La geologia della zona dei canyon di Zion e di Kolob include nove formazioni note esposte, tutte visibili nel Parco nazionale di Zion nello stato dello Utah, negli Stati Uniti d'America. Insieme, queste formazioni rappresentano circa 150 milioni di anni di sedimentazione, per la maggior parte dell'età del Mesozoico, in quella parte del Nord America.. Parte di una supersequenza di unità rocciose chiamata Grand Staircase ("Grande Scalinata"), le formazioni esposte nella zona di Zion e di Kolob furono depositate in vari ambienti diversi, che vanno dai caldi mari poco profondi delle formazioni di Kaibab e di Moenkopi, dai ruscelli e i laghi delle formazioni di Chinle, di Moenave e di Kayenta, ai grandi deserti delle formazioni di Navajo e di Temple Cap e agli ambienti asciutti vicino alla costa della Formazione di Carmel.
Il successivo sollevamento dell'Altopiano del Colorado innalzò lentamente queste formazioni molto più in alto di dove erano depositate. Questo rese più ripido il gradiente dei fiumi ancestrali e degli altri corsi d'acqua sull'altopiano. I ruscelli con il moto più veloce approfittarono delle giunture nelle rocce create dal sollevamento per eliminare tutte le formazioni di età cenozoica e scavare gole nell'altopiano. Il Canyon di Zion fu scavato dal ramo settentrionale (North Fork) del Virgin River in questo modo. Flussi di lava e coni di scorie coprivano parti della zona durante la fase posteriore di questo processo.
Il Parco nazionale di Zion include un elevato altopiano che consiste di formazioni sedimentarie che si immergono molto dolcemente a est. Questo significa che gli strati più antichi sono esposti lungo il Virgin River nella parte del Canyon di Zion all'interno del parco, e quelli più giovani sono esposti nella sezione dei Canyon di Kolob. L'altopiano è delimitato ad est dalla zona di faglia di Sevier, e ad ovest dalla zona di faglia di Hurricane. I fenomeni meteorici ed erosivi lungo le faglie e le fatture orientate verso nord influenzano la formazione delle caratteristiche del paesaggio in questa regione, come i canyon.
Grand Staircase e rocce del basamento
La Grand Staircase è un'immensa sequenza di strati di rocce sedimentarie che si estende verso sud dal Parco nazionale del Bryce Canyon attraverso il Parco nazionale di Zion e fino al Grand Canyon. All'interno di questa sequenza, la più antica formazione esposta nella zona dei canyon di Zion e di Kolob è la più giovane formazione esposta del Grand Canyon—il Calcare di Kaibab (Kaibab Limestone). Il Bryce Canyon a nordest continua dove finiscono le zone di Zion e di Kolob presentando rocce di età cenozoica. Infatti, la formazione più giovane visibile nella zona di Zion e di Kolob è la più antica formazione esposta del Bryce Canyon—l'Arenaria del Dakota (Dakota Sandstone).
Nel periodo permiano, la zona di Zion e di Kolob era un bacino relativamente piatto vicino al livello del mare sul margine occidentale del supercontinente Pangea. I sedimenti dei monti circostanti aggiunsero peso al bacino, mantenendolo relativamente alla stessa altezza. Questi sedimenti in seguito si litificarono (divennero roccia) per formare a Formazione di Toroweap, ora esposta nel Grand Canyon a sud, ma non nella zona di Zion e di Kolob. Questa formazione non è esposta nel parco, benché formi il suo basamento roccioso.
Deposizione dei sedimenti Calcare di Kaibab (Permiano Superiore) Nel tardo periodo permiano, il Bacino di Toroweap fu invaso dal bordo calmo, poco profondo del vasto oceano Panthalassa in quello che i geologi locali chiamano il Mare di Kaibab. A quel tempo, lo Utah e il Wyoming erano vicini all'equatore sul margine occidentale del supercontinente Pangea..
