Allgemeine Geologie
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Frank Press Raymond Siever The Washington Advisory Group Harvard University Allgemeine Geologie Einführung in das System Erde 3. Auflage Aus dem Amerikanischen übersetzt und herausgegeben von Volker Schweizer Geologisch-Paläontologisches Institut der Universität Heidelberg Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg • Berlin Inhaltsverzeichnis TeiM System Erde Kapitel 1 Die Entstehung eines Planeten 5 Die wissenschaftliche Arbeitsmethode 6 Moderne Theorie und Praxis in der Geologie 6 Die Entstehung unseres Planetensystems Die Nebular-Hypothese Überprüfung der Nebular-Hypothese 7 8 10 Erde im Umbruch: Ein System interagierender Komponenten Die Erde heizt sich auf und schmilzt Die Differenziation beginnt Die Entstehung von Kontinenten, Ozeanen und der Atmosphäre Die Erde als System interagierender Komponenten Die Entwicklung der übrigen Planeten und des Mondes Hinweise auf frühe Meteoritenschauer 11 11 12 14 16 16 18 Plattentektonik: Ein modernes Paradigma der Geologie Platten und ihre Bewegungen }. Plattengrenzen Plattentektonik und die Geschichte des Planeten Erde Die Theorie der Plattentektonik und die wissenschaftliche Methode 18 19 21 24 25 Aufgaben der Geologie 25 Kapitel 2 Minerale: Baustoffe der Gesteine 31 Was sind Minerale 32 Der atomare Bau der Materie Der Bau der Atome Ordnungszahl und Atommasse Chemische Reaktionen Abgabe und Aufnahme von Elektronen Gemeinsame Elektronen Das Periodensystem der Elemente 33 33 34 35 35 36 37 Chemische Bindung lonenbindung Kovalente Bindung Metallische Bindung Van-der-Waals-Bindung 38 38 40 40 40 Inhaltsverzeichnis Der atomare Aufbau der Minerale Kristalle und Kristallbildung Wann kristallisieren Minerale? Größe der Ionen 40 40 42 43 Die gesteinsbildenden Minerale Silicate Carbonate Oxide Sulfide Sulfate 45 46 50 50 51 51 Physikalische Eigenschaften der Minerale Härte Spaltbarkeit Bruch Glanz Farbe Spezifisches Gewicht und Dichte Kristallform 51 51 53 55 55 55 56 57 Minerale und Biosphäre 57 Kapitel 3 Gesteine: D o k u m e n t e geologischer Prozesse 61 Magmatische Gesteine Intrusivgesteine oder Plutonite Effusivgesteine oder Vulkanite Häufige Minerale 63 63 63 64 .\ Sedimentgesteine Vom Sediment zum Sedimentgestein Schichtung Häufige Mineralien 64 65 66 66 Metamorphe Gesteine Regional- und Kontaktmetamorphose Häufige Minerale 66 67 67 W o wir Gesteine finden 68 Der Kreislauf der Gesteine, ein Teilbereich des Systems Erde 68 Plattentektonik und der Kreislauf der Gesteine 71 Kapitel 4 Magmatische Gesteine: Gesteine aus Schmelzen 75 Wodurch unterscheiden sich magmatische Gesteine? Gefüge Chemische und mineralogische Zusammensetzung 76 76 79 W i e entstehen Magmen? Wie schmelzen Gesteine? Die Bildung von Magmakammern 85 85 87 Inhaltsverzeichnis XI Wo entstehen Magmen? Tektonische Tätigkeit, Gesteinszusammensetzung und Magmatyp 87 87 Magmatische Differenziation Fraktionierte Kristallisation Von Labor- zu Geländebeobachtungen: Die Intrusion des Palisaden-Lagergangs Granit und Basalt: Magmatische Differenziation Moderne Theorien der magmatischen Differenziation 90 90 91 92 93 Formen magmatischer Intrusionen Plutone Lager und