Le massif des Calanques est essentiellement constitué de roches calcaires datant du Mésozoïque (250 à 65 millions d'années). Ces roches sédimentaires ont été formées pour la plupart dans les mers chaudes du Jurassique et surtout du Crétacé, par l'accumulation de particules minérales et organiques compactées et cimentées entre elles. Les fossiles d'organismes marins (ex. algues, oursins, rudistes) témoignent de cette origine marine. À la suite de mouvements tectoniques (formations des Pyrénées puis des Alpes)[réf. nécessaire], les roches ont ultérieurement émergé. Vers 1,5 Ma, un dernier mouvement tectonique surélève toute la région.
Le nord du massif de Marseilleveyre et le massif de Carpiagne sont constitués de roches plus anciennes (Jurassique). Dans la majorité du massif et des îles, le calcaire à faciès urgonien (blanc, à rudistes et formé dans une mer tropicale peu profonde) marque le paysage. À l'est de Cassis, le massif de Canaille est constitué de roche récifale et deltaïque datant de la fin du Crétacé.
À plus petite échelle, le découpage du littoral sous forme de dizaines de calanques a été causé par l'érosion des cours d'eau, creusant des vallons jusqu'au débouché à la mer, et aux variations ultérieures du niveau de la mer. La roche calcaire très fissurée et des phénomènes karstiques ont formé un nombre important de grottes et cavités souterraines (ex. Saint-Michel d'Eau douce), sources (ex. Port-Miou et Bestouan à Cassis).
La Flore
L'étude de l'habitat effectuée dans le cadre du programme européen Réseau Natura 2000 permet de recenser plus de vingt-six milieux naturels, auxquels il faut ajouter quarante habitats mixtes. On a identifié neuf cents espèces végétales environ, et quatre-vingt trois espèces protégées.
La Faune
Parmi les espèces d'oiseaux, l'aigle de Bonelli, le puffin cendré, et le puffin de Méditerranée fréquentent les lieux. On dénombre douze espèces de reptiles, quatre d'amphibiens, et parmi les mammifères, le rhinolophe a son refuge dans les cavités karstiques du massif.
Milieu Marin
Le relief sous-marin est constitué principalement par deux types d'écosystèmes : le coralligène sur les tombants et l'herbier à posidonie sur les replats d'érosion.
Près d'une soixantaine d'espèces végétales et animales bénéficient de l'attention des chercheurs ou d'un statut de protection : l'algue verte Caulerpa prolifera, l'algue rouge Lithophyllum lichenoïdes, posidonie, corail rouge, dentelle de Vénus, spondyle pied d'âne, datte de mer, grande nacre, triton (Charonia lampas). Parmi les crustacés comestibles, la petite cigale de mer et la grande cigale, la grande araignée de mer, la langouste rouge et le homard européen. L'oursin diadème et la figue de mer5. La grande patelle semble avoir disparu, en raison de sa récolte excessive.
Certaines espèces de poisson sont menacées : le mérou brun, le corb, le denti, l'hippocampe moucheté.
Parmi les espèces parfois rencontrées dans les eaux côtières : des tortues, des dauphins. Le dernier phoque moine des Calanques a été tué vers 1945.
Le massif attire toute l'année de nombreux visiteurs, randonneurs et grimpeurs grâce au vaste choix de sentiers suspendus entre la mer et les reliefs tortueux. Le GR 51-98 traverse le massif des Calanques d'ouest en est. Cet espace préservé à proximité de villes importantes cristallise les problèmes de surfréquentation en milieu naturel fragile. Les chemins sont escarpés, certains passages sont risqués pour un marcheur inexpérimenté, d'autres sont vertigineux et dangereux en cas de mistral (risque de déséquilibre sur les crêtes en raison du vent). Aucun point d'eau n'existe à l'intérieur du massif et l'ombre est rare.
Les calanques de Callellongue, Sormiou, Morgiou sont habitées et accessibles par la route. Il est possible à partir de Callellongue et de Luminy de rejoindre les transports publics, exploités par la Régie des transports métropolitains. Cassis est également un point de départ important pour visiter les calanques en partant de Port-Miou.
