mini|hochkant=1.6|Der Grand Canyon gewährt einen hervorragenden Einblick in die erdgeschichtliche Entwicklung
Die Geologie des Grand Canyons zeichnet sich vor allem durch eine der erdgeschichtlich umfassendsten Gesteinsabfolgen auf unserem Planeten aus. In den Steilwänden des Grand Canyons sind rund 1,5 Milliarden Jahre der geologischen Entwicklung dieses Teils Nordamerikas offengelegt.Zum Vergleich: das Alter der Erde beträgt ca. 4,54 Milliarden Jahre Zum überwiegenden Teil handelt es sich hierbei um Sedimentgesteine. Diese sind rund 1200 bis 250 Millionen Jahre alt und umfassen somit eine Zeitspanne von knapp einer Milliarde Jahre. Werden die metamorphen, mehrheitlich suprakrustalen Gesteine der Vishnu Basement Rocks („Vishnu-Grundgebirge“) mit hinzugenommen, dann reicht die geologische Überlieferung sogar 1750 Millionen Jahre zurück. Die meisten Sedimente sind in warmen Schelfmeeren abgelagert worden, meist in Küstennähe. Neben Gesteinen marinen Ursprungs finden sich aber auch terrestrische Ablagerungen, unter anderem Dünensedimente einer ehemaligen Wüstenlandschaft.
Im Zuge der laramischen Gebirgsbildung, die vor rund 75 Millionen Jahren einsetzte, wurden die wesentlich weiter ostwärts gelegenen Rocky Mountains an steil einfallenden Störungen in die Höhe gedrückt, aber auch in der Umgebung des Grand Canyons kam es zu einer weit angelegten Heraushebung. Vor 17 Millionen Jahren (Miozän) wurde der Anhebeprozess weiter beschleunigt und es entstanden die Colorado Plateaus, die den Grand Canyon umrahmen. Insgesamt dürfte das den Grand Canyon umfassende Gebiet in etwa um 3000 Meter emporgedrückt worden sein; dies erlaubte dem Vorläufer des jetzigen Colorado Rivers, sich in die entstehende Plateaulandschaft einzufräsen. Der eigentliche Canyon entstand jedoch erst vor 5,3 Millionen Jahren, als sich der Golf von Kalifornien öffnete und damit die Erosionsbasis des Colorado auf Meeresspiegel reduzierte.
Mit dem Einsetzen der Eiszeiten vor ca. 2,5 Millionen Jahren kam es zu einer Erhöhung der Niederschlagsmenge und damit zu einer wesentlich stärkeren Erosionskraft des Colorado Rivers; so war bereits vor 1,2 Millionen Jahren näherungsweise die heutige Erosionsbasis erreicht. Der vor 2 Millionen Jahren einsetzende Vulkanismus im Uinkaret volcanic field brachte Aschen und Laven zur Ablagerung. Mindestens 13 Lavaflüsse stauten den Colorado River und es bildeten sich riesige Seen, die bis zu 600 Meter tief und 160 Kilometer lang waren.
Mit nahezu 40 ausgewiesenen Gesteinsformationen und 14 Diskordanzen (Schichtlücken) stellt der Grand Canyon eine der am besten untersuchten Gesteinsfolgen der Welt dar.
Stratigraphische Abfolge Polymetamorphes Grundgebirge – Vishnu Basement Rocks mini|Gesteinsschichten des Grand Canyon
Die Anfänge der Vishnu Basement Rocks (Einheit 1a in nebenstehender Abbildung) gehen ins Paläoproterozoikum zurück. In einem Backarc-Becken vergleichbar mit dem Japanischen Meer hatte sich im Zeitraum von vor 1750 bis vor 1740 Millionen Jahren ein dickes Sedimentpaket bestehend aus Vulkanischer Asche, Ton, Silt und Sand abgelagert. Das damalige Sedimentbecken befand sich zwischen dem weiter nordwestlich gelegenen Kontinent Laurentia, dem Vorläufer des jetzigen nordamerikanischen Kontinents, und einem südostwärts vorgelagerten vulkanischen Inselbogen, der dem heutigen Japan wahrscheinlich ähnelte.
Ältestes radiometrisch datiertes Gestein der Vishnu Basement Rocks ist jedoch der Elves Chasm-Gneis, ein metamorphosierter Orthogneis mit einem Kristallisationsalter von 1840 Millionen Jahren. Er zeigt Affinitäten zum kontinentalen Mojave-Terran und bildete möglicherweise das Widerlager des Sedimentstapels.
