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Hace 65 millones de años el espacio en el que ahora se encuentra Roncal se hallaba cubierto por un mar cálido y poco profundo. Los sedimentos arrastrados por las aguas y los esqueletos y conchas de los seres marinos se fueron depositando en el fondo de ese mar, transformándose lentamente en capas de roca por efecto de la compresión. Después, el brutal empuje de dos placas tectonicas levantó los sedimentos, surgiendo así las montañas de Roncal, las cuales durante millones de años han sufrido la erosión de los elementos: agua, nieve, hielo y viento, que continúan ahora dándoles forma.

El relieve karstico es característico de la cabecera del Valle de Roncal. Sus particulares formas son originadas por el agua, que al penetrar en la roca caliza reacciona químicamente, de tal modo que disuelve la misma, creando simas, dolinas y lapiaces. Debido a que el agua se filtra hacia el subsuelo, no existen grandes cursos de agua superficiales en la cabecera del valle, aunque sí subterráneos debido a la inclinación de las capas impermeables de roca, que afloran en la vertiente norte de la cordillera pirenaica, en territorio francés.

También es notable en la cabecera del Valle de Roncal la influencia del antiguo glaciar de Larra, que modeló en forma de "U" el Valle de Belagua, único valle glaciar existente en Navarra

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