Du 1er juin au 30 septembre, en raison des risques d'incendie, l'accès aux massifs sensibles de l'ensemble du département des Bouches-du-Rhône est réglementé. Les informations sur les accès aux massifs, mises à jour quotidiennement, sont accessibles sur le site internet de la Préfecture des Bouches-du-Rhône
Les falaises calcaires des Calanques sont un site d'escalade dès la fin du XIXe siècle, marqué par l'ascension en 1879 du sommet de la Grande Candelle par le consul britannique Francis W. Mark. Dès cette époque, elles deviennent un terrain d'entrainement à l'alpinisme pour les Excursionnistes marseillais et la section locale du Club alpin. À partir des années 1900, les lieux reculés sont explorés (Val Vierge, Devenson, Castelvieil) et les principaux sommets et aiguilles sont gravis : rocher des Goudes (1900), aiguille de Sugiton (1903), aiguille de Sormiou (1904). Dans les années 1920 de grandes voies sont ouvertes le long des grandes fissures et des arêtes, telles l’arête de Marseille (1927) ou l’arête de la Cordée (1928)12.
À partir des années 1930, des voies difficiles sont ouvertes et des alpinistes marseillais comme Édouard Frendo (1910-1968), Gaston Rébuffat (1921-1985), Georges Livanos (1923-2004) s'illustreront dans de célèbres ascensions alpines. Ultérieurement, des voies extrêmement techniques sont ouvertes en escalade artificielle sur des parois compactes ou déversantes, notamment à la grotte de l'Ermite, aux toits de Sugiton et à la paroi de la Concave.
À partir des années 1960, c'est l'essor de l'escalade libre avec l'influence de grimpeurs américains (Hemming, Robbins, Harlin) marquée à En-Vau par l'ouverture del'éperon des Américains. À partir des années 1970-1980, de très nombreuses voies sont équipées pour l'escalade sportive et la réputation des Calanques s'étend en France et en Europe. Des grimpeurs français s'illustrent dans des voies libres de plus en plus difficiles, comme Patrick Edlinger dans Nymphodalle (7c, 1979), jusqu'au neuvième degré avec François Legrand dans Robi in The Sky (9a, 2000). L'équipement de nouvelles voies se poursuit les décennies suivantes, financé par les clubs et collectivités locales. La création du parc national entraîne l'interdiction d'équiper de nouvelles voies ainsi que des mesures visant à protéger la faune et la flore (sentiers d'accès, falaises de nidification).
Avec environ 3 400 voies répertoriées (2 400 sportives et 1 000 d'aventure), des accès faciles et un climat favorable en toutes saisons, les Calanques sont aujourd'hui l'un des plus célèbres sites d'escalade en France et en Europe.
Le littoral des Calanques est un lieu réputé pour la plongée sous-marine.
La grotte Cosquer est située au-dessus du niveau de la mer, sous la pointe de Morgiou, mais son entrée est à -37 m de fond, un long boyau remontant vers la grotte. À la suite d'un accident mortel de plongée, cette entrée est désormais interdite. Ses parois sont ornées de peintures et de gravures datant de 27 000 à 19 000 ans av. J.-C. et représentent des animaux terrestres (bisons, bouquetins, chevaux…) aussi bien que marins (phoques, pingouins, etc.) L'entrée aujourd'hui immergée était située à près de cent mètres au-dessus du niveau de la mer à l'époque où les dessins et empreintes furent exécutés, pendant la régression marine provoquée par la dernière glaciation.
Devant le massif des Calanques de Marseille, deux épaves romaines ont été fouillées lors d'une des premières grandes campagnes de la Calypso du Commandant Cousteau, au pied de l'îlot du Grand-Congloué. Récemment a été retrouvée au pied de l'île Jarre l'épave du navire qui apporta à Marseille la peste de 1720.
À un demi-mille à l'est de l'île de Riou, devant le massif, l'association Aéro-Relic et la société marseillaise Comex ont en 2003 remonté à la surface l'épave de l'avion militaire de type Lockheed P-38 Lightning du célèbre écrivain-aviateur Antoine de Saint-Exupéry, disparu le 31 juillet 1944 lors d'une mission de reconnaissance préparant le débarquement des Alliés (15 août) sur les côtes de Provence.
Les amateurs de plongée peuvent descendre visiter l'épave du paquebot Liban, échoué contre le tombant de l'île Maïre, à l'extrémité ouest du massif.
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