Le rocce che affiorano in questo settore della Sardegna, sono le più antiche dell’isola e tra le più antiche d’Europa. E’ acclarata l’origine per deposizione dei sedimenti in un ambiente prevalentemente marino, in un periodo compreso tra il Cambriano (circa 570 milioni di anni) e il Carbonifero inferiore (circa 280 milioni di anni), ma forse l’inizio della sedimentazione risale addirittura al Precambriano superiore (670 milioni di anni). I nomi che le identificano, ricordano le località di affioramento o le zone in cui sono state studiate e descritte per la prima volta: la Formazione di Bithia (dal nome di un insediamento costiero fenicio-punico nei pressi di Chia), la Formazione di Gonnesa e quella di Nebida, la Formazione di Cabitza, la Formazione di Monte Orri, l’Unità di S. Leone e l’Unità dell’Arburese.
Sul fondo di un antico mare si depositarono inizialmente (Formazione di Bithia, Cambriano inf.) sedimenti arenacei ed argillosi con livelli calcarei, poi (Formazione di Nebida, Cambriano inf..) arenarie calcaree, calcari e dolomie. Successivamente il livello del mare subì un abbassamento e si formò una piattaforma su cui sedimentarono fanghi carbonatici (Formazione di Gonnesa, Cambriano inf.). Ma un nuovo approfondimento del mare determinò una ripresa della sedimentazione di sabbie ed argille (Formazione di Cabitza, Cambriano medio - Ordoviciano sup.). Tra la fine del Cambriano e l’inizio dell’Ordoviciano si attivò l’orogenesi caledoniana, con importanti movimenti tettonici legati, l’emersione ed il piegamento delle rocce sedimentatesi sul fondo del mare. Si formò una grande catena montuosa, di cui queste rocce furono parte.
La fase tardo ordoviciana dell’era paleozoica, vide quindi la graduale riduzione degli stress tettonici e l’avvio dello smantellamento dell’alta catena montuosa elevata dall’orogenesi Caledoniana. Alla base di quelle montagne, iniziarono a formarsi nuove rocce sedimentarie. Inizialmente era una piana alluvionale e costiera, costituiti da conglomerati e arenarie contenenti grossi blocchi di calcari e dolomie cambriani. Di questa fase, non affioranti in questo settore dell’originale catena montuosa, ma molto note, sono le Puddinghe viola visibili sulle falesie di Masua. Successivamente riprese la sedimentazione, in un ambiente di mare poco profondo, di arenarie, argille e siltiti, ricchi anche di resti fossili.
Nell’area della Miniera di San Leone affiorano metarenarie, metaquarziti e metasiltiti con non rari resti fossili che indicano un ambiente sedimentario marino, dapprima litorale, poi progressivamente più profondo. Inoltre sono presenti: metaquarziti, metasiltiti grigio scure e metacalcari fortemente silicizzati, associati a mineralizzazioni quali skarns a magnetite, andradite, hedenbergite, wollastonite ed epidoto, che fino a metà del secolo fa venivano intensamente coltivate nella miniera. Nel 1861 la Societè Anonymedes Auts Fourneaux, Forge set Accieries, Petit Gaudet et C. acquistò 360 ha di terreno includenti le masse ferrifere dando avvio alla coltivazione del giacimento nel 1863 sotto la direzione del Ing. L. Gouin.
Guardando verso nord-est, nel settore di Monte Arcosu, tra Capoterra (Santa Lucia) e Villamassargia, al di sopra dei sedimenti ordoviciani e devoniani, affiorano rocce stratificate, arenaceo-argillose appartenenti ad un complesso sedimentario attribuito al Carbonifero inferiore, denominato Flysch ercinico (tipico di una sedimentazione sottomarina). Erano i primi effetti di una nuova orogenesi. I movimenti tettonici compressivi, molto più energici di quelli della precedente orogenesi caledoniana, determinarono la formazione della Catena Ercinica europea e causarono ulteriori ed enormi deformazioni nelle rocce sedimentarie preesistenti. Queste inizialmente emersero dal mare, quindi vennero piegate e fratturate ripetutamente, trasformandosi da rocce sedimentarie in rocce metamorfiche.
Le spinte tettoniche, fecero sì che intere masse rocciose, assai estese, furono piegate e spostate di parecchi chilometri, andando a ricoprire rocce più antiche. I forti processi erosivi innescati dal contesto instabile, generano la sedimentazione di potenti coltri di depositi terrigeni alla base della catena montuosa in fase di sollevamento. Le rocce così modificate, possono in molti casi essere considerate di neogenesi. Tanto furono elevate le temperature e forti le pressioni a cui furono sottoposte. La silice si separò, andandosi a concentrare nelle pieghe dei pacchetti di strati argillosi che furono scistizzati. Quella bianca silice, nel quaternario divenne preziosa per i nostri avi, che ne fecero punte per lance e pugnali, ma soprattutto la impiegarono per accendere i fuochi (perd’arba).
Abbiamo detto delle qui tanto diffuse e caratterizzanti metamorfiti, ma una grande parte dei rilievi davanti a noi è costituita da rocce di origine magmatica intrusiva o plutonica. Si tratta del Batolite del basso Sulcis, la cui età è stata valutata intorno ai 289 milioni di anni (Carbonifero superiore). Anch’esso è conseguenza dell’orogenesi ercinica. Quando risalirono magmi provenienti dal mantello ed iniziarono a consolidarsi sotto la catena montuosa, provocando anche fenomeni di neogenesi per termo-metamorfismo di contatto. Inizialmente rimasero celati, ma dal Mesozoico ad oggi, l’erosione ha gradualmente asportato le rocce metamorfiche erciniche, portandoli alla luce, per costituire, in due settori separati da una dorsale di rocce metamorfiche, l’ossatura dei rilievi attuali.
Ai graniti sono frequentemente associate altre litologie legate al ciclo magmatico ercinico, generate da fluidi a composizione diversa dai graniti, che si consolidarono lungo le fratture della roccia. Si tratta di porfidi quarziferi (differenziati acidi a composizione leucogranitica) che si rinvengono appunto in giaciture filoniane; oppure di quarzo idrotermale bianco, che costituisce la maggior parte delle manifestazioni filoniane presenti all’interno del bacino e di cui si rinvengono filoni lunghi parecchie centinaia di metri. Alcuni di questi filoni, a causa della maggiore resistenza agli agenti metereologici rispetto alle altre rocce che li circondano (erosione differenziale), oggi affiorano sulla cresta delle montagne e delle colline dinnanzi a noi (esempio Poggio dei Pini).