Gänge Hydrothermale Gänge 95 95 97 99 Magmatismus und Plattentektonik 99 Kapitel 5 Vulkanismus 105 Vulkanische Gesteine Lavatypen Gefüge Pyroklastische Ablagerungen 107 107 109 109 Vulkantypen und Morphologie Zentraleruptionen Spalteneruptionen Weitere vulkanische Erscheinungen 112 112 118 119 Die weltweite Verteilung der Vulkane Vulkanismus an divergierenden Plattenrändern Vulkanismus an konvergierenden Plattengrenzen Intraplatten-Vulkanismus 122 122 125 126 Vulkanismus und menschliches Dasein Verringerung der Risiken gefährlicher Vulkane Nutzen aus Vulkanen 127 127 131 Kapitel 6 Verwitterung und Erosion 135 Verwitterung, Erosion und der Kreislauf der Gesteine 136 Geologische Faktoren der Verwitterung 136 Eigenschaften des Ausgangsgesteins Klima: Niederschlag und Temperatur Auswirkung der Bodenbedeckung Der Faktor Zeit Chemische Verwitterung Hydrolyse: Vom Feldspat zum Kaolin Kohlendioxid, Verwitterung und das System Erde Andere Silicate bilden andere Tonminerale Hydratation: Die Anlagerung von Wassermolekülen Oxidation: Die chemische Verwitterung der Eisensilicate Lösungsverwitterung: Die rasche Verwitterung von Carbonat-und Salzgesteinen Weitere Formen der chemischen Verwitterung Chemische Stabilität: Ein Regulativ der Verwitterungsgeschwindigkeit 136 137 138 138 139 139 143 144 145 145 146 147 147 ; XII Inhaltsverzeichnis Physikalische Verwitterung Physikalische Verwitterung in ariden Gebieten Physikalische Verwitterung in den übrigen Gebieten Gesteinszerfall Andere Formen der Verwitterung Physikalische Verwitterung und Erosion 148 149 149 149 151 152 Boden: Der Rückstand der Verwitterung Bodenprofile Klima, Zeit und Bodenbildung 152 154 154 Der Mensch als Faktor der Verwitterung 159 Verwitterung und Sedimentbildung 164 Kapitel 7 Sedimente und Sedimentgesteine 167 Sedimentgesteine und der Kreislauf der Gesteine 169 Sedimente und ihre Stellung innerhalb des Systems Erde Verwitterung und Erosion liefern die Ausgangsstoffe der Sedimente: Gesteinsbruchstücke und gelöstes Material Sedimenttransport und Ablagerung 170 170 171 Sedimentationsräume Terrestrische Ablagerungsräume Küsten-und Flachwasserbereich Ablagerungsräume des offenen Ozeans Klastische kontra chemische und chemisch-biogene Sedimentationsräume Fazies-das Nebeneinander unterschiedlicher Sedimentbildungsräume 175 176 177 177 178 179 Sedimentstrukturen Schrägschichtung Gradierte Schichtung Rippelmarken Bioturbationsstrukturen Sedimentationszyklen 179 180 181 181 181 182 Versenkung und Diagenese: Vom Sediment zum Sedimentgestein Kontinuierliche Sedimentation führt zur Überdeckung und Versenkung . Diagenese: Temperatur, Druck und chemische Umwandlungen führen vom Lockersediment zum Festgestein 183 183 Klassifikation der klastischen Sedimente und Sedimentgesteine Klassifikation entsprechend der Korngröße Grobklastische Sedimente und Sedimentgesteine: Kiesfraktion und Konglomerate Mittelkörnige klastische Sedimente und Sedimentgesteine: Sand und Sandsteine Feinklastische Sedimente und Sedimentgesteine: Silt und Siltstein, Ton, Tonstein und Schieferton 185 185 187 188 Klassifikation der chemischen und chemisch-biogenen Sedimente und Sedimentgesteine Klassifikation nach der chemischen