גאולוגיה של הגרנד קניון

הגאולוגיה של הגרנד קניון חושפת את אחד הרצפים השלמים והנחקרים ביותר של סלעים על פני כדור הארץ. גילן של קרוב ל-40 שכבות סלעי המשקע שנחשפו בגרנד קניון ובשטח הפארק הלאומי גרנד קניון נע בין 200 מיליון שנים לקרוב ל-2 מיליארד שנים. מרביתן התגבשו במים רדודים וחמימים בסמוך לחופי ים, שמזמן כבר אינם קיימים, במערב אמריקה הצפונית. בין השכבות יש ייצוג הן למשקעים ימיים והן למשקעים יבשתיים, כולל דיונות מאובנות ממדבר נכחד. נתגלו לפחות 14 מקרים של אי התאמה בטור הסטרטיגרפי של שכבות סלעי המשקע באזור הגרנד קניון.
האזור החל להתרומם לפני כ-75 מיליון שנים במהלך האורוגנזה הלרמידית - אירוע של בניית רכסי הרים שהיה הגורם העיקרי ליצירת הרי הרוקי במזרח. בסך הכול התרוממה רמת קולורדו כ-3.2 קילומטרים. פרובינציית אגן ורכס הסמוכה ממערב החלה להיווצר לפני כ-18 מיליון שנים כתוצאה מהתמתחות קרום כדור הארץ. המים של מערכת הניקוז זרמו דרך מה שכיום הוא מזרח הגרנד קניון ונשפכו לתוך מה שהוא כיום חלקה התחתון של פרובינציית אגן ורכס. פתיחתו של מפרץ קליפורניה לפני כ-6 מיליון שנים אפשרה לנהר גדול לחצוב את דרכו מהמפרץ בכיוון צפון מזרח. הנהר החדש השתלט על מערכת הניקוז הישנה על מנת ליצור את נהר הקולורדו שהחל להתחתר בגרנד קניון.
אקלימים לחים יותר, תוצאה של עידני קרח שהחלו לפני 2 מיליון שנים הגבירו במידה ניכרת את חציבת הגרנד קניון, שלפני 1.2 מיליון שנים כבר היה עמוק כמו בימינו. פעילות געשית השקיעה לבה על האזור בתקופה שבין לפני 1.8 מיליון שנים ל-500,000 שנים. לפחות 13 סכרי לבה חסמו את נהר הקולורדו תוך יצירת אגמים שעומקם הגיע עד 600 מטרים. סוף עידן הקרח האחרון ופעולותיו של האדם במאה השנים האחרונות הפחיתו מאוד את עוצמת החתירה של הנהר בקניון, בפרט סכרים אשר שינו לגמרי את תבניות הסעת הסחף בנהר והשקעתו. נעשו ניסיונות ליזום שיטפונות מבוקרים מסכר קניון גלן במעלה הנהר על מנת לראות האם יש לפעולה זו אפקט משקם. רעידות אדמה ואירועי סחיפה מסוג תנועת בלית עדיין משפיעים על עיצוב פני האזור.

התגבשות המשקעים

הפרקים להלן מפרטים את שכבות הסלע של אזור הגרנד קניון מהסלעים העתיקים ביותר ועד לסלעים הצעירים ביותר.
הגאולוגים מקבצים את השכבות ליחידות ליתוסטרטיגרפיות (יחידות סלע) הקרויות פרטים (באנגלית members) המוכלות בתוך תצורות (formations) המקובצות לחבורות (groups) המאוחדות, במקרים נדירים, לחבורות-על (supergroups). יחידות הסלע קרויות על שם תצורות נוף שבקרבתן התגלו לראשונה. תצורות הנוף (גבעות, קניונים, מצוקים וכו') באזור הגרנד קניון כונו בשמות אנשים, שמות אינדיאניים מקוריים, שמות הלקוחים ממיתולוגיות שונות, שמות שנועדו לתאר דמיון בין תצורות הנוף לאתרים ידועים אחרים ואפילו שמות ליריים כיד הדמיון של האדם שהדביק את הכינוי. רבים משמות תצורות הנוף מקורם בכינויים שהעניק להם הגאולוג קלרנס דטון (Clarence Edward Dutton‏; 1912-1841) שפרסם ב-1882 את המחקר הגאולוגי המקיף הראשון על הגרנד קניון ("Tertiary History of the Grand Canon District"). דטון האמין ששמות של מקומות בגרנד קניון, בהיותו אחת מצורות הנוף החשובות והמרשימות ביותר על פני כדור הארץ, חייבים לשקף את מכלול תרבויות העולם, והוא בחר שמות ממיתולוגיות ואגדות ממקומות שונים בעולם. משום כך יש בגרנד קניון שמות מהמיתולוגיה ההודית (גבעת Vishnu Temple - "מקדש וישנו"), מהמיתולוגיה המצרית (צוק Tower of Ra - "מגדל רע"), מהבודהיזם (גבעת Budda Temple - "מקדש בודהה") ומהמיתולוגיה הרומית (גבעת Jupiter Temple - "מקדש יופיטר").

