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Adossé à la voie ferrée Calais-Boulogne, le site occupe principalement des dépôts sablonneux d’origine dunaire, plaqués sur une colline de terrains argileux du Jurassique (dunes fossiles). Ces dépôts sableux anciens sont totalement décalcifiés (dissolution du calcaire des débris de coquillages), ce qui constitue la principale originalité écologique de ce site qui présente de nombreuses similitudes avec le célèbre Pré communal d’Ambleteuse.
Dans sa partie sud, on retrouve en effet, dans les zones pâturées par des bovins, des pelouses siliceuses thérophytiques du Thero-Airion (Sclerantho annui-Airetum praecocis) à Céraiste dressé (Moenchia erecta) et Ornithope délicat (Ornithopus perpusillus) et des pelouses ou prairies acidiclines à méso-acidiphiles vivaces à Koelérie blanchâtre (Koelerion albescentis) hébergeant la rare Jasione des montagnes (Jasione montana). Par dynamique d’embroussaillement, ces pelouses évoluent vers des fourrés atlantiques à Ajonc d’Europe de l’Ulici europaei - Sarothamnetum scoparii dans les secteurs les plus acides. On observe également des végétations aquatiques, amphibies et hygrophiles assez mal exprimées mais qui hébergent plusieurs espèces végétales intéressantes telles Ranunculus hederaceus Catabrosa aquatica et Juncus acutiflorus.
Dans la zone nord, la partie dunaire est gérée pour la chasse (entretien de layons herbeux par fauche). Les pelouses sabulicoles y sont moins abondantes et appauvries par rapport à la zone sud. Une prairie bocagère est pâturée extensivement par des chevaux. Aux abords d’une source s’y développe une prairie hygrophile acidicline très rare, vulnérable et en nette régression (Pulicario dysentericae - Juncetum inflexi juncetosum acutiflori) dans le Nord-Pas de Calais.
Quatre végétations et une quinzaine d’espèces végétales déterminantes ont été identifiées sur le périmètre.
La Garenne de Wimille héberge 4 espèces déterminantes d’oiseaux : Bruant jaune, Pipit des arbres, Perdrix grise et Fauvette grisette. Il s’agit d’un cortège d’espèces typiques des milieux embroussaillés plus ou moins ouverts (MNHN, 2012). Le site composé d’une mosaïque d’habitats de type prairiaux et de broussailles constitue un ensemble très favorable à la reproduction de ces quatre espèces, ainsi que probablement de nombreuses autres non encore observées du fait du faible nombre de prospections réalisées sur le site.
Le périmètre de cette ZNIEFF est délimité à l’ouest par la voie ferrée Boulogne-Calais. Il se compose de deux zones, situées de part et d’autre du hameau des Cinq cheminées. Une station d’épuration marque sa limite sud. Les cultures intensives et les prairies artificielles qui bordent le massif de dunes fossiles et ses pâtures attenantes forment la limite orientale du site.
