San Pedro de Atacama está ubicado en la zona Norte del Desierto de Atacama, en la denominada depresión prealtiplánica, inserto en una gran fosa geomorfológica que se extiende entre la precordillera y el altiplano, y rodeada de un despliegue de salares y volcanes.
Existen tres cordones montañosos que favorecen la aridez en el sector y que son parte fundamental de la impresionante escenografía natural que rodea a San Pedro de Atacama. Estos cordones montañosos cumplen el papel de biombos climáticos locales, que impiden el paso de vientos húmedos hacia al sector.
La Cordillera de Los Andes, alta y maciza, se puede observar hacia el Este de San Pedro. Con 5.300 m de altitud promedio, integra una cadena de volcanes que en su conjunto presentan un espectacular escenario natural, destacando entre todos el imponente Volcán Licancabur de 5.916 m de altitud. Además los volcanes Puritama, Zapalleri, Lascar (activo), Polar y Socompa, entre otros. Su permanente actividad volcánica se manifiesta en la presencia de fuentes de aguas termales y géiseres, como son las Termas de Puritama y los Géisers del Tatio cercanos a San Pedro. Sobre los 4.000 m.s.n.m. se encuentra el Altiplano, sector de topografía plana donde destacan numerosos conos volcánicos, caracterizándose por la presencia de bofedales; cuencas con aguas superficiales o lagunas en donde se desarrolla abundante vegetación. Este sector forma parte de la gran meseta andina que incluye territorios bolivianos y argentinos, extensión que históricamente sirvió como vía de comunicación entre las comunidades indígenas de la zona.
Por su parte, en el límite Oeste de San Pedro de Atacama, está la Cordillera de Domeyko que con sus 3.300 m de altitud promedio construye una pared natural que se extiende de norte a sur, destacando el cerro Quimal con una altura de 4.300 m.s.n.m., que posee un valor sagrado para la antigua cultura atacameña. Esta cadena montañosa posee interesantes afloramientos de material cristalino en su superficie y ofrece una visión completa a toda la extensión del valle.
Finalmente está la Cordillera de La Sal, con 2.300 m de altitud promedio. De una intensa constitución mineral, muestra un terreno muy erosionado por el viento y el agua donde la sal, el yeso y la arcilla originan una singular morfología protuberante y escabrosa en la cual se pueden observar pliegues de estratos sedimentarios de gran antigüedad geológica. Inserto en este paisaje se encuentra el denominado Valle de La Luna, de gran valor turístico.
Hacia el Sur, la erosión y el avance de las dunas, ha convertido estos parajes en arenales con caminos que van a dar a una impresionante extensión de corteza blanca y rugosa, con el aspecto de un viejo lago que se está secando: es el Salar de Atacama. Con una enorme extensión, de 90 km de largo por 35 km en su parte más ancha, es el más grande depósito salino natural de Chile y posee una rica consistencia minera. De aquí se extrae Litio, Borax, Potasio, Magnesio y otros minerales en explotación permanente. Matizado por manchones de un intenso color turquesa, el Salar de Atacama irrumpe en el paisaje y sus lagunas perdidas albergan una variedad de flora y fauna destacando las colonias de flamencos y otras hermosas aves.
San Pedro de Atacama, forma parte del valle longitudinal del Salar de Atacama. La cuenca de San Pedro es el resultado de un largo proceso de secamiento, dando origen a una planicie sobre la cual se fueron depositando los sedimentos de los ríos San Pedro y Vilama. Son suelos predominantemente arenosos, de buen drenaje y mucha erosión, profundos y de buen arraigamiento. Se caracterizan por tener salinidad, restringiendo el desarrollo de la mayoría de los cultivos. Debido a las condiciones climáticas, es una zona de escasa vegetación. La gran cuenca del Salar recibe todas las aguadas, vertientes y ríos superficiales o subterráneos que fluyen desde la cordillera, además de contener gran cantidad de agua salada fósil en el subsuelo.
Las aguas más importantes que nutren San Pedro de Atacama, son las que provienen de los ríos San Pedro y Vilama, de los cuales depende la actividad agrícola que se realiza en la comuna. Durante su largo recorrido, el río San Pedro y sus afluentes dan lugar a pequeños sectores de cultivo. Por su parte, el Río Vilama nace de la conjunción de las aguas de dos afluentes de origen termal.
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