Einführung in die Geowissenschaften

Dr. Jörg Arndt studierte theoretische Physik an der Technischen Universität Berlin. Er war 16 Jahre im Bereich der Softwareentwicklung tätig und promovierte 2006-2009 in der Mathematik.

Vorwort zur 2. Auflage10

Vorwort zur 1. Auflage12

1 Einführung und Überblick13

1.1 Historisches16

1.2 Was ist ein Modell?19

1.3 Philosophisches22

2 Evolution des Sonnensystems und der Erde27

2.1 Gegenwärtige Struktur des Planeten und Satellitensystems 27

2.2 Anfangsstadien der kosmischen Evolution30

2.3 Entstehung der Sonne und des Planetensystems31

2.4 Entstehung und Entwicklung der Erde und des Mondes33

2.5 Meteorite und Kollisionsprozesse36

3 Zur Entwicklung der Erde (seit ca. 4,6 Mrd. Jahren) 42

3.1 Stratigraphie42

3.2 Besondere Ereignisse in der Erdgeschichte47

3.2.1 Zeitabschnitt vor ca. 4,6 Milliarden Jahre bis 545 Millionen Jahre47

3.2.2 Zeitabschnitt vor ca. 545 Millionen Jahren bis heute50

4 Mineralogie: Physik und Chemie der Geomaterialien57

4.1 Allgemeine Mineralogie58

4.1.1 Das äußere Erscheinungsbild der Kristalle58

4.1.2 Die Kristallstruktur63

4.1.3 Das Koordinatensystem des Raumgitters66

4.1.4 Anordnung der Bausteine in Kristallstrukturen71

4.2 Allgemeine und Spezielle Mineralogie74

4.2.1 Entstehung von Mineralen75

4.2.2 Gliederung der Minerale76

4.2.3 Elemente78

4.2.4 Oxide80

4.2.5 Silikate80

4.3 Petrologie86

4.3.1 Magmatische Petrologie86

4.3.2 Gesteinsserien87

4.3.3 Metamorphe Petrologie88

4.4 Geochemie90

4.4.1 Verteilung der Elemente90

4.4.2 Geochronologie93

4.4.3 Isotopenfraktionierung94

5 Geophysik97

5.1 Einleitung97

5.2 Gravimetrie100

5.2.1 Normalschwere101

5.2.2 Maßeinheiten der Gravimetrie und Geodäsie104

5.2.3 Messinstrumente der Gravimetrie108

5.2.4 Schweremessungen und Interpretation112

5.3 Magnetik120

5.3.1 Normalfeld121

5.3.2 Maßeinheiten der Magnetik125

5.3.3 Magnetisierung von Gesteinen und Mineralien126

5.3.4 Messinstrumente der Magnetik128

5.3.5 Feldmessungen und Interpretation130

5.4 Geothermik132

5.4.1 Allgemeines132

5.4.2 Temperatur133

5.4.3 Thermische Konvektion134

5.4.4 Wärmeleitung135

5.4.5 Wärmestromdichte136

5.5 Widerstandsverfahren (Geoelektrik)142

5.5.1 Allgemeines142

5.5.2 Physikalische Grundlagen144

5.5.3 Spezifische Widerstände/Leitfähigkeiten von Mineralien und Gesteinen145

5.5.4 Das Prinzip geoelektrischer Gleichstrom-Messungen und Bestimmung des spezifischen Widerstandes146

5.5.5 Bestimmung des spezifischen Widerstandes ρ147

5.5.6 Geschichteter Untergrund und scheinbarer spezifischer Widerstand149

5.5.7 Interpretation geoelektrischer Widerstandsmessungen150

5.5.8 Elektromagnetik (Wechselstromverfahren)153

5.5.9 Magnetotellurik155

5.6 Seismik157

5.6.1 Elastische Eigenschaften und Raumwellen158

5.6.2 Wellenfronten oder Wellenstrahlen?162

5.6.3 Reflexion und Brechung163

5.6.4 Reflexionsseismik165

5.6.5 Geophone167

5.6.6 Auswertung und Interpretation168

5.6.7 Refraktionsseismik172

5.7 Seismologie178

5.7.1 Erdbeben179

5.7.2 Räumliche Verteilung von Erdbeben180

5.7.3 Erdbebenentstehung (Seismotektonik)182

5.7.4 Erdbebenintensität und Magnitude183

5.7.5 Beziehungen zwischen der Magnitude eines Bebens und der freigesetzten Energie187

5.7.6 Auswertung der Beobachtungen an Erdbebenwellen188

