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La provincia de León conserva en algunas parte el primitivo núcleo granítico que se extendía por Zamora y Galicia; terrenos primaros del periodo cámbrico, en valles de Babia y Luna y en los términos de Adrados, Corniero, Crémenes, La Vecilla, La Valcueva, Valdoré, Vozmediano, Aleje y Alejico, muy abundantes en fósiles. Pedro Alba escribía, a mediados del pasado siglo, que “en tiempos antediluvianos, el mar Cantábrico llegaba hasta Boñar”, aportando como prueba los abundantes fósiles de crustáceos marinos de la comarca (Colle, La Losilla, Boñar).
Terrenos de los periodos devónico y carbonífero ocupan más de la mitad de la superficie provincial, en la que se ubican las cuencas carboníferas. El carbón de piedra fue descubierto en la segunda mitad del siglo XVIII por el ingeniero francés Le Maur, cuando construía la carretera de Madrid a La Coruña, en Torre del Bierzo; en la primera mitad del siglo XIX, Casiano de Prado describió la cuenca carbonífera de Valderrueda e inmediatamente comenzó la explotación de la misma en el área de Cistierna y Matallana. Los terrenos del devónico en León son abundantes en fósiles de vegetales y pequeños insectos en carbón (La Magdalena, Ciñera y todo el Bierzo); la Hullera Vasco-Leonesa conserva ante sus oficinas de La Robla un árbol fosilizado en carbón.
Los terrenos terciarios abarcan los alrededores de León, Valencia de Don Juan, Sahagún y, en general, el Páramo y Tierra de Campos. Arcilla, calizas y margas son asiento de los cultivos cerealistas y vides; así pues, es el área del territorio leonés que puede considerarse submeseta norte. En las inmediaciones de la ciudad de León, comarca de La Sobarriba, la Mata del Páramo y comarca de Los Oteros, se han descubierto grandes huesos fósiles de mastodonte o elefante primigenio.
Son terrenos cuaternarios las vegas leonesas, cuyos aluviones son el principal asiento de la agricultura. El fenómeno del glaciarismo cuaternario ha dejado abundantes muestras; valles como el que forma el arroyo del Cáscaro, en forma de artesa con fondo plano, morrenas y otros vallejos al sur del pico Arcos del Agua (2.058 m.); también hay muestras de las glaciaciones en los Montes de León, y un recuerdo de las mismas son los diversos lagos y lagunas que se describen en otro lugar. Un área muy definida es la cordillera Cantábrica, que recorre la parte norte de la provincia; es una de las formaciones más jóvenes de España, lo que revelan sus alturas, en torno a los 2.000 metros.
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