Vor 1740 Millionen Jahren begann der oben genannte Inselbogen der Yavapai-Provinz mit dem Wyoming-Kraton im Norden und dem Mojave-Terran im Westen zu kollidieren. Dieser plattentektonisch verursachte Zusammenstoß komprimierte den dazwischenliegenden marinen Sedimentstapel und drückte ihn auf den Kontinentalrand von Laurentia. Der Höhepunkt der Dynamometamorphose wurde vor 1706 bis vor 1697 Millionen Jahren erreicht, der Akkretionsvorgang hielt jedoch insgesamt noch bis vor 1650 Millionen Jahren an, wobei sich weiter in Richtung Südosten mit der Mazatzal-Provinz noch ein zweiter Inselbogen hinzugesellte.
Die durch die Kollision tektonisch stark beanspruchten und metamorphosierten Sedimente befinden sich jetzt in der Inner Gorge am Grund des Canyons. Es sind dies die dunklen, granatführenden und generell Nordost-Südwest-streichenden Schiefergesteine der Vishnu Basement Rocks, zu denen der Vishnu Schist, der Brahma Schist und der Rama Schist gehören. Sie sind fossilleer, enthalten aber ab und zu Marmorlinsen, die möglicherweise auf primitive Algenkolonien zurückzuführen sind.Geology of U.S. Parklands. S 398.
Ab 1740 Millionen Jahre vor heute wurden die Vishnu Basement Rocks von aufsteigendem Magma durchsetzt, das aus einer südostwärts vorgelagerten Subduktionszone stammte. Es erstarrte allmählich zum jetzigen Zoroaster Granite und mehreren anderen Plutonen – helle Lagen im Vishnu Schist (Einheit 1b). Während dieser Intrusionen blieben aber die tektonischen Bewegungen nicht stehen und so wurden die granitischen Intrusionen stellenweise später zu Gneis umgewandelt.
Die Granitintrusionen erfolgten in mehreren Phasen: drei während des Metamorphoseprozesses der Vishnu Basement Rocks vor 1740 bis vor 1660 Millionen Jahren und die letzte vor rund 1400 Millionen Jahren. Diese letzte Phase wurde von großen Störungen begleitet, an nördlich streichenden Verwerfungen kam es zu grabenartigen Brüchen und vielleicht sogar zu einem teilweisen Wiederaufbrechen (Rifting) des sich formierenden Kontinents.Pages of Stone: Geology of the Grand Canyon & Plateau Country National Parks & Monuments. S. 100.
In den Gesteinen der Vishnu Basement Rocks lassen sich die Spuren zweier gebirgsbildender Ereignisse ablesen – die Yavapai-Gebirgsbildung gefolgt von der Mazatzal-Gebirgsbildung. Die dabei aufgeschobenen Bergketten dürften den Höhendimensionen des heutigen Himalaya in nichts nachgestanden haben. Mit dem Abklingen der orogenen Bewegungen setzte dann die Erosion ein und reduzierte in den nächsten 400 Millionen Jahren das einstige Hochgebirge zu einem flachen Hügelland. Zurück blieb eine enorme Winkeldiskordanz über dem abgetragenen Gebirgsstumpf.
Meso- und neoproterozoische Sedimente – die Grand Canyon Supergroup Im Mesoproterozoikum kam es zu einer Ausdünnung der kontinentalen Kruste, verursacht durch die von Laurentia weg driftende Bewegung einer größeren Platte (oder mehrerer Kleinplatten). An diesem Dehnungsprozess, der schließlich vor ca. 1100 Millionen Jahren zum Midcontinent Rift System führen sollte, wäre Laurentia beinahe zerbrochen – es entstanden große interkontinentale Grabenbruchbecken, in die das Meer vorstieß. Auf Laurentia bildete sich ein Flachmeer, das sich vom Gebiet des Oberen Sees über den Glacier-Nationalpark in Montana bis hin zum Grand Canyon und den Uinta Mountains erstreckte.
Die während dieses Meereseinbruchs im Zeitraum von vor 1254 bis vor 729 Millionen Jahren abgelagerten Sedimente bilden die Grand Canyon Supergroup (Einheit 2), die ihrerseits in zwei größere Gruppen aufgeteilt wird und sich aus neun recht unterschiedlichen Formationen zusammensetzt. Ihre Gesamtmächtigkeit an Sedimenten und vulkanischer Lava übersteigt 3000 Meter. Sie ist stellenweise in der Inner Gorge und in einigen der tieferen Seitencanyons aufgeschlossen.
