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Le massif du Mézenc fait partie du Velay volcanique, caractérisé par la nature particulière de ses laves, essentiellement alcalines.
Il est érigé sur un « horst » granitique qui domine brutalement à l’est le secteur affaissé des Boutières ardéchoises.
C’est le « pays des Sucs », à la géologie et au relief si singuliers, liés à la prédominance d’une roche volcanique : la phonolite.
Il présente un intérêt naturaliste très élevé, avec son cortège d’espèces montagnardes (voire alpines, toujours rares à l’ouest du Rhône), l’abondance des sites rupicoles favorables aux rapaces, ses vastes éboulis (qui offrent un habitat de nombreuses espèces de plantes rares), ou son complexe écologique de milieux tourbeux et de prairies humides d'altitude.
Certaines stations botaniques sont particulièrement remarquables, qu’il s’agisse de plantes d’altitude présentes ici à grande distance de leur aire de distribution principale (Chèvrefeuille bleu, Pulsatille du printemps), d’espèces endémiques du Massif Central (Œillet du granite, Chardon du Vivarais, Lunetière d’Auvergne, Arabette des Cévennes…), ou présentant un caractère de rareté particulier (Lycopode d’Issler, très rare à l’échelle européenne). Quant au Séneçon à feuilles blanchâtres caractéristique du Mézenc, c’est une espèce pyrénéenne présentant ici une insolite station disjointe…
Le milieu souterrain superficiel associé aux éboulis présente en outre un très grand intérêt entomologique. En effet, les cavités ménagées par les blocs piègent débris végétaux et humidité, propices à la vie d’espèces reliques autrefois inféodées aux bordures des névés, et largement répandues lors des périodes froides. C’est le cas d’un rare coléoptère du genre Nebria. En parallèle avec la flore, d’autres insectes témoignent au Mézenc d’une parenté étroite avec des espèces pyrénéennes.
L’originalité de ce patrimoine est retranscrite par de nombreuses zones de type I, délimitant les espaces abritant les habitats ou les espèces les plus remarquables, et au fonctionnement souvent fortement interdépendant (ensembles volcaniques, zones humides, secteurs forestiers…).
Le zonage de type II, outre l’importance de ces corrélations, souligne particulièrement les fonctionnalités naturelles liées :
- à la préservation des populations animales ou végétales, en tant que zone d’alimentation ou de reproduction en particulier pour des poissons tels que le Chabot, de nombreux insectes (notamment parmi les libellules), des oiseaux parmi lesquels le Milan royal ou le Venturon montagnard,
- au régime hydraulique en ce qui concerne les zones humides, dont des tourbières (expansion naturelle des crues, ralentissement du ruissellement, soutien naturel d’étiage, auto-épuration des eaux).
Ce zonage traduit également la sensibilité d’un haut bassin versant alimentant des zones humides et des cours d’eau de grande qualité, alimentant tout à la fois la Loire et le Rhône.
La prise en compte d’un paysage remarquable est également nécessaire (l’ensemble est à ce titre cité comme exceptionnel dans l’inventaire régional des paysages) ; Il en est de même de l’intérêt géologique, géomorphologique et scientifique de l’un des principaux ensembles volcaniques français, et le plus grand ensemble européen de volcanisme phonolitique. On doit citer notamment à ce sujet le Mont Mézenc, le Mont Gerbier de Jonc et les sources de la Loire, ainsi que les coulées superposées de Saint Clément -tous cités à l’inventaire des sites géologiques remarquables de la région Rhône-Alpes-, mais aussi l’ensemble formé par le Cirque des Boutières ou le site de Saint Martial.
