La geologia della zona del Grand Canyon espone una delle sequenze di roccia più complete di qualsiasi altro luogo, rappresentando un periodo di quasi due miliardi di anni della storia della Terra in quella parte del Nord America. I principali strati di roccia sedimentaria esposti nel Grand Canyon e nella zona del Parco nazionale del Grand Canyon oscillano per età da duecento milioni a quasi due miliardi di anni. La maggior parte furono depositati in mari caldi e poco profondi e vicino a coste marine antiche e da tempo scomparse. Sono rappresentati sia sedimenti marini che terrestri, incluse dune sabbiose fossilizzate derivanti da un deserto estinto.
Il sollevamento della regione iniziò circa settantacinque milioni di anni fa nell'orogenesi laramide, un evento di formazione montuosa che è in gran parte responsabile della creazione delle Montagne Rocciose a est. Il sollevamento accelerato iniziò diciassette milioni di anni fa quando si stavano formando gli Altopiani del Colorado (sui quali è situata la zona). In totale si stima che questi strati furono sollevati di 3.000 m, il che permise al fiume Colorado di scavare il suo canale nei quattro altopiani che costituiscono la zona. Ma il canyon non iniziò a formarsi fino a 5,3 milioni di anni fa quando il Golfo di California si aprì e abbassò così il livello di base del fiume (il suo punto inferiore) da quello dei grandi laghi interni al livello del mare.
Climi più umidi portati dalle ere glaciali a partire da due milioni di anni fa aumentarono molto l'escavazione del Grand Canyon, che entro 1,2 milioni di anni fa era profondo quasi come ora. Inoltre circa due milioni di anni fa l'attività vulcanica iniziò a depositare cenere e lava sulla zona. Almeno tredici grandi colate di lava fecero da diga al Colorado, formando enormi laghi profondi fino a 600 m e lunghi 160 km. I quasi 40 strati rocciosi identificati e le quattordici principali discontinuità (intervalli nella serie geologica) del Grand Canyon formano una delle sequenze di roccia più studiate del mondo.
Deposizione di sedimenti Alcuni termini importanti: una formazione geologica è un'unità di roccia che ha uno o più letti sedimentari, e un membro è un'unità minore di una formazione. I gruppi sono serie di formazioni collegate in modi significativi, e un supergruppo è una sequenza di gruppi e di formazioni solitarie collegati verticalmente. I vari tipi di discontinuità sono intervalli nella serie geologica. Tali intervalli sono dovuti ad un'assenza di deposizione o ad un'erosione successiva che rimuove le unità di roccia.
Gruppo di Visnù Il Gruppo di Visnù (Vishnu Group) ebbe i suoi inizi circa 2 miliardi di anni fa nell'eone precambriano quando centinaia di metri di cenere, fango, sabbia e silt furono deposte in un bacino di avantarco poco profondo, simile al moderno Mar del Giappone. Durante questo periodo temporale il bacino era tra la Laurentia (proto-Nord America/Europa) e una cintura orogenetica di montagne e vulcani in un arco insulare non dissimile dall'odierno Giappone. Da 1,8 a 1,6 miliardi di anni fa gli archi insulari dello Yavapai e poi del Mojave si scontrarono e si aggregarono al cratone del Wyoming del proto-continente nordamericano. Questo processo di tettonica a zolle compresse e aggregò i sedimenti marini sulla Laurentia. Essenzialmente gli archi insulari urtarono contro il continente in crescita e i sedimenti marini nel mezzo furono schiacciati insieme e sollevati fuori dal mare.
