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Press/Siever Allgemeine Geologie
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Press/Siever Allgemeine Geologie
John Grotzinger · Thomas Jordan
Press/Siever Allgemeine Geologie
Aus dem Amerikanischen übersetzt von Volker Schweizer
7. Auflage
ISBN 978-3-662-48341-1 ISBN 978-3-662-48342-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-48342-8
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte biblio-grafische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Springer Spektrum© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, 2003, 2008, 2017First published in the United States by W. H. FREEMAN AND COMPANY, New York, Copyright © 2014 by W. H. FREE-MAN AND COMPANY. All rights reserved.Erstmals erschienen in den U.S.A. bei W. H. Freeman and Company.Copyright © 2014 W. H. Freeman and Company. Alle Rechte vorbehaltenDas Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheber rechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfäl-tigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikro verfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen.
Planung: Merlet Behncke-BraunbeckLektorat: Gerd Hintermaier-ErhardTitelbild: Fingal’s Cave. © Lars Johansson/fotolia.com
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Springer Spektrum ist Teil von Springer NatureDie eingetragene Gesellschaft ist Springer Berlin Heidelberg
John GrotzingerCalifornia Institute of TechnologyPasadena, USA
Thomas JordanUniversity of Southern California,W. M. Keck FoundationLos Angeles, USA
Wir widmen dieses Buch Frank Press und Ray Siever, Pioniere der Lehre auf dem Gebiet der modernen Geologie. Ohne ihre wegweisende Arbeit wäre dieses Buch nicht möglich geworden.
Vorwort
Die Geowissenschaften sind in unserer heutigen hoch-technisierten Welt integraler Bestandteil unseres täglichen Lebens. Wir sind umgeben von Materialien und Ressourcen, die der Erde entstammen: von den Treibstoffen unserer Verkehrsmittel bis hin zu dem Wasser, das wir trinken, und von Edelsteinen bis hin zur sachgemäßen Entsorgung unserer Abfälle. In zahlreichen Ländern begleiten Geowissenschaftler routinemäßig die Entscheidungen von Politik, Industrie und Kommunen. Fundierte Kenntnisse des Systems Erde waren noch nie so gefragt und notwendig wie heute.
Da die Geowissenschaften so eng mit unserem täglichen Leben verknüpft sind, entwickelt sich unser Fachgebiet ständig weiter und liefert Antworten auf drängende Fragen. Während vor einigen Jahr-zehnten ein Großteil der Geologen im Erdölsektor oder im Bergbau tätig war, arbeiten Geologen heute zunehmend in Positionen, die für den Schutz unseres Lebensraumes verantwortlich sind. Da die Welt-bevölkerung ständig wächst und die Zahl und das Ausmaß von Naturkatastrophen steigt, ist auch eine immer größere Anzahl von Menschen von solchen Katastrophen bedroht. Ihre Auswirkungen möglichst gering zu halten, gehört zu den Aufgaben der Geologen. Sogar bei der Suche nach extraterrestrischem Leben braucht es geologische Expertise, um die Umweltbedingungen auf Planeten wie dem Mars zu rekonstruieren. Hier forschen Geologen mithilfe von Robotern, die hunderte Millionen Kilometer ent-fernt sind, nach Spuren vergangenen Lebens in Gesteinen, die Milliarden Jahre alt sind.
All diese Anforderungen bedürfen eines immer besseren Verständnisses der Grundkonzepte und Prin-zipien der Geowissenschaften. Auch wenn sich die Zeiten und die Arbeitsrichtungen ändern, ist es von eminenter Bedeutung, die Zusammensetzung der geologischen Materialien und deren Ursprung zu kennen, und auch zu verstehen, wie der Planet als System funktioniert. Dabei sind Klimawandel, Verfügbarkeit von Grundwasser, die Häufigkeit schwerer Stürme und Vulkanausbrüche, die Suche und Kosten der Gewinnung von seltenen Rohstoffen wichtig für das Verständnis der Erde. Es liegt auf der Hand, dass mit der wachsenden Komplexität dieser Herausforderungen immer mehr gut ausgebildete Geologen gebraucht werden.
Natürlich haben seit der letzten Auflage zahlreiche geologische Ereignisse stattgefunden, sind neue Daten zur Klimaentwicklung und zum Klimawandel publiziert und neue natürliche Ressourcen ent-deckt sowie moderne Methoden zu deren Gewinnung entwickelt worden. Ein Großteil dieser neuen Erkenntnisse hat Eingang in diese Neuauflage gefunden.
Neu in der deutschen Auflage sind die „zusätzlichen Medien“ am Ende etlicher Kapitel in Form von QR-Codes und Internetlinks, die weitere, visuelle Einblicke in die verschiedenen Themen geben.
Im Glossar wurden die englischen Begriffe neben die deutschen gestellt, damit Leser sich leicht mit der englischsprachigen Terminologie vertraut machen können.
Die „Übungsaufgaben aus der geologischen Praxis“ finden sich gebündelt in Kapitel 24.*
* Aus Gründen der Lesbarkeit haben wir auf die konsequente Nennung aller männlichen und weiblichen Formen verzichtet; mit Geologen sind natürlich immer auch Geologinnen gemeint.
