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그랜드캐니언에서 가장 매력적인 것은 장엄함과 아름다움이지만, 가장 중요하고 값진 것은 협곡 양쪽 절벽의 암석에 드러나 있는 지구의 역사이다.

지구에서 일어난 지질학적 사건을 광범위하고 심오하게 기록하고 있다는 점에서 그랜드캐니언과 견줄 수 있는 곳은 지구 어디에도 없다. 예컨대, 콜로라도 강에서 북쪽으로 브라이스캐니언까지 뻗어 있는 약 7,000m의 바위 절벽은 지구의 역사를 고대부터 최근까지 차례로 보여준다.

그러나 그랜드캐니언의 기록은 연속적이지도 않고 완전하지도 못하다.

거기에는 엄청난 시간의 공백이 있다. 지구 구성물질의 상당량이 침식작용으로 사라지거나 지구 구성물질이 거의, 또는 전혀 쌓이지 않아서 생긴 지층의 공백을 시간으로 따지면 아마 수백만 년이 될 것이다. 따라서 전혀 다른 시대에 이루어진 2개의 암석층 사이에 있는 독특하고 얄팍한 지층으로 구분된다. 이 지층이 두 암석층 사이의 엄청난 시간의 불일치를 보여준다.(→ 지구과학)

협곡 지층의 지질학적 역사를 간단히 요약하면 다음과 같다.

협곡 밑바닥의 골짜기에는 뒤틀리고 일그러져 층이 가지런하지 않은 단단한 결정상태의 암석이 있는데, 이것은 약 40억 년 전에 형성된 화강암과 편암이다. 이 오래된 암석 위에는 6억 년 전에 형성된 역암층이 놓여 있다. 그 위에는 주로 석회암과 담수성 셰일 및 단단하게 굳은 사암으로 이루어진 암석층이 있다. 협곡 벼랑의 대부분을 이루고 있는 이 암석층은 3억 년이 넘는 오랜 세월 동안 침전과 퇴적작용으로 형성된 것이다. 이 암석층 위에는 중생대의 암석(2억 2,500만~6,500만 년 전)이 두껍게 쌓여 있다.

유타 주 남부에는 이 중생대 암석층이 침식되고 남은 흔적인 가파른 바위산이나 주홍색·흰색·분홍색의 단구애(段丘崖)가 이루어져 있으나, 고유의 그랜드캐니언 지역에서는 완전히 침식되어 사라졌다. 비교적 최근에 형성된 지층은 검은 용암으로 이루어진 얇은 암상(岩床)과 협곡에서 남동쪽으로 몇km 떨어진 곳에 생긴 원뿔 모양의 화산인데, 이 화산의 일부는 지난 1,000년 동안에도 활동했던 것으로 여겨진다.(→ 그랜드캐니언통)

콜로라도 강이 그랜드캐니언을 그토록 깊이 깎아낸 것은 지구 역사에서 가장 큰 사건들 가운데 하나이다.

콜로라도 강이 그런 놀라운 침식능력을 발휘할 수 있는 것은 강의 물살이 빠르고, 물의 양이 엄청나게 많으며, 엄청나게 많은 양의 진흙·모래·자갈 등을 하류로 운반하기 때문이다. 콜로라도 강이 운반하는 침전물은 하루 평균 50만t에 이른다. 그 지역이 배사구조를 갖고 있다는 것도 활발한 침식작용에 유리한 조건을 만들어 주었다. 배사지형에서는 강물이 급경사를 이루며 흘러 아래에 깊은 웅덩이를 팔 수 있기 때문이다.

그랜드캐니언이 그처럼 깊은 것은 강물의 침식작용 때문이지만, 폭이 넓은 것은 비·바람·기온의 풍화작용 및 화학적 풍화작용 때문이며 부드러운 암석이 빨리 마모되었기 때문이다. 이 모든 요인이 그랜드캐니언의 폭을 꾸준히 넓혀왔던 것이다. 정반대의 과정으로 협곡이 생긴 것도 놀라운 일이다.

땅이 강의 흐름을 거슬러 서서히 위쪽으로 융기하여, 그 자리에 있던 강은 바위를 뚫고 흐르게 되었다. 골짜기가 남쪽으로 면한 비탈을 가로질러 동쪽에서 서쪽으로 생긴 것, 그리고 높고 평탄한 대지가 강물을 빗나가게 하지 않고 오히려 강의 흐름을 가로질러서 있는 것도 바로 그렇게 설명될 수 있다.

사람들은 이 협곡을 만들어낸 여러 가지 환경 중에서 가장 중요한 요소를 못 보고 지나가거나 전혀 인식하지 못하는 경우가 많다.

그랜드캐니언의 주변지역에는 거의 비가 내리지 않는다. 이처럼 메마른 기후가 아니었다면 그랜드캐니언은 존재하지 않았을 것이다(→ 사막 기후). 빗물이 가파른 비탈을 따라 흘러내렸다면 협곡의 벼랑은 빗물에 침식되어 사라졌을 것이고, 계단식 지형은 오래전에 구멍이 뚫렸을 것이다. 독특한 모양과 다채로운 빛깔의 암석구조물은 존재하지 않았을 것이고, 페인티드데저트도 사라졌을 것이며, 그림처럼 아름다운 모뉴먼터밸리에는 둥글게 마모된 몇 개의 작은 언덕만 남아 있었을 것이다.