השקעה במזוזואיקון

בתחילת המזוזואיקון החל האזור להתרומם ונחלים החלו לחרוץ את האדמה החדשה שעלתה מעל פני הים. נחלים שזרמו בעמקים הנמוכים הנרחבים בתור הטריאס השקיעו סחף מהרמות הסמוכות, תוך יצירת תצורת מואנקופי (Moenkopi Formation) שעובייה הגיע ל-300 מטרים. התצורה עשויה משכבות אבן חול ושכבות פצלים עם שכבות גבס ביניהן. מחשופים של תצורת מואנקופי מצויים לאורך נהר הקולורדו ב"קניון מרבל" (Marble Canyon - "קניון השיש"), על הר סידר (Cedar Mountain - "הר הארז"; הר שולחן, בסמוך לגבול הדרום מזרחי של הפארק), וב"רד ביוט" (Red Butte - "הר כפתור אדום"; שוכן דרומית לכפר גרנד קניון). שרידים של קונגלומרט שינארמפ (Shinarump Conglomerate), הפרט התחתון (במרבית המקומות) של תצורת צ'ינלה (Chinle Formation), מצויים מעל לתצורת מואנקופי בסמוך לפסגת רד ביוט, אבל מתחת לקילוח לבה הצעיר הרבה יותר.
תצורות שעוביין הכללי הגיע בין 1,200 ל-1,500 מטרים הורבדו באזור במזוזואיקון ובקנוזואיקון, אבל הן נמחקו כמעט לחלוטין מהטור הסטרטיגרפי של הגרנד קניון על ידי סחיפה שהתרחשה אחרי בנייתן. ניתן לראות חלק מתצורות אלו בפארק הלאומי ציון ובפארק הלאומי ברייס קניון. יחד יוצרות יחידות סלע אלו את רצף הסלעים המכונה גרם המדרגות הגדול (Grand Staircase).

התרוממות והתמתחות סמוכה

האורוגנזה הלרמידית השפיעה על מערב אמריקה הצפונית בכך שסייעה לבניית הקורדילרה האמריקנית. התרוממות קאיבאב, קמר מונומנט, הרי יואינטה, קמר סן רפאל והרי הרוקי התרוממו, לפחות חלקם, באורוגנזה הלרמידית. אירוע יוצר הרים זה החל בסמוך לסיום המזוזואיקון, לפני כ-75 מיליון שנים, ונמשך לתוך האאוקן - תקופה בתור השלישון. האורוגנזה נגרמה בשל הפחתה מול החוף המערבי של אמריקה הצפונית. העתקים ראשיים שכיוונם צפון-דרום וחוצים את הקניון הופעלו מחדש בשל התרוממות זו. רבים מהעתקים אלו הם מעידן העל של הפרקמבריון והם פעילים גם כיום. נחלים שניקזו את הרי הרוקי בתחילת תקופת המיוקן הסתיימו באגנים חסרי מוצא לים ביוטה, אריזונה ונבדה, אבל אין כל הוכחה לקיומו של נהר גדול.
לפני כ-18 מיליון שנים החלו כוחות מתיחה לגרום להידקקות ולהנמכה של האזור שממערב לקניון תוך יצירת פרובינציית אגן ורכס. אגנים (גראבנים) שקעו, ורכסי הרים (הורסטים) התרוממו בין העתקים הישנים והחדשים שכיוונם צפון-דרום. יחד עם זאת, מסיבות שטרם נמצא להן הסבר מספק, נשארו שכבות הסלע של רמת קולורדו בדרך כלל במצב מאוזן במהלך שני האירועים שתוארו לעיל אף על פי שהם התרוממו לגובה שמעל ל-3.5 קילומטרים בשתי פעימות. חריגה מעובדה זו הייתה להשפעה הקלה שגרמו ההתרוממויות, הקמרים והרכסים שנוצרו בשלבים המוקדמים של האורוגנזה הלרמידית. לדוגמה, תצורות שנחשפו בגדה הדרומית של הקניון נמוכות בכ-240 מטרים מאותן תצורות בגדה הצפונית, וזאת משום שהגדה הצפונית קרובה יותר לחלק הגבוה של התרוממות קאיבאב. חלקו המערבי ביותר של הקניון מסתיים באחד ההעתקים של פרובינציית אגן ורכס, ה"גרנד וואש" (Grand Wash), שגם מסמן את הגבול שבין שני האזורים הגאולוגיים.
ההתרוממות בשל האורוגנזה הלרמידית ויצירת פרובינציית אגן ורכס הגדילה את השיפוע של הנחלים הזורמים מערבה מרמת קולורדו. נחלים אלו חתרו כלפי מזרח ערוצים עמוקים בשולי רמת קולורדו והשקיעו את הסחף בתוך אזור המתרחב של האגן והרכס.

