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Selbstorganisation
Jahrbuch für Komplexität in den Natur-, Sozial- und Geisteswissenschaften. Band 11 (2000). Nichtgleichgewichtsprozesse und dissipative Strukturen in den Geowissenschaften / Non-Equilibrium Processes and Dissipative Structures in Geoscience
Editors: Krug, Hans-Jürgen | Kruhl, Jörn H.
Selbstorganisation, Vol. 11
(2001)
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Abstract
In den zurückliegenden zwei Jahrzehnten sind Nichtgleichgewichtsprozesse und Dissipative Strukturen auch in den Geowissenschaften in den Blickpunkt des Interesses getreten. Dabei sind diese für eine solche Forschungsperspektive geradezu prädestiniert: denn die Lithosphäre war von Anfang an ein Schauplatz dauernder stofflicher und energetischer Transformationen und kann deshalb - wie die Biosphäre - mit einer außerordentlich reichen Vielfalt autonom gebildeter Strukturen aufwarten. Dies wurde bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts erahnt, als die ersten kolloidchemischen Ansätze zur Klärung von Strukturbildungsprozessen in der Geologie und Mineralogie aufkamen. Heute sind jene Ansätze mit dem hoch entwickelten Instrumentarium der modernen Selbstorganisationstheorien ausgebaut, mit dem auch eine Synthese der früher als gegensätzlich empfundenen mechanischen und diffusionschemischen Modellvorstellungen gelang. Dieser Band vereint Beiträge international renommierter Wissenschaftler zu den verschiedensten Facetten dieses Themas: Den Auftakt bildet die alte, noch immer ungelöste Frage der Achatgenese; der Bogen reicht weiter über das zonierte Kristallwachstum, die Kieselsteinmorphogenese, die fraktale Geometrie der Korngrenzen, die Faltung von Gesteinslagen bis zur selbstorganisierten Kritikalität seismischer Bewegungen und berührt damit eminent praktische Fragen.The interest in non-equilibrium processes and dissipative structures in geoscience was increasingly focused within the recent two decades. This perspective of self-organization corresponds to the matter of geoscience in a high degree: The lithosphere is a long-standing subject of material and energetical transformations, thus giving rise to a richness of autonomous and complex patterns we only aware at such a level in biosphere. First approaches of adopting physicochemical structure-forming processes (e.g. Liesegang rings) to geological and mineralogical patterns were developed in the beginning of the 20th ce
Table of Contents
| Section Title | Page | Action | Price |
|---|---|---|---|
| Inhaltsverzeichnis | 5 | ||
| Einführung | 7 | ||
| Aufsätze | 13 | ||
| Enrique Merino, Bloomington (Indiana)/Yifeng Wang, Carlsbad (New Mexico): Geochemical Self-Organization in Rocks: Occurrences, Observations, Modeling, Testing – With Emphasis on Agate Genesis | 13 | ||
| I. Introduction | 13 | ||
| II. Modeling Approaches | 18 | ||
| 1. Positive Feedbacks | 18 | ||
| 2. Modeling a Moving Reaction Front | 18 | ||
| 3. Boundary Layer | 20 | ||
| 4. Modeling Stress-Mediated Mineral Precipitation and Dissolution | 20 | ||
| 5. Linear Stability Analysis | 21 | ||
| III. Self-Organization in Agates | 22 | ||
| 1. Origin of Agates in Basalts | 23 | ||
| 2. New Theory of Agate Genesis: Summary | 24 | ||
| 3. Model Testing | 35 | ||
| 4. Geochemical Implications of Fibrous Textures | 37 | ||
| IV. Other Cases of Mineral Self-Organization at a Moving Reaction Front | 38 | ||
| 1. Igneous Orbicules | 38 | ||
| 2. Oscillatory Zoning of Trace or Major Elements in Single Crystals | 39 | ||