Questa è la roccia metamorfica ora esposta in fondo al canyon nella Gola Interna (Inner Gorge). I geologi chiamano questo strato di colore scuro, tempestato di granato, lo Scisto di Visnù (Vishnu Schist). Combinato con gli altri scisti di questo periodo, il Brahma e il Rama, costituisce il Gruppo di Visnù (vedi 1a nella figura 1). Non sono stati trovati fossili identificabili in questi strati, ma le lenti di marmo ora visibili in queste unità erano probabilmente derivate da colonie di alghe primitive.Geology of U.S. Parklands, p. 398
Il Gruppo di Visnù fu intruso da bolle di magma che risalirono da una zona di subduzione al largo della costa non più tardi di 1,66 miliardi di anni fa. Questi plutoni si raffreddarono lentamente per formare il Granito di Zoroastro (Zoroaster Granite) (visibile come fasce di color chiaro nello Scisto di Visnù, più scuro; vedi 1b nella figura 1). Una parte di questa roccia alla fine fu metamorfosata in gneiss. L'intrusione del granito avvenne in tre fasi: due durante l'iniziale metamorfismo del Visnù, e una terza intorno a 1,5 miliardi di anni fa. Questa terza fase fu accompagnata dalla formazione di faglie geologiche su larga scala, in particolare lungo faglie nord-sud che causarono la formazione di una serie di fratture (rifting), e una probabile disgregazione del continente.Pages of Stone: Geology of the Grand Canyon & Plateau Country National Parks & Monuments, p. 100
Studi della sequenza di rocce mostrano che il Gruppo di Visnù subì almeno due periodi di formazione di montagne per orogenesi. Queste orogenesi crearono i Monti Mazatzal alti da 8 a 10 km (orogenesi Yavapai-Mazatzal).Secrets in the Grand Canyon, Zion and Bryce Canyon National Parks, p. 10 Questa era una catena montuosa altissima, probabilmente alta quanto o più della moderna Himalaya. Poi, per oltre 500 milioni di anni, l'erosione strappò via gran parte dei sedimenti esposti e delle montagne. Ciò ridusse quest'altissima catena a piccole colline alte poche decine di metri, lasciando una notevole discontinuità angolare. Le pendici della montagna, un tempo sepolte in profondità, erano tutto ciò che rimaneva dei Monti Mazatzal quando il mare invase di nuovo.
Durante il tardo periodo cretacico o il primo periodo terziario la zolla tettonica di Farallon subì una subduzione sotto la costa occidentale della placca nordamericana causando una forza compressiva in tutta la regione, che si risolse in un sollevamento e nella formazione dell'Altopiano del Colorado.
Supergruppo del Grand Canyon Nel tardo periodo precambriano, l'estensione da una grande zolla tettonica o da zolle più piccole che si allontanavano dalla Laurenzia assottigliò la sua crosta continentale, formando grandi bacini di rift (questa formazione di fratture in definitiva non riuscì a spaccare il continente). Alla fine, una regione della Laurenzia che andava almeno dall'attuale Lago Superiore al Glacier National Park nel Montana fino al the Grand Canyon e ai Monti Uinta fu invasa da un braccio di mare poco profondo, il "Sundance Sea". Il risultante Supergruppo del Grand Canyon di unità sedimentarie è composto di nove variegate formazioni, che furono deposte in questo mare da 1.250 a 825 milioni di anni fa. Lo spessore totale del sedimento e della lava depositati era di ben oltre 3 km. Gli affioramenti del Supergruppo del Grand Canyon appaiono in parti della Gola Interna e in alcuni dei canyon tributari più profondi.
La sezione più antica del supergruppo è il Gruppo di Unkar (Unkar Group) (un gruppo è una serie di due o più formazioni che sono collegate in modi rilevanti). Fu deposto in un ambiente al largo della costa. Calcare di Bass (Bass Limestone) (età media 1.250 milioni di anni) – L'azione delle onde erose la terra, creando una ghiaia che più tardi litificò in un conglomerato basale. questa formazione è nota come il Membro Hotauta del Calcare di Bass. La formazione del Calcare di Bass fu depositata in un mare poco profondo vicino alla costa come una miscela di calcare, arenaria e argillite. È spessa da 40 a 100 m e di colore grigio. Questo è lo strato più antico esposto nel Grand Canyon che contenga fossili—stromatoliti. Argillite di Hakatai (Hakatai Shale) (età media 1.200 milioni di anni) – L'Argillite di Hakatai è fatta di sottili letti di mudstone, arenarie e argilliti non derivati dal mare. Questa formazione indica una regressione (ritirata) di breve durata del litorale marino nella zona, che lasciò secche fangose. Oggi è di un rosso-arancione molto intenso e dà il nome al Red Canyon. Quarzite di Shinumo (Shinumo Quartzite) – Questa formazione era una resistente arenaria marina che più tardi nel periodo cambriano formò delle isole. Quelle isole opposero resistenza all'azione delle onde abbastanza a lungo per essere riseppellite da altri sedimenti nel periodo cambriano. In seguito fu metarmofosata in quarzite. Arenaria di Dox (Dox Sandstone) (età media 1.190 milioni di anni) – Una formazione poco profonda fatta di arenaria di origine oceanica con alcuni letti di argillite interstratificati e mudstone. Solchi ondulati e altre caratteristiche indicano che era vicina al litorale. Affioramenti di questa formazione dal rosso all'arancione si possono vedere nella parte orientale del canyon. In questo strato si trovano fossili di stromatoliti e alghe. Lava di Cardenas (Cardenas Lava) (età da 1.250 a 1.100 milioni di anni) – Si tratta della formazione più giovane del Gruppo di Unkar ed è fatta di strati di rocce basaltiche marrone scuro che fluirono come lava spessa fino a 300 m.