Unkar Group Den tiefsten Abschnitt der Supergruppe bildet die offen marine Unkar Group (der geologische Begriff group bzw. Gruppe umfasst zwei oder mehr Formationen, die auf besondere Art miteinander in Verbindung stehen). Sie beginnt mit der Bass-Formation, einer rund 1254 Millionen Jahre alten, grau gefärbten Dolomitformation. Das zuunterst liegende Hotauta Conglomerate Member der Bass-Formation ist das Basiskonglomerat der aus westlicher Richtung erfolgenden marinen Transgression über den abgetragenen Grundgebirgsstumpf, deren Gerölle von den anbrandenden Wellen des langsam eindringenden Meeres zusammengeschwemmt wurden. Die darauf folgende eigentliche Bass-Formation ist ein flachmarines küstennahes Sediment, das abwechselnd aus Dolomit, Sandstein und Schieferton besteht. Die Mächtigkeit beträgt zwischen 60 und 100 Meter. Auch erste Fossilien treten bereits in ihr auf – Stromatolithen. Es folgt der ab 1187 Millionen Jahren abgelagerte, 137 bis 300 Meter mächtige Hakatai Shale. Er setzt sich zusammen aus dünnlagigen Tonsteinen, Sandsteinen und Schiefertonen nichtmarinen Ursprungs. Der Hakatai Shale wurde während einer kurzzeitigen Regression des Küstensaums sedimentiert. Seine orange bis rote Färbung verlieh dem Red Canyon seinen Namen. Mit dem 355 bis 410 Meter mächtigen Shinumo Quartzite etablierten sich wieder vollmarine Bedingungen. Es handelt sich um einen äußerst resistenten Sandstein, der während des Kambriums inselartig aus dem Kambrischen Meer herausragen sollte. Diese Inseln widerstanden in der Brandung für lange Zeit; sie wurden erst wesentlich später sedimentär überdeckt, der Sandstein wurde dabei zu Quarzit umgewandelt. Als Ablagerungszeitraum wird 1170 bis 1140 Millionen Jahre angegeben. Der Dox Sandstone ist etwa 1140 bis 1104 Millionen Jahre alt und wird bis zu 920 Meter mächtig. Er ist flachmarinen Ursprungs und enthält zwischengeschaltete Tonstein- und Schiefertonlagen. Das Auftreten von Rippelmarken und anderen Strukturen lässt seine küstennahen Ablagerungsbedingungen erkennen. Aufschlüsse dieser rot bis orange gefärbten Formation befinden sich in den östlichen Abschnitten des Canyons. Als Fossilien finden sich Stromatolithen und Algen. Über die bisher angesammelten Sedimente ergoss sich dann die Cardenas Lava (bzw. Cardenas Basalt), die oberste Formation der Unkar Group. Die dunkelbraune Lava wurde oberflächlich extrudiert, sie besitzt basaltische Zusammensetzung und wurde mit 1104 Millionen Jahren datiert. Sie besteht aus 10 bis 12 individuellen Lavaflüssen und erreicht eine Mächtigkeit von 300 Metern. In genetischem Zusammenhang mit der Cardenas Lava dürften basaltische Lagergänge und Gänge stehen, die die unteren Schichtglieder der Unkar Group durchsetzen.
Chuar Group Die Formationen der neoproterozoischen Chuar Group wurden im Zeitraum von vor 782 bis vor 729 Millionen Jahren gebildet. Die Ablagerungsbedingungen waren generell küstennah und flachmarin.The Geology of the Grand Canyon: When did this all happen? und Grand Canyon Rock Layers, Kaibab.org Die Chuar Group setzt mit der rund 782 Millionen Jahre alten Nankoweap-Formation ein. Ihre Mächtigkeit bewegt sich zwischen 113 und mehr als 250 Meter. Sie besteht aus grobkörnigem Sandstein flachmarinen Ursprungs, der entlang einer Transgressionsdiskordanz über der Cardenas-Lava abgelagert wurde. Die Nankoweap-Formation ist nur im Ostteil des Canyons aufgeschlossen. Sie endet mit einem Hiatus, einer geologischen Schichtlücke. Es folgt die 782 bis 751 Millionen Jahre alte, grüngefärbte Galeros-Formation, die aus einer Wechselfolge von Sandstein, Kalkstein und Schieferton besteht. Manche der Schiefertonlagen sind bunt gefärbt, die Farbtöne variieren dabei von Rot nach Violett. In der Galeros-Formation kommen ebenfalls Stromatolithen vor. Die auflagernde, 751 bis 729 Millionen Jahre alte Kwagunt-Formation besteht aus schwarzen Schiefertonen und rot- bis violettgefärbten Tonsteinen, Kalke sind untergeordnet. Vereinzelt eingeschaltete rote Sandsteintaschen finden sich am Carbon Butte. Auch in der Kwagunt-Formation treten Stromatolithen auf. Galeros-Formation und Kwagunt-Formation sind zusammen rund 1600 Meter mächtig.