| 3. Dissolution Fingering | 39 | ||
| 4. Spatial Self-Organizational Patterns Produced in Weathering | 40 | ||
| V. Stress-Mediated Self-Organizational Reactions | 41 | ||
| 1. Stylolitization | 42 | ||
| 2. Growth-Driven Stress in Rocks: Consequences, Models | 43 | ||
| Ivan L’Heureux/Anthony D. Fowler, Ottawa: Oscillatory Zoning in Minerals: Mechanisms and Implications | 47 | ||
| I. Introduction | 47 | ||
| II. Observation and Analysis of Data | 49 | ||
| 1. Observation techniques | 49 | ||
| 2. Data analysis | 54 | ||
| III. Modeling of Specific Examples | 56 | ||
| 1. Plagioclase | 56 | ||
| 2. Calcite | 60 | ||
| 3. Garnet | 61 | ||
| 4. Sphalerite | 62 | ||
| 5. An experimental example: (Ba, Sr) SO4 | 63 | ||
| IV. Stochastic Models | 64 | ||
| V. Geological Implications | 66 | ||
| 1. Igneous environments | 66 | ||
| 2. Sedimentary environments | 69 | ||
| 3. Hydrothermal environments | 70 | ||
| 4. Metasomatism in metamorphic environments | 71 | ||
| VI. Conclusion | 71 | ||
| Michael Landmesser, Mainz: Selbstorganisation und Achatgenese: Wissenschaftsgeschichte, Problemfacetten und Resultate der neueren Forschung | 73 | ||
| I. Einleitung | 73 | ||
| II. Achat: einige Grundinformationen | 73 | ||
| III. Achatgenese: Zweifel an einem gängigen Erklärungsschema | 77 | ||
| IV. Liesegangs revolutionär neuer Ansatz | 82 | ||
| V. Der Kerngedanke der Liesegangschen Achattheorie | 87 | ||
| VI. „Selbstorganisation“ – zum Problem einer Definition | 90 | ||
| VII. Ergebnisse der neueren Achatpetrologie | 94 | ||
| VIII. Akkumulation durch Diffusion – eine Paradoxie? | 99 | ||
| IX. Arten und Reifung des festen SiO2 | 100 | ||
| X. SiO2 in Lösung | 105 | ||
| XI. Der Mechanismus der SiO2-Sammlung | 106 | ||
| XII. Der Prozeß in natürlichen Systemen | 109 | ||
| XIII. SiO2-Akkumulation als Selbstorganisation | 111 | ||
| XIV. Zur Genese rhythmischer Bänderungen beim Achat | 115 | ||
| XV. Frühstadien der Achatgenese | 119 | ||
| XVI. Subsysteme | 123 | ||
| XVII. Zur Selbstorganisation bei der Genese der gemeinen Bänderung | 125 | ||
| XVIII. Echte Liesegang-Bänder im Achat | 130 | ||
| XIX. Die Moosachat-Struktur und weitere potentielle Selbstorganisationsphänomene im Achat | 135 | ||
| XX. Thermodynamisches Resümee | 138 | ||
| Hartmut Linde/Gudrun Linde, Berlin/Manuel G. Velarde, Madrid: Morphogenese von Kiesel-Konkretionen mit komplexen Dissipativen Skulpturen | 141 | ||
| Zusammenfassung | 141 | ||
| I. Einführung | 143 | ||
| II. Eigenschaften der Kiesel-Konkretionen, des Kreidelagers und allgemeine Grundlagen | 144 | ||
| III. Widerlegung nicht zutreffender Deutungsversuche | 147 | ||
| IV. Die Bildung von Konkretionen und Sukzessionen von Kieselgelkörpern in einem Sediment mit Bingham-Verhalten | 149 | ||
| 1. Die Entstehung von Kieselgel-Akkumulaten in einem Kreidesediment durch Keimbildung der simultanen Akkumulation und Expansion | 151 | ||
| 2. Das rheologische Verhalten des Kreidesedimentes und die „Seitwärts Wandgeführte Expansion“ | 154 | ||
| 3. Die Bildung von Konkretionen und Sukzessionen | 160 | ||
| 4. Die interne Stoppdynamik des Wachstums kugelförmiger Akkumulat-Körper | 162 | ||
| 5. Konsequenzen der heterogenen Keimbildung, der Stoppdynamik, der SWE und der „Seitwärts Rinnengeführten Expansion“ (SRE) für die weitere Ausbildung der Feinskulpturen und deren Charakteristik | 166 | ||
| V. Ausblick und Folgerungen | 183 | ||
| Danksagung | 185 | ||
| Jörn H. Kruhl, München: Korngrenzen als fraktale Muster und dissipative Systeme | 187 | ||
| Zusammenfassung | 187 | ||
| I. Einleitung | 187 | ||
