Geologie des Grand Canyon

Geologischer Gesamtüberblick

Der Grand Canyon zeigt eine außergewöhnlich umfassende Abfolge der Erdgeschichte. In seinen Steilwänden sind rund 1,5 Milliarden Jahre geologische Entwicklung Nordamerikas aufgeschlossen. Die meisten sichtbaren Gesteine sind Sedimentgesteine, die etwa 1200 bis 250 Millionen Jahre alt sind. Zusammen mit den metamorphen Vishnu Basement Rocks reicht die geologische Überlieferung bis vor 1750 Millionen Jahre zurück. Rund 40 Gesteinsformationen und 14 Diskordanzen, also Schichtlücken, machen den Grand Canyon zu einer der am besten untersuchten Gesteinsfolgen der Welt.

Die Sedimente entstanden überwiegend in warmen, küstennahen Schelfmeeren. Daneben gibt es Ablagerungen aus Flachmeeren, Flussauen, Sümpfen, Deltas und Wüsten. Die heutige Landschaft wurde vor allem durch tektonische Hebung, die Entwicklung des Colorado River, Klimaänderungen und Vulkanismus geprägt. Während der laramischen Gebirgsbildung, die vor etwa 72 bis 75 Millionen Jahren begann, wurde das Gebiet großräumig angehoben. Eine weitere starke Hebung vor etwa 17 Millionen Jahren formte das Colorado-Plateau. Insgesamt wird die Heraushebung je nach Betrachtung mit etwa 2700 bis 3000 Metern angegeben.

Vom Grundgebirge zur paläozoischen Schichtfolge

Das älteste Grundgebirge bilden die Vishnu Basement Rocks. In einem Backarc-Becken zwischen Laurentia und einem vulkanischen Inselbogen lagerten sich vor 1750 bis 1740 Millionen Jahren Vulkanasche, Ton, Silt und Sand ab. Das älteste radiometrisch datierte Gestein ist der Elves Chasm-Gneis mit einem Kristallisationsalter von 1840 Millionen Jahren. Die Kollision des Inselbogens mit dem Wyoming-Kraton und dem Mojave-Terran komprimierte und metamorphosierte den Sedimentstapel. Daraus entstanden unter anderem Vishnu Schist, Brahma Schist und Rama Schist. Aufsteigendes Magma bildete den Zoroaster Granite. Die Gebirgsbildungen von Yavapai und Mazatzal wurden anschließend durch etwa 400 Millionen Jahre Erosion zu einem Hügelland abgetragen.

Die Grand Canyon Supergroup entstand vor 1254 bis 729 Millionen Jahren in einem durch Krustendehnung gebildeten Flachmeer. Sie ist über 3000 Meter mächtig und umfasst die Unkar Group und die Chuar Group. Zur Unkar Group gehören die marine Bass-Formation mit Stromatolithen, der nichtmarine Hakatai Shale, der resistente Shinumo Quartzite, der küstennahe Dox Sandstone und die basaltische Cardenas Lava. Die Chuar Group besteht aus der Nankoweap-, Galeros- und Kwagunt-Formation und wurde ebenfalls überwiegend küstennah und flachmarin abgelagert. Nach 729 Millionen Jahren wurde die Supergroup um 15° verstellt, zerbrochen und teilweise abgetragen. Die dabei entstandene Great Unconformity ist eine große Winkeldiskordanz; in ihr fehlen etwa 200 Millionen Jahre regionaler Geschichte.

Vor etwa 527 Millionen Jahren kehrte das Meer zurück. Die Tonto Group dokumentiert eine von Westen kommende Transgression über den Transcontinental Arch. Sie umfasst die Sixtymile-Formation, den Tapeats Sandstone, die Bright-Angel-Formation, die Muav-Formation und den diskordant folgenden Frenchman Mountain Dolostone. Der Tapeats Sandstone bildet widerstandsfähige Steilwände, während die leicht verwitternde Bright-Angel-Formation Hanglagen und die Tonto Platform bildet. Der Bright Angel Shale wirkt als Wasserstauer; Wasser verbleibt im Muav Limestone und tritt in Quellen der Inner Gorge aus. Häufige Fossilien sind Brachiopoden, Trilobiten und Wurmspuren.

