Allgemeine Geologie. Press/Siever. 5. Auflage. Aus dem Amerikanischen übersetzt von Volker Schweizer

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1 John Grotzinger / Thomas H. Jordan / Frank Press / Raymond Siever Press/Siever Allgemeine Geologie 5. Auflage Aus dem Amerikanischen übersetzt von Volker Schweizer

2 Inhaltsverzeichnis Teil 1 Moderne Theorien und Methoden der Geologie Kapitel 1 System Erde. Die wissenschaftliche Arbeitsmethode. Die Form der Erde und der Erdoberfläche Die Gesteinsabfolge... Der Schalenbau der Erde Die Dichte der Erde.. Erdmantel und Erdkern Erdkruste. Innerer Kern Chemische Zusammensetzung der Erdschalen Die Erde als System interagierender Komponenten System Klima System Plattentektonik... System Geodynamo Erdgeschichte im Überblick. Entstehung der Erde und der globalen Geosysteme Entwicklung des Lebens Kapitel 2 Plattentektonik - die alles erklärende Theorie. Die Entdeckung der Plattentektonik Kontinenta Idrift Seafloor-Spreading Die große Synthese: Das Mosaik der Platten..... Divergierende Plattengrenzen.. Konvergierende Plattengrenzen. Transformstörungen Kombinationen von Plattengrenzen Geschwindigkeit und Geschichte der Plattenbewegungen Das magnetische Streifenmuster des Meeresbodens... Tiefseebohrungen Bestimmung der Plattenbewegungen durch geodätische Verfahren

3 XII Inhaltsverzeichnis Die große Rekonstruktion Isochronen des Meeresbodens Rekonstruktion der Plattenbewegungen. 42 Das Auseinanderbrechen von Pangaea 43 Die Entstehung von Pangaea Konsequenzen der Rekonstruktion Mantelkonvektion: der Antriebmechanismus der Plattentektonik 46 Wo entstehen diese Antriebskräfte? Wie tief tauchen die Platten in den Erdmantel ab? Form der aufsteigenden Konvektionsströmungen Die Theorie der Plattentektonik und die wissenschaftliche Arbeitsmethode. 50 Teil 2 Grundlegende Prozesse Kapitel 3 Die Baustoffe der Erde: Minerale und Gesteine Was sind Minerale?. Der atomare Bau der Materie. Der Bau der Atome Ordnungszahl und Atommasse Chemische Reaktionen Chemische Bindung. Ionenbindung... Kovalente Bindung.. Metallische Bindung.. Van-der-Waals-Bindung. Der atomare Aufbau der Minerale. Kristalle und Kristallbildung... Wann kristallisieren Minerale?.. Die gesteinsbildenden Minerale. Silicate.. Carbonate. Oxide. Sulfide.. Sulfate.. Physikalische Eigenschaften der Minerale. Härte... Spaltbarkeit. Bruch. Glanz. Farbe

4 Inhaltsverzeichnis XIII Spezifisches Gewicht und Dichte Kristallform..... Was sind Gesteine? Magmatische Gesteine.... Intrusivgesteine und Effusivgesteine. Häufige Minerale Sedimentgesteine Vom Sediment zum Sedimentgestein Schichtung Häufige Minerale Metamorphe Gesteine Regional- und Kontaktmetamorphose. Häufige Minerale Der Kreislauf der Gesteine: Wechselwirkungen der Systeme Plattentektonik und Klima. Minerale bilden wertvolle Ressourcen Erzminerale Ganglagerstätten..... Imprägnationslagerstätten Magmatische Lagerstätten Sedimentäre Lagerstätten Kapitel 4 Magmatische Gesteine: Gesteine aus Schmelzen. Wodurch unterscheiden sich magmatische Gesteine?. Gefüge. Chemische und mineralogische Zusammensetzung Wie entstehen Magmen?... Wie schmelzen Gesteine?... Die Bildung von Magmakammern Wo entstehen Magmen?... Magmatische Differenziation. Fraktionierte Kristallisation - Labor- und Geländebeobachtungen Granit und Basalt: Magmatische Differenziation. Formen magmatischer Intrusionen. Plutone. Lager und Gänge. Hydrothermale Gänge Magmatismus und Plattentektonik. Spreading-Zentren als magmatische Geosysteme. Subduktionszonen als magmatische Geosysteme. Manteldiapire

