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Regroupant la vallée de l’Oriège et l’ensemble des vallons suspendus créés par ses affluents, le site se situe dans la zone primaire axiale des Pyrénées, donc sur des terrains très anciens métamorphisés lors de l’orogénèse pyrénéenne. On retrouve un substrat siliceux sur la quasi-totalité du territoire, entrecoupé de la faille de Mérens, composée de calcaires cipolins (métamorphisés). Sur le plan minéralogique, on peut trouver du fer oxydé et des filons de quartz fortement aurifères. Marqué par l’érosion glaciaire, le paysage est modelé par le réseau hydrographique. Divers aménagements hydroélectriques sont installés. L’orientation nord-sud de la vallée fait que, malgré sa situation orientale, elle est soumise à la pénétration de vents humides atlantiques, lui conférant un climat particulièrement rigoureux. La partie haute de la vallée, en amont du hameau des Forges d’Orlu, est un espace protégé depuis plus de soixante ans, classé en réserve nationale de chasse et de faune sauvage depuis 1981. Par ailleurs, plusieurs estives sont toujours actives et la vallée constitue également un pôle touristique important.
Les facteurs physiques influant sur le milieu ont favorisé l’apparition d’une diversité d’habitats importante, permettant l’accueil d’une faune et d’une flore caractéristiques et très diversifiées. Cette diversité est due à la présence conjointe de communautés végétales à caractère boréo-alpin et à caractère oro-méditerranéen. Les forêts caducifoliées, à l’étage montagnard, sont des futaies de hêtres sur souches vieillies, mais les zones d’intérêt se situent principalement en lisière supérieure : accueil du Grand Tétras pour la reproduction, de la Chouette de Tengmalm, etc. Des boisements montagnards et subalpins à Pin à crochets sont présents sur plusieurs secteurs. Ils sont globalement très favorables à la reproduction du Grand Tétras, aux coléoptères saproxyliques, et sont en phase d’expansion. Différents types de landes montagnardes à alpines sont présentes sur le site, mais on trouve sur de très grandes superficies des landes à Rhododendron sur l’ensemble de l’étage subalpin, avec une forte dynamique de fermeture. Plusieurs habitats de prairies et pelouses sont également présents avec leurs cortèges d’espèces correspondants. À l’étage montagnard, on rencontre des prairies mésophiles fauchées et pâturées. Les pelouses montagnardes, alpines et subalpines sont caractérisées par des formations à Nard raide (Nardus stricta). Néanmoins, au niveau de la faille de Mérens, l’apparition d’espèces calcicoles marque une transition vers un Mesobromion pyrénéen (pelouses calcicoles riches en orchidées) ou des pelouses à Fétuque de Gautier (Festuca gautieri). Le cortège de papillons de jour présent y est remarquable. On y rencontre notamment des endémiques pyrénéennes comme la sous-espèce pyrénéenne du Semi-Apollon (Parnassius mnemosyne vernenatus), la sous-espèce pyrénéenne du Nacré de la Bistorte (Proclossiana eunomia ceretanensis), mais aussi le Damier de la Succise (Euphydryas aurinia), le Cuivré de la Bistorte (Lycaena helle), etc. Enfin, les landes et pelouses subalpines et alpines étroitement imbriquées constituent des sites de reproduction utilisés par la Perdrix grise de montagne et le Lagopède alpin. Les habitats de zones humides rencontrés sont des bas-marais acides. Nombreux mais de surfaces réduites, ils possèdent une forte valeur patrimoniale. Les milieux aquatiques sont fréquentés par la Loutre d’Europe ou le Desman des Pyrénées. Enfin, la composante minérale du site est très importante : de nombreux éboulis et falaises majoritairement siliceux et peu végétalisés sont présents. Une grande diversité d’oiseaux nicheurs rupestres fréquente ces milieux (Crave à bec rouge, Chocard à bec jaune, Tichodrome échelette et rapaces diurnes), ainsi que Le Lézard des Pyrénées de De Bonnal (Iberolacerta bonnali), endémique de la partie centrale des Pyrénées. Une flore patrimoniale particulièrement rare est également présente, notamment avec des communautés à Androsace de Vandelli, espèce protégée à l’échelle nationale.
Le site présente une cohérence géomorphologique et fonctionelle puisqu’il correspond à l’ensemble du bassin versant de l’Oriège : il est cerné par les lignes de crêtes délimitant le partage des eaux. Ces crêtes passent par la Dent d’Orlu, le roc Blanc et le pic de Baxouillade, le pic de la Coumette d’Espagne, le pic de Faury et le pic de l’Homme. Les villages d’Orlu et Orgeix sont exclus. Le cours de l’Oriège à ce niveau fait l’objet d’une autre ZNIEFF.