VII
Danksagung
Es ist für Dozenten wie auch Verfasser geologischer Lehrbücher eine echte Herausforderung, die viel-fältigen und wichtigen Aspekte der Geologie in einer einzigen Einführungsvorlesung darzustellen und dabei das Interesse und die Begeisterung der Studenten zu wecken. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, haben wir zahlreiche Kollegen um Rat gefragt, die an vielen sehr unterschiedlichen Universitäten und Hochschulen lehren.
Von den ersten Planungsstadien aller Auflagen dieses Lehrbuches an haben wir uns auf die Meinun-gen zur Gliederung des Textes und der Auswahl der zu besprechenden Themenkreise gestützt. Beim Abfassen der Kapitel haben wir uns überdies auf unsere Kollegen verlassen, die uns geholfen haben, eine pädagogisch sinnvolle, exakte und für Studierende verständliche und anregende Darstellung zu erreichen. Jedem von ihnen sind wir sehr zu Dank verpflichtet:
Marianne Caldwell (Hillsborough Community College), Courtney Clamons (Austin Community Col-lege), Ellen Cowan (Appalachian State University), Meredith Denton-Hendrick (Austin Community College), Mark Feigensen (Rutgers University), Edward Garnero (Arizona State University), Richard Gibson (Texas A&M Universität), Bruce Herbert (Texas A&M Universität), Bernard Housen (Western Washington University), Quinhong Hu (University of Texas at Arlington), Maureen McCurdy Hillard (LouisianaTech University), Daniel Kelley (Louisiana State University), Steppen Murphy (Central Pi-edmont Community College), Alycia Stigall (Ohio University), John Tacinelli (Rochester Community and Technical College) und J. M. Wampler (Georgia State University).
Ebenfalls zu Dank verpflichtet sind wir folgenden Kollegen, die uns bei der Planung oder der kritischen Durchsicht der sechsten Auflage unterstützt haben:
Jake Armour (University of North Carolina), Emma Baer (Shoreline Community College), Graham B. Baird (University of Northern Colorado), Rob Benson (Adams State College), Barbara L. Brande (University of Montevallo), Denise Burchsted (University of Connecticut), Erik W. Burtis (Northern Virginia Community College), Chu-Yung Chen (University of Illinois), Geofsfrey W. Cook (Univer-sity of Rhode Island), Tim D. Cope (DePauw University), Michael Dalman (Blinn College), Iver W. Duedall (Florida Institute of Technology), Stewart S. Farrar (Eastern Kentucky University), Mark D. Feigenson (Rutgers University), William Garcia (University of North Carolina), Michael D. Harrell (Seattle Central Community College), Elizabeth A. Johnson (James Madison University), Tamie J. Jovanelli (Berry College), David D. King, Jr. (Auburn University), Steve Kluge (State University of New York), Michael A. Kruge (Montclair State University), Steven Lee (Jet Propulsion Laboratory), Michael B. Leite (Chadron State College), Beth Lincoln (Albion College), Ryan Mathur (Juniata Col-lege), Stanley A. Mertzman (Franklin & Marshal College), James G. Mills, Jr. (DePauw University), Sadreddin C. Moosavi (Tulane University), Gregory Mountain (Rutgers University), Otto H. Muller (Alfred University), M. Susan Nagel (University of Connecticut), Heide Natel (U. S. Military Aca-demy), Jeffrey A. Nunn (Louisiana State University), Debajyoti Paul (University of Texas), Marylin Velinsky Rands (Lawrence Technological University), Jason A. Rech (Miami University), Randye L. Rutberg (Hunter College), Anne Marie Ryan (Dalhousie University), Jane Selverstone (University of New Mexico), Steven C. Semken (Arizona State University), Eric Small (University of Colorado), Neptune Srimal (Florida International University), Alexander K. Stewart (St. Lawrence University), Michael A. Stewart (University of Illinois), Giana Seegers Szablewski (University of Wisconsin), Leif Tapanila (Idaho State University) und Mike Tice (Texas A&M University).
IX
Andere waren unmittelbar an der Fertigstellung und Drucklegung des Manuskripts der amerikanischen Ausgabe beteiligt. Stets zur Seite stand uns Randi Rossignol, Lektorin bei W. H. Freeman. Randi arbei-tet seit 12 Jahren mit uns und es war stets eine Freude mit ihr zusammenzuarbeiten. Bill Minnick, Senior Editor, half uns durch die Untiefen des Manuskript- und Herstellungsprozesses bis zur Drucklegung. Jen Griffes soll dabei auch nicht unerwähnt bleiben. Amy Thorne kümmerte sich um das Material für die Website, Blake Logan hat den Text gestaltet, Jennifer Atkins hat uns viele schöne Fotos besorgt und Paul Rohloff und Nick Ciani begleiteten den Herstellungsprozess. Wir danken Dennis Free und Sheryl Rose von der Aptara Corporation für den Satz. Wir sind Jake Armour von der University of North Carolina dankbar und Charlotte, die mit uns an den Google Earth-Exkursen gearbeitet hat. Unser herzliches Dankeschön auch an Emily Cooper, die so viele wunderschöne Zeichnungen erstellt hat.
