Press/Siever Allgemeine Geologie

786 Pages·2016·98.83 MB·German

by  John Grotzinger

John Grotzinger · Thomas Jordan
Press ·Siever
Allgemeine
Geologie
7. Aufl age
Press/Siever Allgemeine Geologie
John Grotzinger · Thomas Jordan
Press/Siever
Allgemeine Geologie
Aus dem Amerikanischen übersetzt von Volker Schweizer
7. Auflage
John Grotzinger Thomas Jordan
California Institute of Technology University of Southern California,
Pasadena, USA W. M. Keck Foundation
Los Angeles, USA
ISBN 978-3-662-48341-1 ISBN 978-3-662-48342-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-48342-8
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First 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 vorbehalten
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Planung: Merlet Behncke-Braunbeck
Lektorat: Gerd Hintermaier-Erhard
Titelbild: Fingal’s Cave. © Lars Johansson/fotolia.com
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Springer Spektrum ist Teil von Springer Nature
Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Berlin Heidelberg
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
X D anksagung
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.
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
XII
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