Il territorio del parco, situato nell'Appennino Ligure Occidentale, è compreso tra il Giovo Ligure (516 m s.l.m.) e il Passo del Turchino (588 m s.l.m.). L'area è circoscritta da linee idrografiche importanti e ben segnalate: a Ovest il Torrente Teiro con l'affluente Malacqua e il Rio del Giovo; A Nord il Rio del Foresto il Torrente Orbarina e il Torrente Orba; a Est il Torrente Stura e il Torrente Leiro; a Sud viene intesa come limite oroidrografico la linea costiera (Molinari, 1973; Panu, 1997).
Lo spartiacque appenninico, in corrispondenza del tratto compreso nel Gruppo del Monte Beigua, si presenta come uno stretto altipiano, lungo circa 28 km, 18 dei quali a quote superiori a 1000 m. Sul versante meridionale, partendo dalla parte di Genova, il primo che si incontra è il monte Reixa, al confine del Comune di Genova e quello di Arenzano, poco distante dal passo del Faiallo. Da questa sezione del massiccio, in territorio genovese, parte la stretta e ripida valle del Cerusa, che sbocca a Voltri dopo aver fiancheggiato il Bric del Dente (1109 m s.l.m.) e le alture del passo del Turchino. A Ponente, in comune di Arenzano, segue la valle del torrente Lerone, stretto tra le pendici del Monte Reixa (1183 m s.l.m.) e del Monte Argentea (1086 m s.l.m.). La catena prosegue con il crinale del Prà Riondo, che prosegue nell'ampia dorsale sommitale del monte Beigua (1287 m s.l.m.); sono infine degni di nota il Monte Rama (1150 m s.l.m.), Monte Sciguello (1102 m s.l.m.) e il Monte Tardia (927 m s.l.m.).
Il versante Nord comprende il Monte Ermetta (1267 m s.l.m.), la Rocca del Turnou (1198 m s.l.m.), il Bric Damé (1192 m s.l.m.), il Bric Parioli (1079 m s.l.m.), la Rocca della Biscia (1067 m s.l.m.), il Monte Avzè (1022 m s.l.m.) e la Rocca della Marasca (948 m s.l.m.) (Molinari, 1973). Oltre al tratto iniziale del Torrente Orba, vanno citati anche i suoi primi affluenti (Rio Galada, Rio Rostiolo e Rio Orbarina) caratterizzati da percorso breve ed impetuoso (Mariotti, 1980).
I versanti tributari del Mar Ligure sono ripidi e spesso rocciosi, con copertura arborea discontinua, formata in gran parte da pinete di pino marittimo (Pinus pinaster).
Altrove prevalgono pascoli di origine antropica, infatti, nel periodo compreso tra il 1200 e il 1600 i boschi, costituiti prevalentemente da leccete e boschi di roverella (a quote basse e medio basse) e boschi misti a faggio, rovere, acero di monte e abete bianco (a quote medie e alte) furono intensivamente disboscati per assicurare il legname necessario al fasciame e all'alberatura delle navi della marineria genovese.
Successivamente queste aree furono in gran parte convertite a pascolo (soprattutto a sfalcio), mentre i boschi del versante settentrionale, seppure soggetti a frequenti disboscamenti furono invece convertiti da alto fusto a ceduo. Ancora all'inizio degli anni sessanta il pinastro (presenza probabilmente naturale ma comunque favorita da rimboschimenti e da tagli selettivi) ricopriva gran parte delle pendici meridionali di queste montagne, fin verso i 500–600 m di altitudine. Successivamente si è osservata una progressiva degradazione delle aree boschive, per cause diverse: a parte l'aumentata frequenza degli incendi dolosi (legata anche all'abbandono del bosco e alla mancata opera di controllo da parte dei contadini) le pinete del Beigua sono state aggredite da parassitosi, come quella dovuta alla processionaria (che ha inferto gravi danni alle pinete soprattutto negli anni settanta e ottanta) e quella (più recente, risalente agli anni novanta) legata alla comparsa della "cocciniglia del pino" (Matsucoccus feytaudi), che ha colpito gran parte delle pinete presenti, arrivando ad uccidere fino all'80% degli esemplari. Inoltre il substrato (ofioliti del "Gruppo di Voltri") si rivela chimicamente ostile all'insediamento di comunità vegetali complesse e, assieme all'erosione prodotta dalle acque meteoriche, rallenta il reinsediamento del bosco, anche a quote medio-basse; tale processo di reinsediamento deve infatti essere preceduto da una fase preparatoria, durante la quale arbusti "ricostruttori" come le eriche mediterranee (Erica arborea ed Erica scoparia), il nocciolo o la ginestra dei carbonai (Cytisus scoparius) preparano un suolo più evoluto e ricco di humus, sufficiente ad assicurare il reinsediamento delle specie arboree tipiche delle zone meno elevate e più calde del massiccio, ossia lecci, roverelle, ornielli, carpini neri; anche i frequenti rimboschimenti nel piano montano (soprattutto a pino nero d'Austria) hanno dato risultati modesti.
A differenza di quelli meridionali i versanti settentrionali sono tuttora boscosi, con estese faggete e (al di sotto degli 800 m) querceti a rovere, roverella e cerro e castagneti; la riduzione delle pratiche di diboscamento selettivo e ceduazione, sta consentendo la riconversione dei boschi verso l'alto fusto.