הולדת נהר הקולורדו וחציבת הקניון

לפני 10 עד 6 מיליון שנים החלה היווצרותו של מפרץ קליפורניה, השוכן דרומית לקניון והמרוחק ממנו, בתהליך של ביקוע. בערך אותו זמן החלו השוליים של רמת קולורדו לשקוע מעט. שני התהליכים שינו ככל הנראה את כיוונם של נחלים רבים כלפי האזור השוקע והשיפוע הגדול יותר גרם להם להתחתר לעומק מהר יותר. לפני בין 5.5 ל-5 מיליון שנים גרמה סחיפה לאחור לצפון ולמזרח לאיחוד נחלים אלו לנהר עיקרי אחד הניזון מיובלי משנה. נהר זה, האב הקדמון של נהר הקולורדו, החל למלא את הזרוע הצפונית של המפרץ, שבמקור הגיעה כמעט עד סכר הובר, באמצעות השקעת הסחף.
במקביל, פלגים זרמו מהרמות במרכז אריזונה צפונה ולרוחב מה שכיום הוא מערב הגרנד קניון, וככל הנראה הזינו נהר גדול יותר. המנגנון שבו לכד נהר הקולורדו התחתון הקדום אגן ניקוז זה ואת הניקוז של מרבית יתרת רמת קולורדו אינו ידוע. הסברים אפשריים הם סחיפה לאחור או שנפרץ סכר טבעי על אגם או נהר. בכל אופן, כנראה שהקולורדו התחתון לכד בסופו של דבר את נהר הקולורדו העליון שמימיו התנקזו לאגן פנימי, במקום כלשהו מערבית להתרוממות קאיבאב. אגן הניקוז הגדול הרבה יותר, והשיפוע התלול יותר סייעו להאיץ את ההתחתרות לעומק.
בתקופות של עידני הקרח במהלך הפליסטוקן, החל מלפני שלושה ועד לפני שני מיליון שנים, היה האקלים באזור קר ולח יותר. המשקעים המוגברים האיצו את עוצמת זרימת המים ואת קיבולת הסחיפה של הנחלים (בייחוד בזמן הפשרת השלגים באביב ובשיטפונות בזק בקיץ). כמות המשקעים הגדולה יותר בתקופה זו גם הרחיבה מאוד את השטחים שבהם גדלו יערות העד. בעוד שבתקופתנו צומחים יערות העד החל מרום של 2,100 מטרים ומעלה, גדלו אז היערות גם עמוק בתוך הקניון. עם ספיקת מים גדולה בהרבה התחתר הקולרדו מהר יותר מאשר קודם לכן, והחל לחצוב במהירות את הגרנד קניון לפני כ-2 מיליון שנים, והגיע כמעט עד לעומק הנוכחי לפני כ-1.2 מיליון שנים.
כיוונו הכללי של הקניון הגדול של נהר הקולורדו הוא בערך ממזרח למערב למשך כ-447 קילומטרים, בין אגם פאוול לאגם מיד. לאורך מרחק זה צונח נהר הקולורדו כ-600 מטרים וסחף בדרכו כ-4,200 קילומטרים מעוקבים של משקעים על מנת לייצר את הקניון. בחלק זה חוצה הנהר את התרוממות קאיבאב בגובה של 3,000 מטרים וחוצה שבע רמות (רמות קאיבאב (Kaibab Plateau), קנאב (Kanab Plateau) ושיוויטס (Shivwits Plateau) תוחמות את חלקו הצפוני של הקניון ורמת קוקונינו (Coconino Plateau) תוחמת את חלקו הדרומי). כל אחת מרמות אלו תחומות בהעתקים ובמונוקלינות שכיוונם מצפון לדרום שנוצרו או שהופעלו מחדש במהלך האורוגנזה הלרמידית. פלגי מים שזרמו לתוך נהר הקולורדו ניצלו העתקים אלו על מנת לחצוב קניוני משנה, כדוגמת קניון ברייט אנג'ל (Bright Angel Canyon - "קניון המלאך הזוהר"). כל אזור הגרנד קניון משתפל מעדנות כלפי דרום, ולכן פלגי מים על הגדה הצפונית זורמים לתוך הקניון ופלגי מים על הגדה הדרומית זורמים ממנו והלאה. משום כך קניוני המשנה בצדו הצפוני של הגרנד קניון גדולים יותר מאלו שבצדו הדרומי.