Zusammensetzung Carbonatsedimente und Sedimentgesteine: Kalke und Dolomite Evaporite: Steinsalz, Gips und andere chemische Sedimente Kieselsedimente: die Herkunft der Kieselsäure 183 190 191 191 191 196 197 Inhaltsverzeichnis XIII Diagenetisch entstanden: Phosphorite Oxidische Eisenverbindungen: Sedimentäre Eisenerze Organische Substanz: Ausgangsmaterial für Kohle, Erdöl und Erdgas 198 198 198 Kapitel 8 Metamorphe Gesteine 201 Metamorphose und das System Erde 202 Ursachen der Metamorphose 202 Physikalische und chemische Einflussfaktoren Temperatur Druck Chemische Veränderungen Die Rolle der fluiden Phasen 204 204 204 204 205 Arten der Metamorphose Regionalmetamorphose Versenkungsmetamorphose Kontaktmetamorphose Hydrothermal-Metamorphose Dynamometamorphose Impakt- oder Schockmetamorphose 205 205 207 207 208 208 208 Metamorphe Gefüge Foliation Klassifikation und Nomenklatur der metamorphen Gesteine Metamorphite mit Foliation Metamorphite ohne Foliation Grobkörnige Kristallgefüge Feinkörnige Deformationsgefüge 208 208 210 210 212 214 214 Regionalmetamorphose und Metamorphosegrad Mineralisograden Metamorphosegrad und Zusammensetzung des Ausgangsgesteins Metamorphe Fazies 215 215 218 218 Kontaktmetamorphe Zonen Kontakthöfe Metamorphosegrad und Zusammensetzung des Nebengesteins 219 219 220 Plattentektonik und Metamorphose 221 Kapitel 9 Gesteine: Urkunden der Erdgeschichte 225 Zeitmessung 226 Zeitmessung im System Erde 227 Rekonstruktion der Erdgeschichte durch relative Datierung 228 Stratigraphische Abfolge Fossilien als Zeitmarken Hinweise auf zeitliche Lücken Verbandsverhältnisse Sequenzstratigraphie Geologische Zeitskala 228 229 231 232 233 234 i. . . . XIV Inhaltsverzeichnis Absolute Altersbestimmung und die geologische Zeitskala Radioaktive Atome: Uhren im Gestein Kohlenstoff-14: Datierung junger Ereignisse Grenzen und Anwendungsmöglichkeiten radiometrischer Datierungen Weitere geologische Datierungsmethoden 238 238 242 243 243 Die geologische Zeitskala Die Geschwindigkeiten sehr langsamer irdischer Prozesse Überblick über die Erdgeschichte 248 248 250 Kapitel 10 Falten, Störungen und andere Dokumente der Gesteinsdeformation 253 Auswertung der Geländebefunde Messung von Streichen und Fallen Konstruktion einer geologischen Karte und eines Schnitts 254 254 254 Wie werden Gesteine deformiert? Welche Faktoren bestimmen, ob ein Gestein gefaltet wird oder zerbricht? Sprödes und duktiles Verhalten unter natürlichen Bedingungen 256 257 258 Deformation durch Faltung Faltenformen Folgerungen aus Faltenstrukturen 258 259 264 Wie ein Gestein zerbricht: Klüfte und Störungen Klüfte Störungen 265 265 265 Die Rekonstruktion des geologischen Werdegangs ... 269 Teil! Massenbewegungen 275 Was führt zu Massenbewegungen? Eigenschaft des Hangmaterials Wassergehalt Neigung und Instabilität der Hänge Auslösende Faktoren von Massenbewegungen 276 277 279 280 280 Klassifikation von Massenbewegungen Massenbewegungen in Festgesteinen Massenbewegungen in unkonsolidiertem Gesteinsmaterial Erosion des durch Massenbewegungen verfrachteten Materials Massenbewegungen im marinen Bereich 284 284 286 290 290 Entstehung von Massenbewegungen Natürliche Ursachen von Rutschungen Plattentektonische Position Rutschungen durch menschliche Eingriffe 291 291 293 294 Inhaltsverzeichnis XV Kapitel 12 ' Der Kreislauf des Wassers und das Grundwasser 297 Strömungen und Speicher 298 Wie viel Wasser gibt es? Der Kreislauf des Wassers als Bestandteil des Systems Erde Wie viel Wasser können wir verbrauchen? 