X Danksagung
Inhaltsverzeichnis
Die Autoren XXIX
I Moderne Theorien und Methoden der Geologie
1 System Erde 3
Die wissenschaftliche Arbeitsmethode 4
Geologie als Wissenschaft 6
Die Form der Erde und der Erdoberfläche 9
Der Schalenbau der Erde 10
Die Dichte der Erde 10
Erdmantel und Erdkern 11
Erdkruste 11
Innerer Kern 12
Chemische Zusammensetzung der Erdschalen 12
Die Erde als System interagierender Komponenten 13
System Klima 16
System Plattentektonik 17
System Geodynamo 18
Wechselwirkungen zwischen den Geosystemen ermöglichen das Leben 19
Erdgeschichte im Überblick 19
Entstehung der Erde und der globalen Geosysteme 19
Entwicklung des Lebens 20
Ergänzende Medien 22
2 Plattentektonik: Die alles erklärende Theorie 23
Die Entdeckung der Plattentektonik 24
Kontinentaldrift 24
Seafloor-Spreading 25
Die große Synthese: 1963–1969 27
Die Lithosphärenplatten und ihre Grenzen 28
Divergente Plattengrenzen 28
Konvergente Plattengrenzen 29
XI
Transformstörungen 34
Kombinationen von Plattengrenzen 35
Geschwindigkeit und Geschichte der Plattenbewegungen 35
Das magnetische Streifenmuster des Meeresbodens 35
Tiefseebohrungen 38
Bestimmung der Plattenbewegungen durch geodätische Verfahren 39
Die große Rekonstruktion 40
Isochronen des Meeresbodens 40
Rekonstruktion der Plattenbewegungen 40
Das Auseinanderbrechen von Pangaea 41
Die Entstehung von Pangaea 42
Konsequenzen der Rekonstruktion 42
Mantelkonvektion: Der Antriebsmechanismus der Plattentektonik 43
Wo entstehen diese Antriebskräfte? 43
Wie tief tauchen die Platten in den Erd mantel ab? 46
Form der aufsteigenden Konvektionsströmungen 47
Die Theorie der Plattentektonik und die wissenschaftliche Arbeitsmethode 47
Ergänzende Medien 49
Teil II Grundlegende Prozesse
3 Die Baustoffe der Erde: Minerale und Gesteine 53
Was sind Minerale? 54
Der atomare Bau der Materie 55
Der Bau der Atome 55
Ordnungszahl und Atommasse 55
Chemische Reaktionen 56
Chemische Bindung 57
Der atomare Aufbau der Minerale 58
Kristalle und Kristallbildung 58
Die Kristallisation der Minerale 59
Wann kristallisieren Minerale? 60
Die gesteinsbildenden Minerale 61
Silicate 62
Carbonate 64
Oxide 64
Sulfide 65
Sulfate 65
XII
Physikalische Eigenschaften der Minerale 66
Härte 66
Spaltbarkeit 67
Bruch 69
Glanz 69
Farbe 69
Dichte 70
Kristallform 70
Was sind Gesteine? 71
Eigenschaften der Gesteine 71
Magmatische Gesteine 73
Sedimentgesteine 74
Metamorphe Gesteine 76
Der Kreislauf der Gesteine: Wechselwirkungen der Systeme Plattentektonik und Klima 77
Minerale bilden wertvolle Ressourcen 79
Hydrothermale Lagerstätten 79
Magmatische Lagerstätten 82
Sedimentäre Lagerstätten 82
Ergänzende Medien 85
4 Magmatische Gesteine: Gesteine aus Schmelzen 87
Wodurch unterscheiden sich magmatische Gesteine? 88
Gefüge 88
Chemische und mineralogische Zusammensetzung 91
Wie entstehen Magmen? 95
Wie schmelzen Gesteine? 95
Die Bildung von Magmakammern 97
Wo entstehen Magmen? 97
Magmatische Differenziation 98
Fraktionierte Kristallisation – Labor- und Geländebeobachtungen 98
Granit und Basalt: Magmatische Differenziation 99
Formen magmatischer Intrusionen 100
Plutone 102
Lager und Gänge 103
Hydrothermale Gänge 104
XIII
Magmatismus und Plattentektonik 105
Spreading-Zentren als Magmaproduzenten 105
Subduktionszonen als Magmaproduzenten 109
Manteldiapire als Magmaproduzenten 111
Ergänzende Medien 112
5 Sedimente und Sedimentgesteine 113
Sedimentgesteine und der Kreislauf der Gesteine 114
Verwitterung und Erosion liefern die Ausgangsstoffe der Sedimente 116
Sedimenttransport und Ablagerung 117
Ozeane, die großen Mischbecken 120
Sedimentbecken: Die Akkumulationsräume der Sedimente 121
Riftstrukturen und thermisch bedingte Subsidenzbecken 121
Vorlandbecken 121
Sedimentationsräume 122
Terrestrische Ablagerungsräume 124
Küsten- und Flachwasserbereich 124
Ablagerungsräume des offenen Ozeans 124
Siliciklastische kontra chemische und chemisch-biogene Sedimentationsräume 125
Fazies – das Nebeneinander unterschiedlicher Sedimentbildungsräume 126
Sedimentstrukturen 127
Schrägschichtung 127
Gradierte Schichtung 127
Rippelmarken 127
Bioturbationsstrukturen 129
Sedimentationszyklen 129
Versenkung und Diagenese: Vom Sediment zum Sedimentgestein 130
Versenkung 130
Diagenese 130
Klassifikation der siliciklastischen Sedimente und Sedimentgesteine 132