6 Geoinformatik192

6.1 Einführung und Übersicht192

6.2 Ausgewählte numerische Konzepte195

6.2.1 Räumliche Interpolation195

6.2.2 Methode der kleinsten Quadrate197

6.2.3 Triangulation198

6.2.4 Trendflächenanalyse199

6.2.5 Entfernungen199

6.2.6 Digitale Geländemodelle200

6.3 Datenbanken202

6.3.1 Metadaten203

6.3.2 Digitale geowissenschaftliche Modellierung203

6.3.3 4D-Datenverwaltung205

6.4 Visualisierung206

6.5 Generalisierung und Vereinfachung in den Geowissenschaften209

7 Fernerkundung211

7.1 Allgemeines und historische Entwicklung211

7.2 Physikalischer Hintergrund213

7.3 Fernerkundungssysteme217

7.3.1 Flugzeuggestützte Kameras für Luftbildaufnahmen217

7.3.2 Optische und Infrarot-Fernerkundung217

7.3.3 Satellitengestütze Scanneraufnahmen218

7.3.4 Radarverfahren220

7.4 Digitale Bildverarbeitung und Anwendungen221

7.4.1 Bilddatenformate222

7.4.2 Bildverarbeitungstechniken223

8 Schalenaufbau der Erde229

8.1 Ableitung des Schalenaufbaus und Einteilung der Schalen229

8.2 Mineralogische Zusammensetzung der Erde und der einzelnen Schalen231

8.2.1 Die Erdkruste232

8.2.2 Der Erdmantel235

8.2.3 Der Erdkern237

8.2.4 Exkurs: Der Schalenaufbau der Erde aus Sicht der Geophysik241

9 Exogene geologische Prozesse245

9.1 Kreislauf des Wassers247

9.1.1 Grundwasser248

9.1.2 Quellen und Bohrungen251

9.2 Verwitterung, Bodenbildung, Erosion und Transport252

9.2.1 Verwitterung252

9.2.2 Bodenbildung260

9.2.3 Erosion und Transport263

9.3 Sedimentite und Sedimentgefüge270

9.3.1 Allgemeines270

9.3.2 Sedimente und Sedimentgesteine272

9.3.3 Sedimentgefüge285

9.4 Ablagerungsbereiche291

9.4.1 Gletscher und Eis292

9.4.2 Wind und Wüsten304

9.4.3 Karst313

9.4.4 Seen318

9.4.5 Flüsse322

9.4.6 Deltas331

9.4.7 Meer334

10 Endogene geologische Prozesse356

10.1 Magmatismus357

10.1.1 Vorkommen magmatischer Gesteine357

10.1.2 Bildung von Magmen360

10.1.3 Magmatische Differentiation363

10.1.4 Kristallisation von Magmen365

10.1.5 Transport und Platznahme von Magmen367

10.1.6 Eruption von Magmen371

10.1.7 Klassifikation magmatischer Gesteine376

10.2 Gesteinsmetamorphose381

10.2.1 Chemisches Gleichgewicht bei metamorphen Reaktionen381

10.2.2 Merkmale metamorpher Minerale und Gesteine382

10.2.3 Metamorphe Zonen, Fazies und Grade386

10.2.4 Metamorphosetypen388

10.3 Gesteinsdeformation393

10.3.1 Geometrie und Kinematik der Deformation394

10.3.2 Dynamik der Deformation398

10.3.3 Rheologie von geologischen Materialien401

10.3.4 Bruchhafte Deformation406

10.3.5 Scherzonen412

10.3.6 Falten415

10.3.7 Divergente tektonische Regime419

10.3.8 Konvergente tektonische Regime422

10.3.9 Seitenverschiebungsregime426

11 Geodynamik431

11.1 Energie im System Erde432

11.1.1 Energieformen433

11.1.2 Energiequellen434

11.2 Das Konzept der Plattentektonik436

11.2.1 Ältere Theorien437

11.2.2 Plattentektonik438

11.2.3 Paläomagnetismus442

11.2.4 Wachstum der Ozeanböden445

11.2.5 Konvergente Plattengrenzen447

11.2.6 Passive Kontinentalränder454

11.2.7 Intraplatten-Vulkanismus455

11.3 Bau der Kontinente und Ozeane456

11.3.1 Aufbau und Gliederung der Kontinente457

11.3.2 Geologische Charakteristika der Ozeane462

11.4 Ausblick465

12 Georisiken469

13 Anhang475

Quellennachweis484

Register489

Farbdarstellungen500