פעילות געשית סוכרת את הקניון החדש

פעילות געשית החלה בשדה הגעשי יואינקארט (Uinkaret volcanic field - במערב הגרנד קניון) לפני כ-3 מיליון שנים. מעל ל-150 קילוחי לבה בזלתית סכרו את נהר הקולורדו לפחות 13 פעמים, מלפני 725,000 שנים ועד לפני 100,000 שנים. סכרי הלבה נוצרו בדרך כלל תוך כמה שבועות. אורכם נע בין 19 ל-138 קילומטרים, גובהם בין 45 ל-600 מטרים (עבה יותר במעלה הזרם ודק יותר במורד הזרם) ונפחם נע בין 0.13 ל-5 קילומטרים מעוקבים.
אורך החיים של הסכרים ויכולתם לאגור את מי נהר הקולורדו באגמים גדולים שנויים במחלוקת בין החוקרים. על פי אחת ההשערות נאגרו מים מנהר הקולורדו מאחורי הסכרים באגמים נרחבים שהגיעו עד העיירה מואב (Moab) שבמדינת יוטה. מים מהאגמים שמאחורי הסכרים החלו להישפך מעל סכרים שגובהם בין נע 46 ל-120 מטרים תוך יומיים עד 17 ימים, אבל במקרה הקיצוני ביותר החלו מים להישפך אחרי 22 שנים.
הסכר הגדול ביותר המכונה סכר פרוספקט (Prospect Dam) נוצר לפני 1.2 מיליון שנים וגובהו הגיע ל-690 מטרים מתחתית הקניון, 1,200 מטרים מעל פני הים. שטח פניו של האגם שנוצר מאחורי הסכר היה עצום, גדול בהרבה מאגם פאוול שמאחורי סכר קניון גלן של ימינו, וגובה פניו היה כ-90 מטרים מעל לקצה העליון של סכר קניון גלן. משערים על סמך כמויות המים שזורמות כיום בנהר שהאגם התמלא תוך 22 שנים. המים החלו אז להישפך מעל הסכר תוך יצירת מפל בגובה של כ-700 מטרים. אין כיום אף נהר שספיקתו דומה לקולורדו או גבוהה ממנו היוצר מפל שגובהו מתקרב לממדים אלו. מהרגע שהמים החלו להישפך מעל לסכר גרמה עוצמת המים הנופלים למערבולות בבסיס הסכר לכרסומו ולהתמוטטותו בסופו של דבר, כפי שניתן לראות כיום במפלי הניאגרה. החוקרים אינם יודעים מה קרה במורד הנהר במשך 22 השנים עד שהמים החלו להישפך מעל קצה הסכר. האם הערוץ היה יבש לחלוטין בתקופה זו או שהעובדה שסכר הלבה נוצר על קרקעית הנהר העשויה חצץ וחול אפשרה למעט מים לחלחל ולזרום במורד הנהר.
במקביל החל סחף לשקוע באגמים שמאחורי הסכרים. סחף מילא אגם שמאחורי סכר שגובהו 45 מטרים בקצת יותר מעשרה חודשים, ואגם מאחורי סכר בגובה 350 מטרים ב-345 שנים. הסחף מילא אגם מאחורי הסכר הגבוה ביותר שנוצר תוך 3,000 שנים. אשדות של מים זרמו מעל לסכר בעוד שמפלי מים היגרו במעלה הנהר לצידו. ההנחה המקובלת היא שמרבית סכרי הלבה החזיקו מעמד בין 10,000 ל-20,000 שנים. עם זאת, קיימים חוקרים הסבורים שסכרי הלבה היו הרבה יותר ארעיים, והתמוטטו אפילו לפני שמים החלו לזרום מעליהם. על פי המודל של חוקרים אלו הסכרים התמוטטו בשל זרימת המים דרך סדקים בסכרים וסביב הבסיסים של הסכרים, דרך סחף ומשקעי נהר המאפשרים למים לחלחל דרכם.
מאז התמוטטות סכרים אלו התחתר נהר הקולורדו לעומק של לא יותר מ-50 מטרים בסלעים של רמת קולורדו.