Grobkörnige siliciklastische Sedimente und Sedimentgesteine: Kiesfraktion, Konglomerate und Brekzien 132
Mittelkörnige siliciklastische Sedimente und Sedimentgesteine: Sand und Sandsteine 133
Feinkörnige siliciklastische Sedimente und Sedimentgesteine: Silt, Siltstein, Ton, Tonstein und Schieferton 134
Klassifikation der chemischen und chemisch-biogenen Sedimente und Sedimentgesteine 136
Carbonatsedimente und Carbonatgesteine 136
XIV
Chemische Sedimente: Steinsalz, Gips und andere chemische Sedimente 140
Weitere chemisch-biogene und chemische Sedimente 142
Ergänzende Medien 143
6 Metamorphe Gesteine 145
Ursachen der Metamorphose 146
Die Rolle der Temperatur 147
Die Rolle des Drucks 147
Die Rolle der fluiden Phasen 149
Arten der Metamorphose 150
Regionalmetamorphose 150
Kontaktmetamorphose 151
Hydrothermalmetamorphose 152
Weitere Arten der Metamorphose 152
Metamorphe Gefüge 153
Foliation 153
Klassifikation und Nomenklatur der metamorphen Gesteine 153
Metamorphite mit Foliation 154
Metamorphite mit granoblastischem (isotropem) Gefüge 156
Porphyroblasten 157
Regionalmetamorphose und Metamorphosegrad 158
Mineral-Isograden 158
Metamorphosegrad und Zusammensetzung des Ausgangsgesteins 159
Metamorphe Fazies 160
Plattentektonik und Metamorphose 161
Druck-Temperatur-Pfade (p-T-Pfade) 161
Konvergenz ozeanischer und kontinentaler Platten 162
Metamorphose an Subduktionzonen 163
Konvergenz kontinentaler Platten 164
Exhumierung: Bindeglied zwischen den Systemen Plattentektonik und Klima 165
Ergänzende Medien 166
7 Störungen, Falten und andere Zeugen der Gesteinsdeformation 167
Kräfte der Plattentektonik 168
Kartierung geologischer Strukturen 168
Messung von Streichen und Fallen 169
Geologische Karten 170
Geologische Schnitte 170
XV
Wie werden Gesteine deformiert? 171
Sprödes und duktiles Verhalten der Gesteine im Labor 172
Sprödes und duktiles Verhalten der Gesteine in der Erdkruste 172
Wichtige Deformationsstrukturen 173
Störungen 173
Falten 175
Dome und Becken 178
Klüfte 180
Deformationsgefüge 180
Deformation von Kontinenten 181
Extensions- oder Dehnungstektonik 181
Kompressions- oder Einengungstektonik 183
Scherungstektonik 183
Die Rekonstruktion des geologischen Werdegangs 184
Ergänzende Medien 187
Teil III Der Faktor Zeit
8 Zeitmessung im System Erde 191
Rekonstruktion der Erdgeschichte aus der stratigraphischen Abfolge 192
Grundlagen der Stratigraphie 192
Fossilien als Zeitmarken 195
Diskordanzen: Lücken in der Schichtenfolge 196
Verbandsverhältnisse 197
Geologische Zeitskala: Relative Altersbestimmungen 198
Die Einheiten der geologischen Zeitskala 198
Massenaussterben in der Erdgeschichte 199
Das Alter wichtiger Erdölmuttergesteine 201
Absolute Altersbestimmung mit radioaktiven Uhren 201
Die Entdeckung der Radioaktivität 202
Radioaktive Atome: Uhren im Gestein 203
Radiometrische Datierungsmethoden 206
Geologische Zeitskala: Absolute Altersdaten 208
Äonen: Die längsten Zeiträume der Erdgeschichte 209
Überblick über die Erdgeschichte 210
Weitere Methoden der Altersbestimmung 211
Sequenzstratigraphie 211
Chemostratigraphie 212
XVI
Magnetostratigraphie 212
Zeitmessung im System Klima 212
Ergänzende Medien 213
9 Die Entwicklung der terrestrischen Planeten 215
Die Entstehung des Sonnensystems 216
Die Nebular-Hypothese 216
Die Entstehung der Sonne 217
Die Entstehung der Planeten 217
Kleinere Körper des Sonnensystems 219
Erde im Umbruch: Die Entstehung eines aus Schalen aufgebauten Planeten 219
Die Erde heizt sich auf und schmilzt 220
Differenziation von Kern, Mantel und Kruste 221
Entstehung der Ozeane und der Atmosphäre 222
Die Vielfalt der Planeten 222
Alter und Relief der Planetenoberflächen 224
Der Mann im Mond: Eine Zeitskala für Planeten 225
Merkur: Der alte Planet 226
Venus: Der vulkanische Planet 227
Mars: Der Rote Planet 228
Die Gesteine des Mars 231
Entwicklungsgeschichte des Mars 234
Erde: Der belebte Planet 236
Die Erforschung des Sonnensystems und des Weltraums 237
Weltraum-Missionen 238
Die Cassini-Huygens-Mission zum Saturn 238
Weitere Sonnensysteme 239
Ergänzende Medien 241
10 Die Entwicklung der Kontinente 243
Der tektonische Bau Nordamerikas 244
Der stabile Kern des Kontinents 244
Die Appalachen 245
Atlantische Küstenebene und Kontinentalschelf 247