A partire da 260 milioni di anni fa, il calcare grigio-giallastro del Calcare di Kaibab, ricco di fossili, fu deposto come una fanghiglia calcarea in un clima tropicale.. Durante questo tempo, le spugne, come lActinocoelia meandrina, proliferarono, solo per essere sepolti nel fango calcareo e i loro aculei interni di silice (spicole) dissolti e ricristallizzati per formare strati discontinui di selce di colore chiaro. Nel parco, questa formazione si può trovare nelle Hurricane Cliffs sopra il Centro visitatori dei canyon di Kolob e nella scarpata lungo l'Interstatale 15 mentre rasenta il parco.. Questa è la stessa formazione che borda il Grand Canyon a sud.
Ancora più ad ovest, un complesso assemblaggio di archi insulari si formò sopra una zona di subduzione. Ad est, nel Colorado occidentale, una catena montuosa simile all'odierna Himalaya chiamata Monti Uncompahgre segnava il confine con le terre basse dello Utah. Le interferenze del Kaibab con l'Arenaria di White Rim, ora esposta nella zona del Parco nazionale di Capitol Reef, a est, suggeriscono che la facies marina del Kaibab sia migrata verso est in risposta a una salita relativa del livello del mare, o trasgressione (il White Rim non è esposto nella zona di Zion). Il mare si mosse avanti e indietro attraverso lo Utah, ma verso il Medio Permiano il mare si era ritirato e l'Arenaria di Kaibab era esposta all'erosione, creando una topografia carsica e canali che raggiungono i 30 m di profondità.
Formazione di Moenkopi (Triassico Inferiore)
I vulcani continuarono a eruttare per tutto il Triassico Iniziale sull'arco insulare a ovest, orientato nord-sud, che era localizzato lungo quello che è ora il confine tra la California e il Nevada. L'acqua marina, poco profonda, si allungava dallo Utah orientale al Nevada orientale su una piattaforma continentale smussata. Quando il mare si ritirò intorno a 230 milioni di anni fa, si svilupparono ambienti fluviali, distese di fango, sabkhah e ambienti marini poco profondi, depositando gesso (dalle evaporiti lagunari), fanghi induriti, calcari, arenarie, scisti e siltiti.
Occorsero molte migliaia di sottili strati di questi sedimenti per creare la Formazione di Moenkopi, spessa 550 m.. Una linea di costa progradante depositò sedimenti deltizi fangosi che si mescolarono con molti depositi marini calcarei. Le piante e gli animali fossilizzati del Moenkopi sono prova di un mutamento climatico in un ambiente caldo tropicale che può aver subito condizioni monsoniche, secco-umide..
Il Conglomerato del Red Canyon, il membro basale del Moenkopi, riempie i vasti paleocanali che scorrono verso est scavati nell'Arenaria di Kaibab.. Alcuni di questi canali sono profondi fino a parecchi metri e possono raggiungere 61 m di profondità nella zona di St. George. Un suolo sottile, scarsamente sviluppato, o regolith, si formò sulle zone alte paleotopografiche tra i canali.
Quello deposizionale era un ambiente sottocosta dove la costa marina si alternava tra avanzamento (trasgressione) e ritiro (regressione). A Zion, i calcari e i fossili dei membri della Formazione di Moenkopi di Timpoweap, del Calcare di Virgin (Virgin Limestone) e di Shnabkaib documentano episodi trasgressivi. Diversamente dai membri di Timpoweap e del Calcare di Virgin, lo Shnabkaib contiene abbondante gesso e fango indurito intercalato che deriva dalla deposizione in un ambiente marino ristretto con complesse fluttuazioni della tavola d'acqua. Strati regressivi, di red bed separano gli strati trasgressivi. Ripple marks, crepe di fango e una stratificazione a lamine sottili suggeriscono che queste unità interposte di scisto e siltite rossi furono depositate in ambienti di piane tidali e di pianure costiere.
Affioramenti di questa formazione a strisce rosse, marroni e rosa dai colori vivaci si possono vedere nella sezione del parco con i canyon di Kolob e nelle collinette (buttes) sui due lati della Strada Statale 9 tra Rockville (Utah) a sud e Virgin (Utah) a sudovest dei confini del parco. Strati progressivamente più alti sono esposti finché non si raggiunge la cima della formazione all'imboccatura del Canyon di Parunweap (quando si viaggia verso il parco sulla Strada 9).
Formazione di Chinle (Triassico Superiore) In seguito, il sollevamento espose la Formazione di Moenkopi all'erosione e lo Utah divenne parte di un grande bacino interno drenato nel Triassico Superiore dai fiumi che scorrevano verso nord e nordovest. La deposizione in fiumi poco profondi insieme alla cenere vulcanica diede origine infine alla Formazione di Chinle, ricca di minerali. La zona di contatto irregolare, o discordanza, tra il Chinle e il sottostante Moenkopi si può vedere tra Rockville e Grafton nello Utah sudoccidentale.
Foreste fossili e fossili di animali adattati agli ambienti palustri, come fitosauri, dipnoi e bivalvi lacustri, sono stati trovati in questa formazione, come anche conifere, cicadofite, felci e code di cavallo.. Sono stati trovati anche minerali grezzi di uranio relativamente abbondanti, come la carnotite e altri minerali contenenti uranio. Il Chinle di colore porpora, rosa, blu, bianco, giallo e rosso contiene anche scisto, gesso, calcare, arenaria e quarzo. Ferro, ossidi di manganese e solfuro di rame si trovano spesso che riempiono gli spazi tra i ciottoli. Pendii violacei composti dal Chinle si possono vedere sopra la città di Rockville.
La sabbia, la ghiaia e le foreste fossili che costituivano questi depositi furono in seguito fortemente cementati dalla silice disciolta (probabilmente proveniente dalla cenere vulcanica dell'ovest) nell'acqua sotterranea.. Gran parte della colorazione brillante del Chinle è dovuta alla formazione del suolo durante il Tardo Triassico. Il membro più basso del Chinle, lo Shinarump, consiste di un conglomerato bianco, grigio e marrone fatto di arenaria grossolana e di sottili lenti di fango indurito sabbioso, insieme ad abbondanti foreste fossili. Lo Shinarump fu deposto in corsi d'acqua intrecciati che scorrevano attraverso valli erose nella sottostante Formazione di Moenkopi. Questo membro del Chinle forma dirupi sporgenti con uno spessore fino a 60 m, e il suo nome viene da una parola nativa americana che significa "groppa del lupo" (un riferimento al modo in cui questo membro viene eroso in colline grigie e arrotondate).
Una successione di fango indurito e arenaria ricchi di ceneri vulcaniche con uno spessore di 110 m costituiscono il Membro di Petrified Forest del Chinle, che fu depositato da laghi, da fiumi altamente sinuosi e sulle pianure alluvionali circostanti. Questa è la stessa parte brillante, multicolore del Chinle che è esposta nel Parco nazionale di Petrified Forest e nel Deserto Dipinto. Le foreste fossili sono, naturalmente, comuni anche in questo membro.
Formazioni di Moenave e di Kayenta (Giurassico Inferiore) Il sollevamento del primo Giurassico creò una discordanza sopra la Formazione di Chinle che rappresenta circa dieci milioni di anni di sedimentazione mancante tra di esso e la formazione successiva, il Moenave. Periodiche incursioni di mari poco profondi da nord durante il Giurassico inondarono parti del Wyoming, del Montana, e una depressione orientata a nordest-sudovest sul confine Utah/Idaho. Il Moenave fu depositato in una varietà di ambienti di fiume, di lago e di piana alluvionale.
Gli strati più antichi di questa formazione appartengono al Membro di Dinosaur Canyon, uno strato di roccia rossastra, che forma un pendio con sottili strati di siltite che sono intercalati di fango indurito e arenaria fine. Il Dinosaur Canyon, con uno spessore locale da 43 a 114 m, fu deposto probabilmente in corsi d'acqua a lento scorrimento, stagni e grandi laghi. Le prove di questo sono nella stratificazione incrociata dei sedimenti e nei grandi numeri di pesci fossili.