298 299 300 Hydrologie und Klima Luftfeuchtigkeit und Niederschlag Trockenzeiten 300 301 302 Die Hydrologie des Abflusses 304 Grundwasser Wie fließt Wasser durch Boden und Gestein? Grundwasserspiegel und Grundwasseroberfläche Gespanntes (artesisches) Grundwasser Gleichgewicht von Grundwasserneubildung und-abfluss Die Geschwindigkeit der Grundwasserbewegung 307 307 308 311 312 315 Wasservorräte in wichtigen Grundwasserleitern 316 Erosion durch Grundwasser 317 Wasserqualität Ist das Wasser trinkbar? • •• • 321 322 Verunreinigung der Wasservorräte 323 Wasser in der tiefen Erdkruste 324 Thermalwässer 325 Kapitel 13 Flüsse: Der Transport zum Ozean 329 Wie Flusswasser fließt 330 Flussfracht und Sedimentbewegung Erosion und Transport Ablagerungen aus Suspension Schichtungsformen im Flussbett: Rippeln und Dünen Wiefließendes Wasserfestes Gestein erodiert Abrasion Chemische und physikalische Verwitterung Unterschneiden durch Strömungen 331 331 332 334 334 336 337 337 Flusstäler, Fließrinnen und Talauen Flusstäler Formen der Flussläufe Die Talaue 337 338 338 341 Zeitliche und räumliche Veränderungen Abfluss Hochwasser Das Längsprofil eines Flusses und sein Gefälle Seen 341 342 344 345 349 ,. . . . XVI Inhaltsverzeichnis Flussnetze Entwässerungsnetze Entwässerungsnetze und Erdgeschichte 350 351 352 Deltas: Die Mündungen der Flüsse Deltasedimentation Das Wachstum eines Deltas Einflüsse von Wellen, Gezeiten und Tektonik 352 352 354 356 Kapitel 14 • Wind und Wüsten 359 Wind als Luftströmung Turbulenz Atmosphärische Zirkulationssysteme 360 360 360 Wind als Transportmittel Die Bewegung von Sandkörnern im Wind Wie viel kann der Wind transportieren und wie schnell? 362 362 362 Die geologische Wirkung des Windes Deflation Korrasion 366 366 366 Wind als Sedimentbildner Wo entstehen Sanddünen? Wie entstehen Sanddünen, und warum wandern sie? Dünenformen Staubablagerungen und Löss 368 368 370 371 373 Die Wüstengebiete Wo findet man Wüsten? Verwitterung in Wüstengebieten Sedimentation und Sedimente in der Wüste Landschaftsformen der Wüsten i 374 374 376 378 379 Kapitel 15 Gletscher: Die Tätigkeit des Eises 385 Das Material Eis Was ist ein Gletscher? Wie Gletscher entstehen Akkumulation: Schnee wird zu Eis Ablation: Wo das Eis abschmilzt Gletscherhaushalt: Akkumulation minus Ablation Gletscher: Rettung für wasserarme Gebiete? 386 386 388 389 390 391 391 Wie sich Gletscher bewegen Die Mechanismen der Gletscherbewegung Fließverhalten und Fließgeschwindigkeit 392 392 394 Glazigene Landschaftsformen Glazialerosion und Erosionsformen Glazigene Sedimentation und Ablagerungsformen Permafrost 396 396 399 404 Inhaltsverzeichnis XVII Eiszeiten: Die pleistozäne Vereisung Mehrfache Vereisungsperioden: Hinweise von Kontinenten und Ozeanen Meeresspiegelschwankungen Klimaschwankungen und Eiszeiten Hinweise aus Bohrungen im Inlandeis Klimaentwicklung seit der letzten Eiszeit 405 