大峡谷大体呈东西走向, 东起科罗拉多河汇入处, 西到内华达州界附近的格兰德瓦什崖附近.形状极不规则, 蜿蜒曲折, 迂回盘旋, 峡谷顶宽在6~30 公里之间, 往下收缩成V 形.两岸北高南低, 最大谷深1500 米以上, 谷底水面宽度不足千米, 最窄处仅120 米, 峡谷的奇特景色, 浩瀚气魄, 举世无双.由於河水的冲刷, 河谷地层在结构、硬软上的差异, 致使漫长的峡谷, 百态杂陈, 有的地方宽展, 有的地方狭隘;有的地方尖如宝塔, 有的地方堆如础石;有的如奇峰兀立, 有的如洞穴天成.人們根据形象特征, 分别冠以神话名称, 如狄安娜神庙、波罗门寺宇、阿波罗神殿等.尤其是谷壁地层断面, 节理清晰, 层层叠叠, 就像万卷诗书构成的曲线图案, 缘山起落, 循谷延伸.从谷底向上, 沿崖壁出露着从前寒武纪到新生代的各个时期的岩系, 水平层次清晰, 并含有代表性生物化石, 被称为"活的地质史教科书".
大峡谷的壮观, 不仅在於其千姿百态的奇峰异石和峭壁石柱, 还在於其色彩的变幻.由於峡谷两壁的岩石性质、所含矿物质的不同, 在阳光照射下, 呈现不同的色彩, 如铁矿石会呈现五彩缤纷, 其他氧化物则呈现各种暗淡的色调, 石英显出白色.如此一块块鲜红、一团团黝黑、一片片铁灰、一方方深赫的色彩, 使峡谷壁成为一块巨大的五彩斑斓的调色板, 令人眼花缭乱, 美不胜收.尤为神奇的是, 谷壁的色彩还会随天气阴晴的变化而变化.在阴霾的日子, 大峡谷中像是弥漫着紫色的烟雾;旭日初升或夕阳斜照时, 山山水水又尽染成红色和橘色.由於峡谷天气多变, 时而骄阳直射, 时而风雨大作, 更使峡谷风光变幻莫测, 气象万千.
大峡谷分南、北两岸, 中间有水相隔, 气候差异很大.南岸的大部分地区海拔1800~2000 米, 而北岸比南岸高400~600 米.南岸年平均降水量为382 毫米, 北岸高达685 毫米左右.北岸的气候比南岸冷, 冬季下大雪, 麋鹿成群.
大峡谷国家公园中野生动植物十分丰富.已发现的动物有90 余种, 鸟类有180 多种.峡谷中桧树、矮松葱郁, 野花茂盛, 植物有仙人掌、罂粟、云杉、冷杉等.
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