La Formazione di Nankoweap (Nankoweap Formation) ha un'età media di 1.050 milioni di anni e non fa parte di un gruppo. Questa unità di roccia è fatta di arenaria a grana grossa, e fu depositata in un mare poco profondo in cima alla superficie erosa della Lava di Cardenas. Il Nankoweap è esposto solo nella parte orientale del canyon. Un intervallo nella serie geologica, una discontinuità, segue il Nankoweap.
Tutte le formazioni del Gruppo di Chuar (Chuar Group) (età circa da 1.000 a 825 milioni di anni) furono depositati in ambienti di mare costiero e poco profondo.Kaibab.org, "The Geology of the Grand Canyon: When did this all happen?" e "Grand Canyon Rock Layers" Formazione di Galeros (Galeros Formation) – Una formazione principalmente verdastra composta di arenaria, calcare e argillite interstratificati con una parte dell'argillite che varia di colore oscilla dal rosso al porpora. Nel Galeros si trovano stromatoliti fossilizzate. Formazione di Kwagunt (Kwagunt Formation) – Il Kwagunt consiste di argillite nera e di mudstone dal rosso al porpora con un po' di calcare. Sacche isolate di arenaria rossastra si trovano anche intorno a Carbon Butte. In questo strato si trovano stromatoliti. Formazione di Sixtymile (Sixtymile Formation) – Il Sixtymile è fatto di arenaria di colore marrone rossiccio con qualche piccola sezione di argillite.
Circa 800 milioni di anni fa il supergruppo fu inclinato di 15° e il blocco fagliò nell'orogenesi del Grand Canyon.Geology of National Parks, p. 11 e Geology of U.S. Parklands, p. 399 Alcune unità del blocco si spostarono verso il basso e altre verso l'alto, mentre il movimento di faglia creò delle catene montuose a blocchi fagliati con direzione nord-sud. Ebbero luogo circa 100 milioni di anni di erosione che spazzò via la maggior parte del Gruppo di Chuar insieme a parte del Gruppo di Unkar (esponendo la Quarzite di Shinumo come spiegato in precedenza). Le catene montuose furono ridotte a colline e, in alcuni luoghi, tutti i 3.700 m del supergruppo furono interamente rimossi, esponendo il sottostante Gruppo di Visnù. Questo creò ciò che il geologo John Wesley Powell chiamò la Grande Discontinuità (Great Unconformity), essa stessa uno dei migliori esempi al mondo di non conformità (una discontinuità con unità stratificate di roccia che riposano sopra rocce ignee o metamorfiche). In tutto circa 250 milioni di anni della storia geologica della zona furono persi nella Grande Discontinuità.Kaibab.org, "The Geology of the Grand Canyon: When did this all happen?" Buoni affioramenti del Supergruppo del Grand Canyon e della Grande Discontinuità si possono vedere nella porzione a monte della Gola Interna.
Gruppo del Tonto Quando l'oceano iniziò a ritornare nella zona 550 milioni di anni fa nel Cambriano, cominciò contestualmente a depositare le tre formazioni del Gruppo del Tonto (Tonto Group) mentre la linea di costa si spostava verso est: