La compleja geología de los entornos del Estrecho de Gibraltar es el resultado de los sucesivos movimientos tectónicos originados durante la orogenia alpina. Bajo el nombre de Unidades del Campo de Gibraltar se encuentran varias formaciones de similar origen pero diferente cronología que ocupan la totalidad del término municipal de Tarifa y tienen su génesis en los depósitos formados en fondos marinos entre las placas de Alborán e Ibérica. De este modo están presentes en el municipio varias unidades con mayor o menos extensión. Destaca la Unidad del Aljibe formada por areniscas en las sierras del interior. La zona adyacente a la Punta de Tarifa pertenece a la Unidad de Algeciras donde destacan las formaciones denominadas Flysch margo-areniscoso-micáceo de origen miocénico y que dan lugar a curiosas formaciones en la costa resultado de la erosión de capas de materiales blandos y a la permanencia de capas de materiales duros. Al oeste las Unidades de Almarchar y Bolonia ocupan parte del territorio y se extienden al otro lado del Estrecho por el norte de África. La Unidad de Almarchal tiene una facies típica con margas esquistosas de color gris-amarillento. La Unidad de Bolonia por su parte es similar a la Unidad de Algeciras pero en ella aparecen areniscas de la unidad del Aljibe intercaladas con los flysch margosos. .
Se diferencian claramente en el término municipal tarifeño dos áreas orográficas diferentes. En la zona más cercana a la costa aparecen los denominado Sierras del Estrecho. Estas unidades de relieve poseen por lo general una orientación norte-sur y enmarcan entre ellas diversos arroyos estacionales y materiales de relleno fluvial. De oeste a este aparecen como más destacadas las sierras de La Plata, Loma de San Bartolomé, Sierra de Enmedio y Sierra del Cabrito con su máximas alturas en los picos de Plata (458 metros), San Bartolomé (442 metros), La Peña (448 metros) y El Cabrito (536 metros). La otra gran unidad de relieve son los montes del interior del término denominados genéricamente Sierras de Algeciras. Las principales formaciones de estas sierras dentro del término son las sierras de Saladavieja y Ojén con sus máximas cotas en Utreras (719 metros) y el Tajo de La Corza (831 metros). El límite noroccidental lo marcan las sierras del Parque natural de Los Alcornocales quedando en Tarifa una amplia área de tierras bajas en la vega del río Almodóvar y la antigua Laguna de La Janda, terrenos hoy destinados al cultivo. .
Existen cuatro ríos de relativa importancia que vierten sus aguas en la costa de Tarifa, los ríos Jara, Valle, Vega y Guadalmesí; los tres primeros desembocan en la costa occidental y son gestionados por la Confederación hidrográfica del Guadalquivir y el cuarto desemboca en la costa orienta y es gestionado por la Confederación hidrográfica del Sur. .
Al norte se encuentra el río Almodóvar que nace en la Sierra de Ojén y es afluente del río Barbate. Atraviesa un terreno bajo cercano a Facinas que hasta su desecación en los años 60 del siglo XX fue parte de la Laguna de La Janda. La gran red fluvial de este río es aprovechada por un embalse de 5'7 Hm3 construido en 1997. .
En la zona de costa es posible también encontrar multitud de arroyos estacionales que nacen en los cerros y sierras del Estrecho como el Arroyo del Retiro, Arroyo Viña y el Arrollo de los Alelíes. .
La costa de Tarifa se extiende desde la ensenada de Zahara al oeste hasta la ensenada de El Tolmo al este. El litoral del primer tramo es fundamentalmente de costa baja donde se intercalan playas de arenas finas con diversos cabos y puntas. Son destacables en este tramo los acantilados de Punta Camarinal y Punta Paloma y las formaciones dunares de Valdevaqueros y Bolonia. Desde el límite con el término municipal de Zahara de los Atunes hacia la ciudad de Tarifa se encuentran las playas de Atlanterra, Los Alemanes, El Cañuelo, Bolonia, Valdevaqueros y Los Lances. La costa oriental, en dirección a la Bahía de Algeciras, se eleva abruptamente sobre el nivel del mar originando grandes acantilados que alternan con calas rocosas. La denominada Playa Chica es una pequeña cala situada en el istmo de la Isla de Tarifa frente al casco antiguo de la ciudad. .
Aproximadamente el 60% del término municipal de Tarifa se encuentra amparado por alguna figura de protección oficial. Destaca por su extensión el Parque natural de Los Alcornocales que ocupa en Tarifa 17422 hectáreas siendo el quinto municipio que más superficie aporta a este espacio. La mayor parte de las formaciones vegetales de este parque dentro de Tarifa pertenecen a los llamados bosques mediterráneos de Alcornoques con matorral bajo xerófito que en diversos puntos de la Sierra de Ojén y Sierra Cabrita alcanza su más alto grado de desarrollo. En la zona lindante con Algeciras aparecen diversos canutos de especial interés, principalmente el del río Guadalmesí. En estas formaciones riparias destaca la presencia de gran cantidad pteridófitos relictos de la era terciaria y propios de climas más húmedos. .
Entre su fauna tienen especial importancia las aves que cada año realizan el paso del estrecho de Gibraltar dirección África y Dirección Europa. En la localidad existe una estación ornitológica desde la que se realiza el seguimiento de estas aves y donde se obtienen los datos para la elaboración de censos tanto de especies migratorias como de residentes. Entre las especies migratorias más importantes cabe destacar el paso de cigüeñas, milanos negros, águilas calzadas, águilas culebreras o halcones abejeros. .
También son importantes las poblaciones de mamíferos marinos en las costas próximas. Son siete las especies de cetáceos que se pueden avistar, cuatro de ellas residentes y que se pueden observar todo el año, el Delfín común, el Delfín listado, el Delfín mular y el Calderón común o Ballena piloto. Dos especies son semi residentes y su presencia está asociada a periodos de alimentación, la Orca de julio a septiembre y el Cachalote, mayoritariamente entre marzo y agosto. Una especie es migratoria y utiliza el Estrecho en sus rutas; es el Rorcual común que puede observarse mayoritariamente entre mayo y agosto. .
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