5 XIV Inhaltsverzeichnis KapitelS Sedimente und Sedimentgesteine 117 Sedimentgesteine und der Kreislauf der Gesteine Verwitterung und Erosion liefern die Ausgangsstoffe der Sedimente: Gesteinsbruchstücke und gelöstes Material Sedimenttransport und Ablagerung Ozeane und Binnenseen, die großen Mischbecken Sedimentbecken: die Akkumulationsräume der Sedimente. 124 Sedimentbecken Riftstrukturen und thermisch bedingte Subsidenzbecken 124 Vorlandbecken Sedimentationsräume Terrestrische Ablagerungsräume 126 Küsten- und Flachwasserbereich 128 Ablagerungsräume des offenen Ozeans. 128 Klastische kontra chemische und chemisch-biogene Sedimentationsräume 128 Fazies - das Nebeneinander unterschiedlicher Sedimentbildungsräume. 129 Sedimentstrukturen. 130 Schrägschichtung Gradierte Schichtung. 130 Rippelmarken Bioturbationsstrukturen. 131 Sedimentationszyklen Versenkung und Diagenese: vom Sediment zum Sedimentgestein 133 Versenkung Diagenese: Temperatur, Druck und chemische Prozesse führen vomlockersediment zum Festgestein Klassifikation der siliciklastischen Sedimente und Sedimentgesteine 134 Klassifikation entsprechend der Korngröße Grobkörnige siliciklastische Sedimente und Sedimentgesteine: Kiesfraktion und Konglomerate Mittelkörnige siliciklastische Sedimente und Sedimentgesteine: Sand und Sandsteine. 136 Feinkörnige siliciklastische Sedimente und Sedimentgesteine: Silt und Siltstein; Ton, Tonstein und Schieferton Klassifikation der chemischen und chemisch-biogenen Sedimente und Sedimentgesteine Chemisch-biogene Sedimente: Carbonatsedimente und Carbonatgesteine. 140 Chemische Sedimente: Steinsalz, Gips und andere chemische Sedimente. 143 Weitere chemische und chemisch-biogene Sedimente Kapitel 6 Metamorphe Gesteine Metamorphose und das System Erde. 150 Ursachen der Metamorphose. 150 Die Rolle der Temperatur

6 Inhaltsverzeichnis xv Die Rolle des Drucks.... Die Rolle der fluiden Phasen. Arten der Metamorphose. Regionalmetamorphose... Kontaktmetamorphose... Hydrothermal-Metamorphose. Weitere Formen der Metamorphose. Metamorphe Gefüge Foliation. Klassifikation und Nomenklatur der metamorphen Gesteine. Metamorphite mit Foliation..... Metamorphite mit isotropem Gefüge Grobkörnige Kristallgefüge. Regionalmetamorphose und Metamorphosegrad Mineral-Isograden Metamorphosegrad und Zusammensetzung des Ausgangsgesteins Metamorphe Fazies Metamorphose und Plattentektonik. Druck-Temperatur-Pfade (p-t-pfade). Konvergenz ozeanischer und kontinentaler Platten Konvergenz kontinentaler Platten Exhumierung: Bindeglied zwischen den Systemen Plattentektonik und Klima Kapitel 7 Störungen, Falten und andere Zeugen der Gesteinsdeformation. Kartierung geologischer Strukturen Messung von Streichen und Fallen Geologische Karten Geologische Schnitte Wie werden Gesteine deformiert? Deformation durch Plattentektonik. Sprödes und duktiles Verhalten der Gesteine im Labor. Sprödes und duktiles Verhalten der Gesteine unter natürlichen Bedingungen Wichtige Deformationsstrukturen Störungen. Falten. Dome und Becken. Klüfte. Deformationsgefüge. Deformation von Kontinenten. Extensions- oder Dehnungstektonik. Kompressions- oder Einengungstektonik Scherungstektonik Die Rekonstruktion des geologischen Werdegangs

