
El Cañón fue creado por el río Colorado, cuyo cauce socavó el terreno durante millones de años. Tiene unos 446 km de longitud, cuenta con cordilleras de entre 6 a 29 km de anchura y alcanza profundidades de más de 1600 m. Cerca de 2000 millones de años de la historia de la Tierra han quedado expuestos mientras el río Colorado y sus tributarios o afluentes cortaban capa tras capa de sedimento al mismo tiempo que la meseta del Colorado se elevaba.

La gran profundidad del Gran Cañón y especialmente la altura de sus estratos (muchos de los cuales se formaron debajo del nivel del mar) se puede atribuir a los 1500-3000 m de elevación de la meseta del Colorado, elevación que comenzó a producirse hace cerca de 65 millones de años; esta elevación se produjo en diferentes etapas más que en un proceso continuo. El proceso de elevación aumentó el gradiente de la corriente del río Colorado y sus tributarios, aumentando así su velocidad y su capacidad para atravesar la roca.

Las condiciones climatológicas de mayor humedad que se dieron durante las glaciaciones incrementaron la cantidad de agua recogida por el área de drenaje del río Colorado. La consecuencia fue que el río aumentó la velocidad y profundidad de su proceso erosivo durante estas épocas.
Hace 5,3 millones de años el nivel base (punto más bajo del río) y el curso del río Colorado (o su ancestro geológico) cambiaron cuando se abrió el golfo de California y descendió el nivel base del río. Esto incrementó la velocidad de erosión de tal forma que casi la totalidad de la actual profundidad del Gran Cañón se alcanzó hace 1,2 millones de años. Las paredes colgantes del cañón fueron creadas por la erosión diferencial.

Con el actual gradiente de corriente, el río Colorado podría profundizar otros 370 a 600 metros en la roca antes de alcanzar el nivel base.
Aparte de la visita turística ocasional al borde sur con sus 2134 metros sobre el nivel del mar, el rafting o descenso de ríos y el excursionismo son actividades especialmente populares. El fondo del valle es accesible caminando, en mula o en barca descendiendo desde la parte superior del río. Los funcionarios del parque no aconsejan realizar en un solo día la excursión de descender al cauce del río y volver a subir debido a la distancia, el esfuerzo requerido y el peligro de agotamiento por calor por las altas temperaturas que se alcanzan en el fondo. Incluso las excursiones por el borde deben hacerse con cuidado en ciertos puntos; con frecuencia hay señales de peligro a lo largo de las pistas que recorren los bordes del Cañón.

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