Le aree sommitali, sono ricoperte da brughiere costituite in prevalenza da Calluna vulgaris ed Erica carnea, cui si possono associare Vaccinium myrtillus ed Erica cinerea, alle brughiere si alternano praterie montane, di origine antropogena (diboscamento intensivo) o antropozoogena (diboscamento seguito dal pascolo), che sono invece costituite da formazioni di graminacee come Brachypodium genuense, Sesleria pichiana, Nardus stricta, non mancano le zone umide montane, di cui sono tipiche le comunità a carici (Carex nigra, Carex demissa, Carex viridula, Carex lepidocarpa, Carex panicea e Carex echinata) e giunchi (soprattutto Juncus articulatus e, alle quote più elevate e nelle esposizioni più fresche, Juncus alpino-articulatus).
Il contingente floristico, di particolare pregio, è costituito da specie boreali od orofile inquadrabili come "relitti glaciali" (Aster alpinus, Viola biflora, Saxifraga paniculata, Saxifraga exarata, Pseudorchis albida, Antennaria dioica, Gentianella campestris, Helictochloa adsurgens e Pyrola rotundifolia) da specie tipiche delle praterie palustri e delle torbiere, ambienti gravemente minacciati in Liguria (Rhynchospora alba, Drosera rotundifolia, Gentiana pneumonanthe, Lysimachia tenella, Utricularia minor, Viola palustris, Menyanthes trifoliata, Dactylorhiza incarnata subsp. incarnata, Epipactis palustris, Spiranthes aestivalis, ecc.); da entità endemiche esclusive dell'area (Viola bertolonii, Cerastium utriense, Aquilegia ophiolithica); da entità endemiche con areale più ampio ma comunque circoscritto a poche zone dell'Italia nord-occidentale (Carex ferruginea subsp. tendae, Carex fimbriata, Leontodon anomalus, Tephroseris balbisiana, Luzula pedemontana, Hyacinthoides italica, Festuca inops); da specie serpentinofile (entità esclusive o comunque legate a questo tipo di substrati) come Daphne cneorum, Cardamine plumieri, Sesamoides interrupta, Robertia taraxacoides, Linum campanulatum, Alyssoides utriculata, Asplenium cuneifolium, Linaria supina; da "relitti atlantici", ossia specie diffuse prevalentemente nel settore occidentale e nord-occidentale del continente europeo e presenti nell'area del Beigua con stazioni disgiunte all'estremo orientale dell'areale (Narcissus pseudonarcissus, Erica cinerea, Euphorbia hyberna subsp. insularis) e infine da specie considerate rare o minacciate a livello regionale (Dictamnus albus, Iris graminea, Gladiolus palustris).
Tra le specie animali di maggior interesse vanno citate la martora (Martes martes), il lupo (che, estinto nel XIX secolo, è ricomparso all'inizio degli anni novanta), il biancone (Circaetus gallicus) presenza stagionale (estiva) nell'ambito del Parco, la poiana (Buteo buteo) segnalata in tutta l'area e presente con diversi esemplari, il gufo reale (Bubo bubo) e l'aquila reale (Aquila chrysaetos), che da pochi anni è tornata a nidificare sui pendii più elevati del massiccio.
Gli Anfibi presenti nel parco appartengono in parte alla fauna più tipicamente mediterranea sul versante meridionale, ove è presente ad esempio la raganella mediterranea (Hyla meridionalis) alle pendici del Monte Beigua nei pressi di Arenzano. All'interno del parco sono poi presenti la salamandra pezzata (Salamandra salamandra), il tritone alpestre (Ichthyosaura alpestris apuana), il tritone crestato italiano (Triturus carnifex), il tritone punteggiato (Lissotriton vulgaris), La rana montana (Rana temporaria), la rana agile (Rana dalmatina) ed il rospo comune (Bufo bufo).
Alcune zone, popolate dall'epoca preistorica, conservano tracce di quelle remote popolazioni (presso Alpicella, frazione di Varazze, tracce di raschiamenti graffiti sulle rocce per limare le punte di freccia). Interessante oltre che a livello geologico e paesaggistico anche per la via ferrata presente sul posto è la Cascata del Serpente, nei pressi di Masone. Di un certo richiamo è anche il lago dell'Antenna, sul confine settentrionale del parco, dove è stata istituita una riserva di pesca turistica con periodiche immissioni di trote.
Le rocce del gruppo del monte Beigua sono principalmente rocce magmatiche più o meno metamorfosate, composte in prevalenza da ofioliti a metamorfismo di tipo alpino (distinguibili così da quelle della Liguria orientale e della Toscana centro-settentrionale). Queste rocce (comunemente definite "pietre verdi") sono costituite soprattutto da serpentiniti e serpentinoscisti a forte metamorfismo e da metagabbri e prasiniti; appartengono al complesso geologico denominato Gruppo di Voltri.
Importanti giacimenti di Rutilio sono presenti nei pressi del Bric Tarinè.
L'elevato contenuto di minerali di magnesio rende questi substrati tossici per molte specie vegetali e favorisce l'insediamento di comunità vegetali peculiari, formate da piante tolleranti nei confronti delle alte concentrazioni di magnesio.
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