7 XVI Inhaltsverzeichnis Teil 3 Der Faktor Zeit Kapitel 8 Zeitmessung im System Erde. Rekonstruktion der Erdgeschichte aus der stratigraphischen Abfolge Grundlagen der Stratigraphie Fossilien als Zeitmarken. Diskordanzen: Lücken in der Schichtenfolge. Verbandsverhältnisse. Geologische Zeitskala Die Einheiten der geologischen Zeitskala Massenaussterben in der Erdgeschichte Absolute Altersbestimmung mit radioaktiven Uhren Die Entdeckung der Radioaktivität. Radioaktive Atome: Uhren im Gestein. Radiometrische Datierungsmethoden. Geologische Zeitskala: absolute Altersdaten. Zeitmessung im System Erde. Sequenzstratigraphie. Chemostratigraphie. Magnetostratigraphie. Zeitmessung im System Klima. Kapitel 9 Die Entwicklung der terrestrischen Planeten Die Entstehung des Sonnensystems Die Nebular-Hypothese... Die Entstehung der Sonne.... Die Entstehung der Planeten.... Kleinere Körper des Sonnensystems Erde im Umbruch: die Entstehung eines aus Schalen aufgebauten Planeten. Die Erde heizt sich auf und schmilzt... Differenziation von Kern, Mantel und Kruste. Entstehung der Ozeane und der Atmosphäre Die Vielfalt der Planeten Alter und Relief der Planetenoberflächen. Der Mann im Mond: eine Zeitskala für Planeten Merkur: der alte Planet... Venus: der vulkanische Planet. Mars: der Rote Planet..... Erde: der belebte Planet... Die Erforschung des übrigen Sonnensystems und des Weltraums Weitere Sonnensysteme

8 Inhaltsverzeichnis XVII Kapitel 10 Die Entwicklung der Kontinente Der tektonische Bau Nordamerikas. Der stabile Kern der Kontinente.... Die Appalachen Atlantische Küstenebene und Kontinentalschelf. Die nordamerikanischen Kordilleren. Tektonische Provinzen der Erde. Tektonische Provinzen. Deformationsalter Ein großes Puzzle Das Wachstum der Kontinente Magmatismus Akkretion. Modifizierung der Kontinente. Orogenese: Modifizierung durch Plattenkollision. Epirogenese: Modifizierung durch Vertikal bewegungen Die Entstehung der Kratone Die tieferen Stockwerke der Kontinente Die Kiele der Kratone Die Zusammensetzung der Kiele. Das Alter der Kiele Kapitel 11 Geobiologie Die Biosphäre als System. Ökosysteme Ausgangsmaterial: der Stoff, aus dem das Leben besteht Prozesse und Produkte: Wachstum und Leben. Biogeochemische Kreisläufe Mikroorganismen: die Chemiker der Natur. Häufigkeit und Diversität der Mikroorganismen Extremophile: Mikroorganismen, die in Grenzbereichen leben. Interaktionen zwischen Mikroorganismen und Mineralen Mikrobenmatten Geobiologische Ereignisse in der Erdgeschichte.. Die Entstehung des Lebens und die ältesten Fossilien. Entstehung des atmosphärischen Sauerstoffs... Die Kambrische Radiation des Lebens Das Erlöschen des Lebens: der Niedergang der Dinosaurier. Eine globale Erwärmung führt zur Radiation der Säugetiere Astrobiologie: die Suche nach außerirdischem leben. Bewohnbare Bereiche in der Umgebung von Sternen Bewohnbare Umwelt auf dem Mars

