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La geología local está caracterizada por la presencia de rocas sedimentarias (66-56 Ma) de la Formación Quiriquina y Formación Curanilahue, pizarras y filitas del Basamento Metamórfico Paleozoico (342-273 Ma), y granitoides pertenecientes al Batolito Costero del Sur (310-290 Ma).
 
Se han realizado importantes hallazgos paleontológicos de restos fósiles de vertebrados como plesiosaurios, mosasaurios, tortugas marinas y dientes de tiburón, e invertebrados como ammonites, bivalvos y gastrópodos, además de trazas fósiles y mantos de carbón.
La geomorfología del lugar está marcada por la presencia de acantilados litorales de hasta 70 metros de altura, plataformas de abrasión, playas y un arco litoral producto de la erosión diferencial en rocas ígneas.
La ocurrencia de numerosos procesos de remoción en masa como deslizamientos, flujos y caídas de roca, hacen de Cocholgüe un laboratorio natural donde considerar las causas y consecuencias de los peligros geológicos asociados a la inestabilidad de laderas y taludes.
En los acantilados costeros es posible observar niveles de antiguas terrazas marinas, intercalaciones de rocas y estructuras sedimentarias, que evidencian procesos tectónicos de alzamiento-subsidencia y variaciones del nivel de mar que han afectado al sector a lo largo del tiempo geológico.

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