406 407 408 410 411 Kapitel 16 Landschaftsentwicklung 417 Oberflächenformen, Höhenlage und Relief 418 Geländeformen, geschaffen durch Erosion und Sedimentation 420 Berge und Hügel Hochplateaus Tektonisch bedingte Steilränder Tektonisch bedingte Höhenzüge und Täler Flusstäler Tektonisch bedingte Täler Die Entstehung der Oberflächenformen 420 421 422 422 423 426 427 Die Systeme der Erde beeinflussen die Landschaftsform Tektonik und Erosion Das Relief beeinflusst Verwitterung und Abtragung Wechselwirkung von Klima und Relief Geographische Breite entspricht der Meereshöhe 427 427 428 429 429 Die Oberflächenformen Nordamerikas . . . 430 Die Entwicklung der Landschaftsformen Ältere Vorstellung: Die Davies'sche Zyklentheorie der Erosion . . . Heutige Ansicht: Gleichgewicht zwischen Hebung und Erosion . . . ' • . Plattenkonvergenz führt zur Hebung Erosion fördert die Hebung Klima spielt eine modifizierende Rolle Die Landschaft als Abbild der geologischen Entwicklung 432 432 432 433 433 434 434 K a p i t e l 17 Das M e e r 437 Der Rand des Meeres: Wellen und Gezeiten Wellenbewegung: Der Schlüssel zur Dynamik der Küstenlinie Die Brandungszone Wellenrefraktion Die Gezeiten 438 440 • • • • 441 443 445 Küstenformen Flachküsten Aufbau einer Flachküste Abtragung und Sedimentation im Küstenbereich Meeresspiegelschwankungen 448 448 448 450 454 Erkundung des Ozeanbodens 458 Profile durch zwei Ozeane Ein Profil durch den Atlantik Ein Profil durch den Pazifik 460 ,. . . . 460 463 XVIII Inhaltsverzeichnis Kontinentalränder Kontinentalschelf Kontinentalhang und Kontinentalfuß: Trübeströme Submarine Canyons 463 464 464 467 Der Boden der Tiefsee Mittelozeanische Rücken Tiefseehügel, Tiefseeberge und Tiefseeplateaus Korallenriffe und Atolle 467 467 470 470 Sedimentation im offenen Ozean Sedimentation auf den Kontinentalrändern Sedimentation auf dem Kontinentalhang Sedimentation in der Tiefsee 472 472 472 472 Unterschiede im geologischen Bau der Ozeane und Kontinente 474 Teil 3 Endogene Prozesse, exogene Auswirkungen Kapitel 18 Erdbeben 479 Was sind Erdbeben? 480 Erforschung von Erdbeben 482 Seismographen Seismische Wellen Lokalisieren des Epizentrums Bestimmung der Erdbebenstärke Rekonstruktion des Herdmechanismus aus Erdbebendaten Das Gesamtbild: Erdbeben und Plattentektonik Erdbebenzonen an Plattengrenzen 482 483 485 487 489 490 490 ' '. Die zerstörende Wirkung der Erdbeben Wie Erdbeben Schäden verursachen Verminderung von Erdbebenschäden 493 494 495 Erdbeben und das System Erde 502 Kapitel 19 Die Erforschung des Erdinneren 505 Die Erforschung des Erdinneren mit seismischen Wellen 506 Die Ausbreitung seismischer Wellen in der Erde Angewandte Seismik Zusammensetzung und Aufbau des Erdinneren 506 508 509 Die Wärmeproduktion im Erdinneren Der Wärmetransport aus dem Erdinneren Wärme von der Sonne und Wärme aus dem Erdinneren: Interagierende Komponenten des Systems Erde Die Temperaturverteilung im Erdinneren 518 518 , . 