9 XVIII Inhaltsverzeichnis Teil 4 Endogene syste Kapitel 12 Vulkanismus Vulkane als Geosysteme. Vulkanische Fördersysteme. Vulkane als chemische Fabriken. Laven und andere vulkanogene Ablagerungen. Lavatypen. Gefüge. Pyroklastische Ablagerungen.. Vulkantypen und Morphologie Zentraleruptionen Spalteneruptionen Wechselwirkungen des Geosystems Vulkanismus und Hydrosphäre..... Vulkanismus und Atmosphäre. Die weltweite Verteilung der Vulkane. Basaltförderung an Spreading-Zentren. Hydrothermale Erscheinungen an Spreading-Zentren Vulkanismus an Subduktionszonen Intraplattenvulkanismus: die Manteldiapir-Hypothese. Vulkanismus und menschliches Dasein.. Vulkanische Risiken Verringerung der Risiken gefährlicher Vulkane. Rohstoffe aus Vulkanen Kapitel 13 Erdbeben Was sind Erdbeben? Die Scherbruch-Hypothese und das Auftreten von Erdbeben. Krustenbewegungen bei Erdbeben Vorbeben und Nachbeben.. Erforschung von Erdbeben Seismographen Seismische Wellen..... Lokalisierung des Epizentrums Bestimmung der Erdbebenstärke Rekonstruktion der Herdvorgänge aus seismischen Daten. GPS-Messungen und "stille" Erdbeben.... Die globale Verteilung der Erdbeben.... Das Gesamtbild: Erdbeben und Plattentektonik Regionale Störungssysteme

10 Inhaltsverzeichnis XIX Die zerstörende Wirkung der Erdbeben. Ursachen von Erdbebenschäden..... Verminderung von Erdbebengefahren... Können Erdbeben vorhergesagt werden?. Langfristige Vorhersagen. Kurzfristige Vorhersagen. Mittelfristige Vorhersagen. Kapitel 14 Die Erforschung des. Die Erforschung des Erdinneren mit seismischen Wellen Wellenarten. Die Ausbreitung seismischer Wellen in der Erde. Angewandte Seismik Zusammensetzung und Aufbau des Erdinneren Erdkruste. Erdmantel. Grenze Kern/Mantel Erdkern. Temperatur im Erdinneren Wärmetransport aus dem Erdinneren Temperaturverteilung im Erdinneren. Ein räumliches Bild des Erdmantels Seismische Tomographie. Das Schwerefeld der Erde Schweremessung Das Magnetfeld der Erde und der Geodynamo. Dipolfeld. Die Komplexität des Magnetfelds Paläomagnetismus.... Magnetfeld und Biosphäre Teil 5 Exogene Geosysteme Kapitel 15 System Klima. Komponenten des Systems Klima Atmosphäre. Hydrosphäre Kryosphäre. Lithosphäre. Biosphäre

11 xx Inhaltsverzeichnis Treibhauseffekt Ein Planet ohne Treibhausgase.. Die Treibhausatmosphäre der Erde Ausgleich des Systems durch Rückkopplungen Klimamodelle und ihre Grenzen. Klimaschwankungen Eiszeiten. Ältere Eiszeiten Kurzperiodische Klimaschwankungen. Regionale Klimaschwankungen. Der Kohlenstoffkreislauf. Geochemische Zyklen und ihre Funktion Der Kohlenstoffhaushalt.. Anthropogen verursachte Störungen des Kohlenstoffkreislaufs Die Erwärmung im 20. Jahrhundert - menschliche Fingerabdrücke im globalen Klimawandel Kapitel 16 Verwitterung, Erosion und Massenbewegungen. Verwitterung, Erosion, Massenbewegungen und der Kreislauf der Gesteine. Geologische Faktoren der Verwitterung Eigenschaften des Ausgangsgesteins Klima: l'jiederschlag und Temperatur Auswirkung der Bodenbedeckung. Der Faktor Zeit Chemische Verwitterung..... Die Rolle des Wassers: Feldspat und andere Silicate. Kohlendioxid, Verwitterung und Klimasystem.... Andere Silicate verwittern zu anderen Tonmineralen. Chemische Stabilität: ein Regulativ der Verwitterungsgeschwindigkeit. Die Rolle des Sauerstoffs bei der Verwitterung: die chemische Verwitterung der Eisensilicate. Hydratation: die Anlagerung von Wassermolekülen. Lösungsverwitterung: die rasche Verwitterung von Carbonat- und Salzgesteinen. Weitere Formen der chemischen Verwitterung. Physikalische Verwitterung Welche Faktoren bestimmen die mechanische Zerstörung der Gesteine? Physikalische Verwitterung und Erosion... Der Boden: Rückstand der Verwitterung. Böden als Geosysteme Paläoböden: Rückschlüsse auf das Klima der Vergangenheit Massenbewegungen..... Eigenschaft des Hangmaterials Wassergehalt

