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Grottazzolina è situata nell’ambito di una vasta area delle Marche meridionali, tra la costa adriatica ed i monti Sibillini. Il territorio comunale di Grottazzolina, con un’area di Km2 9,26 è collinare e pianeggiante in circa uguale proporzione.

La collina forma parte dello spartiacque tra le valli del fiume Tenna a nord e del fiume Ete a sud. La pianura è parte del terrazzo alluvionale della destra orografica del Tenna.

La formazione geologica che costituisce il substrato del territorio grottese è data da sabbie giallastre debolmente cementate intercalate ad argille ben stratificate in unità di spessore variabile da centimetrico a decimetrico. La loro origine è marina e risale a circa 4 milioni di anni fa (pliocene superiore). Questi terreni appartengono al ciclo sedimentario che va dal pliocene medio al pleistocene (da 5 a 1 milione di anni fa).
Alla base e alla sommità sono formati da arenarie e conglomerati (ciottoli e ghiaie), nel mezzo il ciclo sedimentario da origine ad argille e sabbie, quali appunto quelle sopra descritte.

Strutturalmente formano una ampia monoclinale con strati a debole pendenza (5°-10°) verso nord-est. La serie sabbioso-argillosa del pliocene superiore/pleistocene affiora lungo la cresta della collina dove si trova il centro storico, mentre sui fianchi della collina è al di sotto di terreno agrario e limoargilloso di origine colluvio-eluviale che formano complessivamente una copertura spessa da pochi a più di 15 mt.
In pianura la formazione geologica plio-pleistocenica è ricoperta dalla coltre relativamente potente di alluvioni fluviali (20 metri e più) costituite da lenti di sabbie e ghiaie prevalenti ed argille, risultanti dall’attività erosivo-sedimentaria del fiume Tenna.