521 521 Inhaltsverzeichnis XIX Das Erdinnere im Spiegel des Magnetfelds Die Erde als Magnet Paläomagnetismus Magnetostratigraphie 522 522 523 524 Gravimetrie Das indische Rätsel Gravimeter Schweremessung 525 525 527 527 Kapitel 20 Plattentektonik, die alles erklärende Theorie 533 Von der umstrittenen Hypothese zur fundierten Theorie Kontinentaldrift Seafloor-Spreading 534 534 535 Das Mosaik der Platten Divergierende Plattengrenzen Konvergierende Plattengrenzen Transformstörungen Kombination von Plattengrenzen 536 537 538 539 539 Geschwindigkeit der Plattenbewegungen Das magnetische Streifenmuster des Meeresbodens Tiefseebohrungen Isochronen Geometrie der Plattenbewegungen Satellitenmessungen der Plattenbewegungen 541 541 543 544 546 547 Gesteinsparagenesen und Plattentektonik Gesteine an divergierenden Plattengrenzen Gesteine an konvergierenden Plattengrenzen Gesteine an Transformstörungen Dynamik der Kontinente 548 548 552 556 556 Mikroplatten (Terrane) und Plattentektonik 556 Die große Rekonstruktion Die Entstehung von Pangaea Das Auseinanderbrechen von Pangaea Konsequenzen der Rekonstruktion 558 558 559 559 Der Antriebsmechanismus der Plattentektonik 561 Kapitel 21 Deformation der kontinentalen Kruste 567 Einige regionale tektonische Erscheinungen 569 Der stabile Kern der Kontinente 569 Orogengürtel 572 Fallstudie 1: Die Appalachen Fallstudie 2: Die nordamerikanischen Kordilleren Orogengürtel und die Deformationsfähigkeit der Kontinente Küstenebene und Kontinentalschelf 575 575 580 580 XX Inhaltsverzeichnis Regionale Vertikalbewegungen 581 Bau und Entstehung Europas 583 Kapitel 22 Rohstoffe aus der Erde 595 Ressourcen und Reserven 596 Energie-Ressourcen Energieverbrauch Fossile Brennstoffe Erdöl und Erdgas Die Entstehung von Erdöl und Erdgas Die weltweite Verteilung von Erdöl und Erdgas Erdöl und Umwelt Erdöl, eine erschöpfbare Ressource Erdgas 596 596 597 598 598 600 600 601 602 Kohle Kohlevorräte Kohlenutzung und Umwelt Ölschiefer und Teersande Alternativen zu fossilen Brennstoffen Kernenergie aus Uran Sonnenenergie Geothermische Energie : , 603 603 604 606 606 607 610 611 \ Energiesicherung 612 Energiepolitik 613 Mineralische Rohstoffe Minerale als wirtschaftliche Ressourcen Mineralanreicherungen Angebot an Rohstoffen 614 614 614 615 Geologie der Lagerstätten Hydrothermale Lagerstätten Magmatische Lagerstätten Sedimentäre Lagerstätten 618 618 621 622 Erzlagerstätten und Plattentektonik Das Auffinden neuer Erzlagerstätten 624 626 Kapitel 23 Systeme, Stoffkreisläufe und der Einfluss des Menschen 635 Die Erde und ihre Stellung im Kosmos Die Erde und ihre Systeme Die internen und externen Systeme der Erde Biosphäre i , 636 636 636 637 Inhaltsverzeichnis XXI Geochemische Zyklen: Indikatoren der irdischen Systeme Der Calcium-Kreislauf Verweilzeit Der Kohlenstoff-Kreislauf Ein geochemisches Modell der Erde 641 643 645 648 649 Wechselwirkung der exogenen und endogenen Systeme: Sonnenstrahlung, Meteoriten, Manteldiapire, Klimaveränderungen und Massenaussterben Zusammenhang zwischen Tektonik und Klimaveränderungen Klimaschwankungen und Massenaussterben 650 650 651 Menschliche Tätigkeit und globale Umweltveränderungen Treibhausgase und globale Erwärmung FCKW und der Abbau der Ozonschicht Saurer Regen und globale Zerstörung Uneingeschränktes Bevölkerungswachstum Nachhaltige Entwicklung 656 656 660 660 663 665 Anhang Literaturverzeichnis 670 Die Erde in Zahlen 678 Glossar 679 Sachwortverzeichnis 707