Die Nordamerikanischen Kordilleren 248
Tektonische Provinzen der Erde 250
Tektonische Provinzen 251
Deformationsalter 252
Ein globales Puzzle 252
XVII
Das Wachstum der Kontinente 253
Magmatismus 253
Akkretion 253
Modifizierung der Kontinente 255
Orogenese: Modifizierung durch Plattenkollision 255
Der Wilson-Zyklus 262
Epirogenese: Modifizierung durch Vertikalbewegungen 263
Die Entstehung der Kratone 264
Die tieferen Stockwerke der Kontinente 267
Die Kiele der Kratone 267
Die Zusammensetzung der Kiele 267
Das Alter der Kiele 267
Ergänzende Medien 270
11 Geobiologie 271
Die Biosphäre als System 272
Ökosysteme 272
Ausgangsmaterial: Der Stoff, aus dem das Leben gemacht ist 273
Prozesse und Produkte: Wachstum und Leben 275
Biogeochemische Kreisläufe 276
Mikroorganismen: Die Chemiker der Natur 278
Häufigkeit und Diversität der Mikroorganismen 278
Interaktionen zwischen Mikroorganismen und Mineralen 281
Geobiologische Ereignisse in der Erdgeschichte 285
Die Entstehung des Lebens und die ältesten Fossilien 285
Die präbiotische Suppe: Das Originalexperiment zur Entstehung des Lebens 286
Die ältesten Fossilien 287
Entstehung des atmosphärischen Sauerstoffs 289
Evolutionäre Radiationen und Massenaussterben 290
Radiation des Lebens: Die „Kambrische Explosion“ 290
Der Schwanz des Teufels: Der Niedergang der Dinosaurier 293
Die Katastrophe der globalen Erwärmung: Massenaussterben an der Grenze Paläozän/Eozän 294
Astrobiologie: Die Suche nach außerirdischem Leben 296
Bewohnbare Bereiche in der Umgebung von Sternen 297
Bewohnbare Umwelt auf dem Mars 297
Ergänzende Medien 300
XVIII
IV Endogene Geosysteme
12 Vulkanismus 303
Vulkane als Geosysteme 304
Laven und andere vulkanogene Ablagerungen 305
Lavatypen 305
Gefüge der Vulkanite 308
Pyroklastische Ablagerungen 309
Vulkantypen und Morphologie 312
Zentraleruptionen 312
Spalteneruptionen 315
Wechselwirkungen mit anderen Geosystemen 318
Vulkanismus und Hydrosphäre 318
Vulkanismus und Atmosphäre 321
Die weltweite Verteilung der Vulkane 321
Vulkanismus an Spreading-Zentren 322
Vulkanismus an Subduktionszonen 322
Intraplattenvulkanismus: Die Manteldiapir-Hypothese 324
Vulkanismus und menschliches Dasein 327
Vulkanische Risiken 327
Verringerung der Risiken gefährlicher Vulkane 329
Rohstoffe aus Vulkanen 332
Ergänzende Medien 334
13 Erdbeben 335
Was sind Erdbeben? 336
Die Theorie der elastischen Rückformung 337
Krustenbewegungen bei Erdbeben 339
Vor- und Nachbeben 341
Erforschung von Erdbeben 342
Seismographen 342
Seismische Wellen 342
Lokalisierung des Epizentrums 346
Bestimmung der Erdbebenstärke 346
Rekonstruktion der Herdvorgänge 349
GPS-Messungen und „stille“ Erdbeben 351
Die globale Verteilung der Erdbeben 351
Das Gesamtbild: Erdbeben und Plattentektonik 352
Regionale Störungssysteme 354
XIX
Erdbeben: Gefahren und Risiken 354
Ursachen von Erdbebenschäden 356
Verminderung von Erdbebengefahren 359
Können Erdbeben vorhergesagt werden? 367
Langfristige Vorhersagen 367
Kurzfristige Vorhersagen 368
Mittelfristige Vorhersagen 368
Ergänzende Medien 370
14 Die Erforschung des Erdinneren 371
Die Erforschung des Erdinneren mit seismischen Wellen 372
Wellenarten 372
Die Ausbreitung seismischer Wellen in der Erde 373
Angewandte Seismik 376
Zusammensetzung und Aufbau des Erd inneren 379
Erdkruste 379
Erdmantel 380
Grenze Kern/Mantel 381
Erdkern 382
Temperatur im Erdinneren 382
Wärmetransport aus dem Erdinneren 384
Temperaturverteilung im Erdinneren 385
Ein räumliches Bild des Erdinneren 386
Seismische Tomographie 387
Das Schwerefeld der Erde 387
Das Magnetfeld der Erde und der Geodynamo 390
Dipol-Feld 390
Die Komplexität des Magnetfelds 391
Paläomagnetismus 394
Magnetfeld und Biosphäre 395
Ergänzende Medien 398
V Exogene Geosysteme
15 System Klima 401
Komponenten des Systems Klima 402
Atmosphäre 403
Hydrosphäre 404
Kryosphäre 404
XX
Lithosphäre 405
Biosphäre 406
Treibhauseffekt 407
Ein Planet ohne Treibhausgase 407
Die Treibhausatmosphäre der Erde 408
Ausgleich des Klimasystems durch Rückkopplungen 408
Klimamodelle und ihre Grenzen 410
Klimaschwankungen 411
Kurzfristige regionale Klimaschwankungen 411
Langfristige Klimaschwankungen: Die Eiszeiten des Pleistozäns 411
Langfristige Klimaschwankungen: Die Eiszeiten des Paläozoikums und Proterozoikums 417
