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Desde su nacimiento, el río atraviesa el macizo calcáreo de la Serranía de Cuenca, formada por pliegues y plataformas estructurales sajónicas. La acción erosiva de los ríos Júcar y Cabriel ha perforado profundamente dicha unidad geológica en la parte meridional tajando hondos valles y hoces. Dominan materiales predominantemente calcáreos, aunque alternando con otros más deleznables (areniscas, arcilla y yesos) originados por la presencia de mares durante el período mesozoico. En las grandes transgresiones se depositaron espesores muy notables de rocas calcáreas (calizas, dolomías, carniolas, brechas) mientras que en las regresiones la sedimentación fue de carácter detrítico. Estos estratos fueron plegados en el Terciario durante las fases compresivas de la orogenia Alpina y serían expuestos más tarde a unos procesos erosivos que explicarían el arrasamiento total generando páramos y mesas de forma aplanada propias de las cimas de la Serranía. Al final de esta misma era, comenzaría a estructurarse la red fluvial que durante el Cuaternario erosionará las superficies de las estructuras serranas. En estas zonas de estratos calizos potentes y masivos los ríos penetraron por erosión remontante, labrando profundas hoces, como es el caso del río Cabriel. Las zonas de litología más débil, compuestas por arcillas, areniscas y yesos, se vaciaron progresivamente creando depresiones periféricas (Mariana y Fuentes) y surcos intramontanos (Salvacañete o Alcalá de la Vega). El Cabriel prosigue su marcha por la comarca de Utiel-Requena que limita con La Manchuela conquense y albaceteña. Estamos ante una superficie tabular a modo de meseta con unas altitudes medias entre 300 y 400 m. sobre el nivel del mar. El Cabriel forma un arco excavado sobre estos materiales (terciarios y cuaternarios) debido a la intensa acción erosiva y la escasa dureza de esos materiales. La labor erosiva del río ha sido muy potente en su curso al generar un amplio valle de arrastre (margas y yesos) al NO de Villargordo del Cabriel. En este sector el río cruza la sierra mesozoica del Rubial (Contreras), dando lugar a un conjunto de relieves singulares conocidos como los “Los Cuchillos” y las Hoces del Cabriel. En su trazado final y más meridional, dominan los materiales blandos compuestos por margas, calizas y areniscas que ensanchan el valle delimitado por varios meandros, lo que genera pronunciadas pendientes en cuyos espacios se muestra la escasa idoneidad de estas tierras para el cultivo salvo algunos reductos hortícolas, como por ejemplo en la zona del Retorno, en el Palomarejo (Villargordo del Cabriel), Casas del Río (Requena) y Cofrentes, donde se encuentran restos de afloramientos volcánicos neógenos en el cerro de Agrás, el pico del Fraile o el cerro del Castillo.

El río Cabriel, principal tributario del Júcar, labra un profundo cañon sobre las calizas y dolomías del Cretácico superior. Las sinuosidades del trazado del cauce, forman un paisaje de gran belleza y único en el conjunto de las tierras albaceteñas, conquenses, turolenses y valencianas, las denominadas "Hoces del Cabriel". Entre estas hoces, podemos destacar: "Hoz del Agua", "Hoz Cerrada", "Hoz Seca", "Hoz del río Mira", "Hoz del Perejil", "Hoz del Tete", "Hoz del Retorno" y por supuesto las mas conocidas "Hoz del Rabo de la Sartén", "Hoz de Vicente" y "Hoz del Purgatorio".

Tambien el río ha excavado una prolongada pendiente en la roca caliza, ocasionando un paraje con cascadas, corrientes, balsas, rápidos, saltos de agua, etc. cononido como "las Chorreras", pertenecientes a los terminos de Enguidanos y Villora.

A estas características hay que añadir la formación geológica de enorme singularidad conocida como "Cuchillos", originada por la erosión las partes más blandas de la roca, generando así una espectacular cresta vertical. Todo el conjunto está denominado como Lugar de Interés Geológico.

El ámbito del parque natural comprende suelos de orígenes meozoico y cenozoico. Entre los primeros destacamos los afloramientos triásicos de Villargordo del Cabriel y del tercer sector del río hasta Cofrentes; destacando las margas y yesos del Keuper, con sus implicaciones en una composición florística de gran interés e importancia.

Las litologías dominantes son de carácter básico: calizas, dolomías, margas o calcarenitas derivadas de rocas mesozoicas, con la notable excepción del "rodenal" de Boniches-Cañete-Villar del Humo, formación de areniscas rojas Buntsandstein y conglomerados permo-trías de carácter silíceo, que por su singularidad imprimen un carácter muy especial tanto a la vegetación como al paisaje. Son también destacables por su singularidad las formaciones de yesos paleógenos de La Pesquera y Las Derrubiadas.