Zwischen Ordovizium und Silur fehlen Ablagerungen; der Hiatus dauerte rund 165 Millionen Jahre. Im Mitteldevon wurden tiefe Rinnen im Muav Limestone durch Flusserosion oder möglicherweise untermeerische Strömungen verfüllt. Es entstanden die Temple-Butte-Formation, der Redwall Limestone und später die Surprise-Canyon-Formation. Der Redwall Limestone bildete sich vor rund 335 Millionen Jahren in einem tropischen Meer und enthält unter anderem Crinoiden, Brachiopoden, Bryozoen, Korallen, Nautiloiden und Schwämme.

Jüngere Sedimente bis zum Mesozoikum

Die Supai Group entstand im Oberkarbon und Unterperm in Sümpfen, Flussauen und im Osten wahrscheinlich in einem schlammigen Flussdelta. Sie ist 180 bis 210 Meter mächtig und besteht vor allem aus roten Siltsteinen, Schiefertonen und bräunlichen Sandsteinen. Ihre Formationen sind Watahomigi-, Manakacha-, Wescogame- und Esplanade-Formation. Im Osten finden sich unter anderem Amphibien-Fußspuren sowie Reptilien- und Pflanzenfossilien, im Westen überwiegend marine Fossilien. Jede Formation endet mit einer Diskordanz.

Der etwa 265 Millionen Jahre alte Hermit Shale entstand in sumpfiger Umgebung und bildet wegen seiner weichen, tiefroten, 49 bis 53 Meter mächtigen Gesteine Hanglagen. Der Coconino Sandstone entstand vor rund 260 Millionen Jahren in einer Wüste aus Quarzsanddünen. Er ist 115 bis 200 Meter mächtig, bildet helle Steilwände und zeigt äolische, also vom Wind erzeugte, Schrägschichtung. Die Toroweap-Formation ist etwa 250 Millionen Jahre alt, 60 bis 75 Meter mächtig und enthält Ablagerungen eines warmen Flachmeeres. Sie gliedert sich in Seligman Member, Brady Canyon Member und Wood Ranch Member. Den oberen Abschluss bildet der 80 bis 110 Meter mächtige Kaibab Limestone, der vor rund 225 Millionen Jahren in einer warmen Flachsee entstand und marine Fossilien wie Haifischzähne, Brachiopoden, Korallen, Mollusken, Seelilien und Würmer enthält.

Mit Beginn des Mesozoikums wurde das Gebiet gehoben und von Flüssen durchzogen. In der Trias entstand die bis zu 300 Meter mächtige Moenkopi-Formation aus Sandstein, Schieferton und Gipslagen. Wegen ihrer geringen Verwitterungsbeständigkeit ist sie heute nur an wenigen Stellen aufgeschlossen. Überreste des zur Chinle-Formation gehörenden Shinarump Conglomerate finden sich unter anderem am Red Butte. Während Mesozoikum und Känozoikum abgelagerte, insgesamt über 1500 Meter mächtige Schichten wurden später größtenteils wieder erodiert; weiter nördlich sind sie in der Grand Staircase erhalten.

Hebung, Flusserosion und Vulkanismus

Die laramische Gebirgsbildung erfasste West-Nordamerika vom Ende des Mesozoikums bis ins frühe Tertiär. Eine zweite Hebungsphase begann vor etwa 17 Millionen Jahren im Unteren Miozän und schuf das Colorado-Plateau. Trotz der Hebung blieb dessen Schichtverband weitgehend horizontal. Zeitgleich mit der zweiten Hebungsphase setzte vor etwa 20 Millionen Jahren starke Krustendehnung ein. Dabei wurden alte Störungen reaktiviert und neue Brüche gebildet. Weiter westlich entstand die Basin and Range Province mit Horsten und abgesunkenen Becken; die Grand Wash Fault gehört zu diesem Einflussbereich.