Klimaschwankungen während der jüngsten Kaltzeit 417
Der Kohlenstoffkreislauf 418
Geochemische Stoffkreisläufe und ihre Funktion 418
Beispiel: Der Calciumkreislauf 421
Der Kohlenstoffkreislauf 421
Anthropogen verursachte Störungen des Kohlenstoffkreislaufs 423
Die Erwärmung im 20. Jahrhundert: Menschliche Fingerabdrücke im globalen Klimawandel 424
Ergänzende Medien 428
16 Verwitterung, Erosion und Massenbewegungen 429
Verwitterung, Erosion, Massen bewegungen und der Kreislauf der Gesteine 430
Geologische Faktoren der Verwitterung 430
Eigenschaften des Ausgangsgesteins 431
Klima: Niederschlag und Temperatur 431
Auswirkung der Bodenbedeckung 431
Der Faktor Zeit 432
Chemische Verwitterung 432
Die Rolle des Wassers: Feldspäte und andere Silicate 432
Kohlendioxid, Verwitterung und Klimasystem 433
Andere Silicate verwittern zu anderen Tonmineralen 436
Die Rolle des Sauerstoffs bei der Verwitterung 436
Hydratation: Die Anlagerung von Wassermolekülen 437
Lösungsverwitterung: Die rasche Verwitterung von Carbonat- und Salzgesteinen 437
Weitere Formen der chemischen Verwitterung 438
Chemische Stabilität 438
XXI
Physikalische Verwitterung 439
Welche Faktoren bestimmen die mechanische Zerstörung der Gesteine? 439
Wechselwirkungen zwischen physikalischer Verwitterung und Erosion 441
Böden: Rückstände der Verwitterung 442
Böden als Geosysteme 443
Paläoböden: Rückschlüsse auf das Klima der Vergangenheit 449
Massenbewegungen 449
Eigenschaft des Hangmaterials 451
Wassergehalt 453
Hangneigung 453
Auslösende Faktoren von Massenbewegungen 454
Klassifikation von Massenbewegungen 455
Massenbewegungen in Festgesteinen 457
Massenbewegungen in unkonsolidiertem Gesteinsmaterial 458
Massenbewegungen im marinen Bereich 463
Entstehung von Massenbewegungen 463
Natürliche Ursachen von Rutschungen 463
Rutschungen durch menschliche Eingriffe in die Landschaft 465
Ergänzende Medien 467
17 Der Kreislauf des Wassers und das Grundwasser 469
Der Kreislauf des Wassers 470
Materialflüsse und Speicher 470
Wie viel Wasser gibt es? 470
Der Kreislauf des Wassers 470
Wie viel Wasser können wir verbrauchen? 472
Hydrologie und Klima 473
Luftfeuchtigkeit, Niederschlag und Landschaft 473
Trockenzeiten 474
Die Hydrologie des Abflusses 475
Hydrologie des Grundwassers 478
Porosität und Permeabilität 479
Grundwasserspiegel und Grundwasseroberfläche 481
Grundwasserleiter 482
Gleichgewicht zwischen Grundwasserneubildung und Grundwasserabfluss 485
Die Geschwindigkeit der Grundwasserbewegung 487
Grundwasservorräte und ihre Bewirtschaftung 488
XXII
Erosion durch Grundwasser 491
Wasserqualität 493
Verunreinigung der Wasservorräte 493
Beseitigung der Verunreinigungen 494
Ist das Wasser trinkbar? 495
Wasser in der tiefen Erdkruste 496
Thermalwasser 497
Mikroorganismen in tiefen Grundwasserleitern 498
Ergänzende Medien 500
18 Flüsse: Der Transport zum Ozean 501
Flusstäler, Fließrinnen und Talauen 502
Flusstäler 502
Grundrissformen der Flussläufe 503
Talauen 505
Einzugsgebiete 505
Entwässerungsnetze 509
Entwässerungsnetze und Erdgeschichte 509
Die erosive Tätigkeit der Flüsse 511
Abrasion 512
Chemische und physikalische Verwitterung 512
Unterschneiden durch Wasserfälle 513
Sedimenttransport durch fließendes Wasser 513
Erosion und Sedimenttransport 515
Schichtungsformen im Flussbett: Rippeln und Dünen 517
Deltas: Die Mündungen der Flüsse 518
Deltasedimentation 519
Das Wachstum eines Deltas 519
Anthropogene Einflüsse 520
Einflüsse von Wellen, Gezeiten und plattentektonischen Prozessen 520
Flüsse als Geosysteme 522
Abfluss 522
Hochwasser 523
Längsprofil eines Flusses 523
Seen 529
Ergänzende Medien 530
XXIII
19 Wind und Wüsten 533
Die Windsysteme der Erde 534
Wind als Transportmittel 535
Windstärke 535
Korngröße 535
Oberflächenbedingungen 536
Äolisch transportiertes Material 536
Die geologische Wirkung des Windes 539
Korrasion 539
Deflation 539
Wind als Sedimentbildner 540
Entstehung von Sanddünen 540
Entstehung und Wanderung von Sanddünen 541
Dünenformen 544
Staubablagerungen und Löss 544
Wüstengebiete 546
Geographische Verbreitung der Wüsten 546
Verwitterung in Wüstengebieten 549
Sedimentation und Sedimente der Wüste 550
Landschaftsformen der Wüsten 551
Ergänzende Medien 554
20 Das Meer 555
Unterschiede im geologischen Bau der Ozeane und Kontinente 556