12 Inhaltsverzeichnis XXI Neigung und Stabilität der Hänge Auslösende Faktoren von Massenbewegungen Klassifikation von Massenbewegungen.. Massenbewegungen in Festgesteinen... Massenbewegungen in unkonsolidiertem Gesteinsmaterial Massenbewegungen im marinen Bereich Entstehung von Massenbewegungen Natürliche Ursachen von Rutschungen. Rutschungen durch menschliche Eingriffe in die Landschaft. Kapitel 17 Der Kreislauf des Wassers und das Grundwasser. Stoffflüsse und Speicher Wie viel Wasser gibt es? Der Kreislauf des Wassers Wie viel Wasser können wir verbrauchen?. Hydrologie und Klima Luftfeuchtigkeit, Niederschlag und Landschaft: die Verbindung der Systeme Klima und Plattentektonik.... Trockenzeiten Die Hydrologie des Abflusses. Grundwasser Wie fließt Wasser durch Boden und Gestein? Porosität und Permeabilität. Grundwasserspiegel und Grundwasseroberfläche. Grundwasserleiter Gleichgewicht zwischen Grundwasserneubildung und Grundwasserabfluss Die Geschwindigkeit der Grundwasserbewegung.. Wasservorräte in wichtigen Grundwasserleitern. Erosion durch Grundwasser... Wasserqualität Verunreinigung der Wasservorräte. Ist das Wasser trinkbar?... Wasser in der tiefen Erdkruste. Thermalwasser Mikroorganismen in tiefen Grundwasserleitern Kapitel 18 Flüsse: der Transport zum Ozean Flusstäler, Fließrinnen und Talauen. Flusstäler Grundrissformen der Flussläufe. Die Talaue

13 XXII Inhaltsverzeichnis Flussnetze Entwässerungsnetze. Entwässerungsnetze und Erdgeschichte. Wie fließendes Wasser festes Gestein erodiert Abrasion. Chemische und physikalische Verwitterung.... Unterschneiden durch Strömungen Wie Flusswasser fließt und Sediment transportiert Erosion und Sedimenttransport. Ablagerung von Sediment aus Suspension Schichtungsformen im Flussbett: Rippeln und Dünen Deltas: Die Mündungen der Flüsse Deltasedimentation Das Wachstum eines Deltas Einflüsse von Wellen, Gezeiten und Tektonik. Flüsse als Geosysteme Abfluss. Hochwasser Das Längsprofil eines Flusses und sein Gefälle Seen. Kapitel 19 Wind und Wüsten. Wind als Luftströmung Turbulenz. Atmosphärische Zirkulationssysteme Wind als Transportmittel Windstärke Korngröße. Äolisch transportiertes Material. Die geologische Wirkung des Windes. Korrasion. Deflation. Wind als Sedimentbildner. Entstehung von Sanddünen. Entstehung und Wanderung von Sanddünen. Dünenformen Staubablagerungen und Löss Wüstengebiete Wo findet man Wüsten?.. Verwitterung in Wüstengebieten. Sedimentation und Sedimente in der Wüste. Landschaftsformen der Wüsten

