronti e correlazioni. Nella scala cronostratigrafica il piano, e quindi l'età, riceve sempre il nome della località tipo, che nel caso del Piacenziano è rappresentata proprio dagli affioramenti situati nelle colline di Piacenza.