Der Colorado River war zunächst ein Binnenfluss und endete in großen Binnenseen. Die Öffnung eines Arms des Golfs von Kalifornien vor 5,3 Millionen Jahren senkte die Erosionsbasis des Flusses auf Meeresspiegelniveau und leitete die Gewässer in Richtung des absinkenden Riftgrabens. Dadurch nahm das Gefälle zu und die Erosion wurde verstärkt. Durch rückschreitende Erosion vereinigten sich mehrere Einzugsgebiete zum heutigen Colorado River. Für das Überwinden des Kaibab Arch werden zwei Erklärungen genannt: Entweder trafen rückschreitend erodierende Canyons aus Osten und Westen aufeinander, oder der Fluss blieb gegenüber der langsam aufsteigenden Struktur antezedent.

Mit dem Beginn der Eiszeiten vor etwa 2,5 Millionen Jahren wurde das Klima kühler und feuchter. Höhere Niederschläge, Frühjahrsschmelzwasser und sommerliche Sturzfluten verstärkten die Erosion. Ab etwa zwei Millionen Jahren schnitt sich der Fluss wegen seines größeren Abflusses, des steileren Gefälles und der niedrigeren Erosionsbasis besonders schnell ein. Vor etwa 1,2 Millionen Jahren hatte er annähernd seine heutige Tiefe erreicht.

Im Uinkaret volcanic field trat während des Quartärs basaltische Lava aus. Zwischen vor 725 000 und vor 100 000 Jahren stauten mindestens 13 Lavaflüsse den Colorado River. Es entstanden Seen bis zu 600 Meter Tiefe und 160 Kilometer Länge. Wie lange diese Stauseen bestanden, ist umstritten: Häufig werden etwa 20 000 Jahre angenommen, andere Forscher halten die Dämme für kurzlebig und rechnen beim Zusammenbruch mit katastrophalen Überschwemmungen. Die Lavaströme folgen ab Flussmeile 178 über mehr als 121 Kilometer dem Flusslauf.

Heutige Prozesse und Zukunft

Mit dem Übergang vom feuchtkalten Pleistozän zum trockeneren Holozän nahm die Flusserosion wegen geringerer Niederschläge ab. Massenbewegungen wie Bergstürze wurden dadurch wichtiger und verbreiterten den Grand Canyon sowie seine Seitencanyons, während die Seitenwände steiler wurden.

Staudämme, besonders der Glen Canyon Dam, bremsen die heutige Erosion. Sie verringern die Fließgeschwindigkeit und die Sedimentfracht; dadurch verliert das Wasser einen Teil seiner schleifenden Wirkung. Wasserentnahmen für Trinkwasserversorgung und Bewässerung führen dazu, dass der Colorado River in trockenen Jahren sein Delta im Golf von Kalifornien nicht mehr erreicht. Der Damm veränderte außerdem das Flusswasser: Aus zuvor eher warmem, schlammigem Wasser wurde klares und kaltes Wasser, das eingesetzten Forellen Lebensraum bietet. Dies beeinflusste auch das Verhalten der Weißkopfseeadler.

In den 1990er Jahren wurden am Grand Canyon und in seiner Umgebung etwa 45 Erdbeben registriert, darunter fünf mit einer Intensität von 5,0 bis 6,0 auf der Richterskala. Dutzende Verwerfungen kreuzen den Canyon; viele waren im vergangenen Jahrhundert seismisch aktiv. Das Gefälle des Colorado River reicht theoretisch noch für 400 bis 600 Meter weitere Erosion. Eine zusätzliche zukünftige Hebung ist dabei nicht berücksichtigt. Der menschliche Einfluss dürfte die Erosionskraft des Flusses eher vermindern.