מחקר גאולוגי מתמשך והשפעת הפעילות האנושית

סוף עידני הקרח של הפליסטוקן ותחילת ההולוקן גרמו לשינוי האקלים, מעתיר משקעים לאקלים יבש צחיח-למחצה, בדומה לאקלים של האזור כיום. הקיטון הניכר בכמות המים הזורמים בנהר צמצמה מאוד את יכולת הסחיפה שלו. תהליכים של תנועת בלית הפכו הרבה יותר חשובים יחסית מאשר בעבר. התחולל תהליך של יצירת צוקים תלולים והתרחבות נוספת של הגרנד קניון ומערכת קניוני המשנה שלו. בממוצע מגיעות לנהר הקולורדו שתי מפולות סלעים בשנה מקניוני המשנה תוך יצירת או הרחבת אשדות. סוג זה של תנועת בלית הוא הדרך העיקרית שבה הקניונים הצדדיים הקטנים והתלולים משנעים משקעים, אבל תוך כדי כך משחק סוג זה תפקיד עיקרי בחציבת הקניונים הגדולים.
זרימת המים בנהר הקולורדו ווסתה החל מ-1963 לאחר הקמת סכר קניון גלן וסכרים נוספים במעלה הזרם. קודם להקמת הסכר נעה ספיקת מי נהר הקולורדו בין 20 ל-2,800 מ"ק בשנייה, כאשר פעם אחת בשלהי המאה ה-19 הגיע ספיקת מי נהר הקולרדו בשיטפון ל-8,500 מ"ק לשנייה. קצב פליטת המים מסכר גלן אינו עולה על 1,360 מ"ק לשנייה, למעט במצבים בהם קיים חשש שהמים באגם פאוול יגיעו לגובה שיגרום להם להישפך מעבר לסכר, או שיש צורך להוריד את גובה פני המים באגם פאוול מסיבה אחרת. מאז 1991 ננקטים אמצעי שימור זמניים. פליטת המים מהסכר הוגבלה ל-570 מ"ק בשנייה, אף על פי שתחנת הכוח בסכר מסוגלת להתמודד עם 370 מ"ק בשנייה נוספים.
ויסות זרימת הנהר באמצעות סכרים הקטינה את יכולתו לשחוק סלעים בכך שכמות הסחף שהוא נושא צומצמה במידה ניכרת. סכרים על הקולורדו גם שינו את אופי המים בנהר. בעוד שבעבר היו מי הנהר חמימים ובוציים, כיום המים צלולים וטמפרטורת המים אחידה - 8 °C כל השנה. מדי פעם נערכים ניסיונות בשיטפונות מבוקרים על מנת לחקור את ההשפעות על סחיפת המשקעים והרבדתם. כך למשל בשנים 1996 ו-2004 נפתחו המגופים של סכר גלן למשך תקופה קצרה וקצב ספיקת המים הגיע ל-1,360 מ"ק לשנייה.
הגרנד קניון שוכן בקצה הדרומי של הרצועה הסייסמית המכונה "מערב בין ההרים" (Intermountain West). במהלך המאה ה-20 התחוללו באזור הגרנד קניון לפחות 35 רעידות אדמה שעוצמתן גדולה מ-3.0 בסולם ריכטר, מתוכן, חמש מעל עוצמה 5.0. רעידת האדמה החזקה ביותר הייתה רעידה שעוצמתה 6.2 שהתחוללה בינואר 1906. העתקים ראשיים שכיוונם צפון-דרום החוצים את הקניון הם (ממזרח למערב), ה"גרנד וואש" (Grand Wash), הוריקן (Hurricane) וטורוויפ (Toroweap). שברים ראשיים בכיוון צפון מזרח שחוצים את הקניון כוללים את "וסט קאיבאב" (West Kaibab - "קאיבאב מערבי") ו"ברייט אנג'ל" (Bright Angel), בעוד ששברים שכיוונם צפון מערב כוללים את גרנדוויו-פנטום (Grandview—Phantom). מרבית רעידות האדמה מתחוללות ברצועה הצרה שכיוונה צפון מערב בין מערכות ההעתקים של "מסה ביוט" (Mesa Butte - " גבעת מסה") ו"וסט קאיבאב". אירועים אלו הם ככל הנראה התמתחות של הקרום שנעה מזרחה ובסופו של דבר תעבור מעבר לאזור הגרנד קניון.