Prozesse der Küstenbildung 557
Wellenbewegung: Der Schlüssel zur Dynamik der Küstenlinie 558
Die Brandungszone 559
Wellenrefraktion 560
Gezeiten 561
Hurrikane und Sturmfluten 563
Küstenformen 569
Flachküsten 570
Erosion und Sedimentation im Küstenbereich 573
Einflüsse von Meeresspiegelschwankungen 575
Kontinentalränder 576
Kontinentalschelf 577
Kontinentalhang und Kontinentalfuß 577
Submarine Canyons 578
XXIV
Topographie des Tiefseebodens 579
Erkundung des Ozeanbodens von Schiffen aus 579
Kartierung des Meeresbodens mit Satelliten 580
Profile durch zwei Ozeane 583
Der Boden der Tiefsee 584
Sedimentation im offenen Ozean 585
Sedimentation auf den Schelfgebieten 585
Sedimentation auf dem Kontinentalhang 587
Sedimentation in der Tiefsee 589
21 Gletscher: Die Tätigkeit des Eises 593
Das Material Eis 594
Talgletscher 595
Inlandeismassen 596
Entstehung von Gletschern 598
Erste Voraussetzung: Niedrige Temperaturen und ausreichende Schneemengen 598
Akkumulation: Schnee wird zu Eis 598
Ablation: Wo das Eis abschmilzt 599
Gletscherhaushalt: Akkumulation minus Ablation 599
Bewegung der Gletscher 600
Mechanismen der Gletscherbewegung 600
Eisbewegung bei Talgletschern 602
Eisbewegung in der Antarktis 603
Glazigene Landschaftsformen 605
Glazialerosion und Erosionsformen 605
Glazigene Ablagerungen und Landformen 608
Permafrost 612
Vereisungszyklen und Klimaschwankungen 614
Die Weichsel- (Würm-) Kaltzeit 616
Eiszeiten und Meeresspiegelschwankungen 616
Die pleistozänen Eiszeiten 617
Ältere Vereisungsphasen 617
Ergänzende Medien 620
22 Landschaftsentwicklung 621
Oberflächenformen, Höhenlage und Relief 623
Landschaftsformen, geschaffen durch Erosion und Sedimentation 624
Berge und Hügel 624
Hochplateaus 626
XXV
Flusstäler 628
Tektonisch bedingte Höhenzüge und Täler 628
Tektonisch bedingte Steilränder 630
Interagierende Geosysteme beeinflussen die Oberflächenformen 630
Rückkopplung zwischen Klima und Relief 633
Rückkopplung zwischen Hebung und Erosion 634
Modelle der Landschaftsentwicklung 635
Die Davis’sche Zyklentheorie der Denudation 636
Das Penck‘sche Modell: Gleichzeitigkeit von Hebung und Abtragung 638
Das Hacks’sche Modell: Erosion und Hebung als dynamisches Gleichgewicht 640
VI Geowissenschaften und Gesellschaft
23 Mensch und Umwelt 643
Die Zivilisation als globales Geosystem 644
Natürliche Ressourcen 645
Energie-Ressourcen 646
Die Entstehung der Kohlenstoff-Wirtschaft 646
Energieverbrauch weltweit 647
Energieressourcen für die Zukunft 649
Kohlenstoff-Fluss und Energieerzeugung 649
Fossile Brennstoff-Ressourcen 649
Die Entstehung von Erdöl und Erdgas 649
Die weltweite Verteilung der Ressourcen 652
Erdölförderung und Verbrauch 653
Ende des Erdöls 653
Erdöl und Umwelt 654
Erdgas 655
Kohle 657
Unkonventionelle Kohlenwasserstoff-Ressourcen 660
Alternative Energie-Ressourcen 660
Kernenergie 660
Biokraftstoffe 662
Sonnenenergie 663
Hydroelektrische Energie 664
Windkraft 664
Geothermische Energie 665
XXVI
Globale Umweltveränderungen 665
Treibhausgase und globale Erwärmung 666
Prognosen bezüglich einer künftigen globalen Erwärmung 667
Konsequenzen des Klimawandels 669
Versauerung der Ozeane 672
Rückgang der Biodiversität 673
Management und Organisation des Systems Erde 674
Energiepolitik 674
Nutzung alternativer Energie-Ressourcen 675
Modifizierung des Kohlenstoffkreislaufs 675
Stabilisierung der Kohlenstoff-Emissionen 676
Nachhaltige Entwicklung 677
Ergänzende Medien 678
24 Übungsaufgaben aus der geologischen Praxis 679
1 Die Dimensionen unseres Planeten 681
2 Was geschah in Niederkalifornien? – Die Rekonstruktion von Plattenbewegungen 682
3 Lohnt sich der Abbau dieser Lagerstätte? 684
4 Die Entstehung wirtschaftlich bedeutender Erzlagerstätten 685
5 Die Suche nach Erdöl und Erdgas 686
6 Kristalle, Dokumente der Erdgeschichte 688
7 Die Suche nach potenziellen Kohlenwasserstofflagerstätten auf geologischen Karten 689
8 Isotope und das Alter der Gesteine und Minerale 691
9 Die Landung einer Raumfähre auf dem Mars: Sieben Minuten Angst 692
10 Wie rasch hebt sich der Himalaja, und wie rasch wird er abgetragen? 694
11 Der Nachweis früherer Lebensformen in Gesteinen 695
12 Sind die sibirischen Trappbasalte die eindeutige Ursache für ein Massenaussterben? 696
13 Können Erdbeben beeinflusst werden? 698