14 Inhaltsverzeichnis XXIII Kapitel 20 Das Meer. Unterschiede im geologischen Bau der Ozeane und Kontinente. Prozesse der Küstenbildung Wellenbewegung: der Schlüssel zur Dynamik der Küstenlinie Die Brandungszone. Wellenrefraktion Die Gezeiten.. Küstenformen. Flachküsten... Abtragung und Sedimentation im Küstenbereich. Meeresspiegelschwankungen als Maß der globalen Erwärmung Kontinentalränder Kontinentalschelf. Kontinentalhang und Kontinentalfuß: Trübeströme. Submarine Canyons... Die Tiefsee Erkundung des Ozeanbodens. Kartierung des Meeresbodens mit Satelliten. Profile durch zwei Ozeane Der Boden der Tiefsee Sedimentation im offenen Ozean.. Sedimentation auf den Schelfgebieten Sedimentation auf dem Kontinentalhang Sedimentation in der Tiefsee Kapitel 21 Gletscher: die Tätigkeit des Eises. Das Material Eis. Talgletscher. Inlandeismassen..... Wie Gletscher entstehen Erste Voraussetzung: niedrige Temperaturen und ausreichende Schneemengen. Akkumulation: Schnee wird zu Eis. Ablation: wo das Eis abschmilzt Gletscherhaushalt: Akkumulation minus Ablation Wie sich Gletscher bewegen Die Mechanismen der Gletscherbewegung Eisbewegung bei Talgletschern. Eisbewegung in der Antarktis... Glazigene Landschaftsformen. Glazialerosion und Erosionsformen Glazigene Sedimentation und Ablagerungsformen. Permafrost

15 XXIV Inhaltsverzeichnis Eiszeiten und das System Klima Die Weichsel-(Würm-)Kaltzeit Kaltzeiten und Meeresspiegelschwankungen 596 Die pleistozänen Vereisungsperioden: Hinweise von Kontinenten und Ozeanen 596 Milankovitch-Zyklen Ältere Vereisungsphasen Kapitel 22 Landschaftsentwicklung - Wechselwirkungen zwischen Tektonik und Klima 605 Oberflächenformen, Höhenlage und Relief Geländeformen, geschaffen durch Erosion und Sedimentation. 609 Berge und Hügel Hochplateaus Tektonisch bedingte Höhenzüge und Täler. 610 Flusstäler Tektonisch angelegte Täler Tektonisch bedingte Steilränder Interagierende Geosysteme beeinflussen die Oberflächenformen 617 Rückkopplung zwischen Hebung und Erosion 617 Rückkopplung zwischen Klima und Relief Modelle der Landschaftsentwicklung Die Davis'sche Zyklentheorie der Denudation 621 Gleichzeitigkeit von Hebung und Abtragung. 622 Quantitative Bestimmung von Hebung und Abtragung. 623 Landschaften als dynamisches Gleichgewicht Teil 6 Geowissenschaften und Gesellschaft Kapitel 23 Mensch und Umwelt. Die Zivilisation als globales Geosystem. Energiequellen Entstehung der Energiewirtschaft... Energieverbrauch weltweit Kohlenstofffluss und Energieerzeugung. Fossile Ressourcen und Reserven.. Die Entstehung von Erdöl und Erdgas.. Die weltweite Verteilung der Erdölreserven Erdölförderung und Verbrauch. Das Ende der Erölvorräte Erdöl und Umwelt. Erdgas

16 Inhaltsverzeichnis xxv Kohle. Teersande und Ölschiefer Alternativen zu fossilen Brennstoffen Kernenergie Sonnenenergie Hydroelektrische Energie. Windkraft. Geothermische Energie.. Globale Umweltveränderungen. Saurer Regen. Abbau der Ozonschicht Globale Erwärmung Willkommen im "Anthropozän" - eine neue Epoche der geologischen Zeitskala Management des Systems Erde.... Energiepolitik Modifizierung des Kohlenstoffkreislaufs. Nachhaltige Entwicklung Anhang Glossar... Literaturverzeichnis. Sachwortverzeich nis