大分、宮崎両県にまたがり、祖母山(1,756m)、傾山(1,602m)、大崩山(1,643m)などの山々と、高千穂峡、藤河内渓谷、祝子川渓谷などが公園に入っています。
これらの山々の成因は複雑ですが、1500万年前の幾つかのカルデラを伴う火山活動によるものだといわれています。大崩山をとりまいて大岩脈がありますが、これはカルデラの落下をひき起した円筒状の断層に、マグマが侵入してできたものと考えられ、環状岩脈(リングタイク)と呼ばれています。
祖母山には、モミ、ツガ、ヒメコマツなどを交える原生林があります。また、この一帯は自然性が豊かなので、カモシカやニホンジカなどの野生動物が多く生育しています。
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