14 Das Prinzip der Isostasie: Warum sind die Ozeane tief und die Gebirge hoch? 699
15 Wo ist der fehlende Kohlenstoff? 701
16 Die Standfestigkeit von Hängen 702
17 Wie ergiebig ist ein Brunnen? 703
18 Können wir heute Kanu fahren? 704
19 Lässt sich das Ausmaß der Desertifikation vorhersagen? 706
XXVII
20 Die Wiederherstellung unserer Strände 707
21 Warum steigt der Meeresspiegel? 709
22 Wie rasch erodieren Flüsse den Untergrund? 710
23 Lösungen der Aufgaben 711
Glossar 715
Stichwortverzeichnis 751
XXVIII
Die Autoren
John Grotzinger ist ein vor allem im Gelände tätiger Geologe. Sein Interesse gilt der Entwicklung der Umwelt im weitesten Sinne und der Biosphäre. Außerdem arbeitet er über die frühe Entstehung des Mars sowie dessen potenzieller Bewohnbarkeit. Seine Forschungen befassen sich mit der chemischen Entwicklung der frühen Ozeane und Atmosphäre, dem Zusammenhang zwischen früher Evolution der tierischen Organismen und ihrer Umwelt sowie mit den geologischen Faktoren, die Sedimentbecken beeinflussen. Seine Geländearbeiten führten ihn nach Nordwest-Kanada, Nord-Sibirien, Südafrika, in den Westen der Vereinigten Staaten und via Roboter auf den Mars. Er erwarb seinen Bachelor of Science in Geowissenschaften 1981 an der University of Montana und seinen Ph.D. im Jahr 1985 am Virginia Polytechnic Insitute and State University. Danach folgten drei Jahre als Wissenschaftler am Lamont Doherty Geological Observatory, ehe er 1988 an die geowissenschaftliche Fakultät des MIT wechselte. Von 1979 bis 1990 führte er außerdem für den Canadian Geological Survey Kartierungsarbeiten durch. Derzeit ist er Hauptverantwortlicher für die „Mars Science Laboratory Rover Mission“, besser bekannt als „Curiosity“, der ersten Mission, die die Bewohnbarkeit der frühen Umwelt eines anderen Planeten beurteilen soll.
Im Jahr 1988 wurde Dr. Grotzinger am MIT zum Waldemar-Lindgren Distinguished Scolar ernannt und 2000 bekam er einen Ruf auf die Robert R. Shrock-Professur für Geo- und Planetenwissenschaften. Im Jahr 2005 wechselte er vom MIT zum Caltech und ist dort Fletcher Jones Professor für Geologie. Er erhielt 1990 den Presidential Young Investigator Award der National Science Foundation, 1992 die Donath Medal der Geological Society of America und 2007 die Charles Doolittle Walcott Medal der National Academy of Science sowie 2013 die Outstanding Public Leadership Medal der NASA. John Grotzinger ist Mitglied der American Academy of Arts and Sciences und der U.S. National Academy of Sciences.
Tom Jordan ist Geophysiker, sein Forschungsschwerpunkt ist die Zusammensetzung, Dynamik und Entwicklung der festen Erde. Er leitete Forschungsarbeiten über die Prozesse der Subduktion in große Tiefen, die Bildung der verdickten Kiele unter den alten kontinen-talen Kratonen und die Frage der Schichtung im Erdmantel. Dazu entwickelte er eine Anzahl seismischer Verfahren zur Untersuchung des Erdinneren, die geodynamische Probleme betreffen. Er arbeitete über die Modellierung von Plattenbewegungen, die Bestimmung der tektonischen Deformation, die Quantifizieung des Meeresbodenreliefs und Charakterisierung schwerer Erdbeben. Er erhielt seinen Ph.D in Geophysik und angewandter Mathematik im Jahr 1972 am Californian Institute of Technology (Caltech) und lehrte an der Princeton University und der Scripps Institution of Oceanography, ehe er 1984
XXIX
an das Massachussetts Institute of Technology (MIT) auf die Robert R. Shrock-Professur für Geo- und Planetenwissenschaften wechselte. Dort war er von 1988–1998 Head of Department of Earth, Atmos-pheric and Planetary Sciences. Seit 2000 lehrt er an der University of Southern California (USC) als Universitäts- und W. M. Keck-Professor für Geowissenschaften. Derzeit ist er Direktor des Southern California Earthquake Center, wo er ein internationales Forschungsprogramm über Erdbebensysteme koordiniert, an dem 600 Wissenschaftler und mehr als 60 Universitäten und Forschungseinrichtungen beteiligt sind.
Dr. Jordan erhielt 1983 die Macelwane Medal der American Geophy-sical Union, 1998 den Woodland Award der Geological Society of America und 2005 die Lehmann Medal der American Geophysical Union. Er ist Mitglied der American Academy of Arts and Sciences und der American Philosophical Society.
XXX Die Autoren