| II. Die Natur von Korngrenzen | 188 | ||
| III. Die fraktale Geometrie der Korngrenzen | 193 | ||
| IV. Korngrenzen der dynamischen Rekristallisation als dissipative Systeme | 201 | ||
| Danksagung | 207 | ||
| Cristian Suteanu/Dorel Zugravescu/Cristian Ioana, Bukarest: Dynamic Fingerprints of Dissipative Systems with Discrete Appearance: Applications in the Study of Seismicity | 209 | ||
| I. Dissipative systems and self-organisation: geodynamic relevance | 209 | ||
| II. Images of seismogenic areas: confusing heterogeneity | 210 | ||
| III. Towards a comprehensive view upon dynamic fingerprints | 213 | ||
| IV. Complex trajectories: constructing and “loosening” the knots | 214 | ||
| V. Manageable landscapes: projections and hyperdistances | 217 | ||
| VI. Applications | 220 | ||
| 1. Computed parameters | 221 | ||
| 2. Reliability evaluation | 221 | ||
| 3. Results | 223 | ||
| VII. Conclusions | 227 | ||
| Bruce E. Hobbs et al.: The Influence of Chemical Migration upon Fold Evolution in Multi-layered Materials | 229 | ||
| I. Introduction | 229 | ||
| 1. Purpose of this Paper | 230 | ||
| 2. Plan of this Paper | 232 | ||
| II. Mathematical Formulation | 233 | ||
| III. Linear Instability Analysis | 237 | ||
| IV. The Material Point Method | 241 | ||
| 1. Choice of the Numerical Scheme | 241 | ||
| 2. The Particle in Cell (PIC) Approach | 242 | ||
| V. Numerical Simulations | 243 | ||
| VI. Conclusions | 248 | ||
| Appendix | 219 | ||
| A1. Matrix representations of constitutive relations | 249 | ||
| A2. Variational definition of volume flux | 250 | ||
| A3. Linear instability analysis | 251 | ||
| Stephen A. Miller, Zürich: The Role of Fluids on Self-Organization and Criticality in the Earth’s Crust | 253 | ||
| Abstract | 253 | ||
| I. Introduction | 253 | ||
| II. A Model of Evolving Flow Networks | 255 | ||
| III. Earthquakes | 258 | ||
| IV. Subduction Zones, Dehydration and Melting | 261 | ||
| V. Landslides, Rockfalls, and Avalanches | 263 | ||
| VI. Closing Remark | 263 | ||
| Hans-Jürgen Krug, Berlin: Raphael Eduard Liesegang’s Beiträge zu autonomen Strukturbildungsprozessen in Geologie und Mineralogie | 265 | ||
| I. Einleitung | 265 | ||
| II. Strukturbildung auf der Basis von Diffusion und Kapillarität | 267 | ||
| 1. Die Liesegang-Ringe | 267 | ||
| 2. Die Ostwald-Reifung | 274 | ||
| 3. Rhythmische Kristallisation und Dendriten | 277 | ||
| 4. Die „chemische Fernwirkung“ | 279 | ||
| 5. Diffusion versus Kapillarität | 281 | ||
| III. Die Liesegang’schen Achattheorien | 284 | ||
| 1. Die Motivation | 284 | ||
| 2. Die epigenetische Theorie | 285 | ||
| 3. Der syngenetische Ansatz | 292 | ||
| 4. Erklärungsversuche für Uruguay-Achate | 295 | ||
| IV. Zonierte Kristallisation in Mineralen | 297 | ||
| V. Die Akkumulation von Konkretionen | 301 | ||
| VI. Schlußbemerkungen | 303 | ||
| Anhang: Lebensdaten von Raphael Ed. Liesegang | 305 | ||
| Edition | 309 | ||
| Giacomo Civitelli et al.: Einige Anmerkungen zur Genese der „Pietra Paesina“ (1970) | 309 | ||
| Editorische Vorbemerkungen | 309 | ||
| Danksagung | 314 | ||
| Giacomo Civitelli/Renato Funiciello/Salvatore Lombardi, Rom: Einige Anmerkungen zur Genese der „Pietra Paesina“ | 315 | ||
| Kennzeichnung der „Pietra Paesina“ | 315 | ||
| Lithologische und sedimentologische Charakterisierung | 316 | ||
| Chemische Charakterisierung | 324 | ||
| Zusammenfassung | 330 | ||
| Summary | 331 | ||
| Literaturverzeichnis | 332 | ||
| Hans-Jürgen Krug, Berlin: Schriftenverzeichnis von Raphael Eduard Liesegang (1869–1947) | 335 | ||
| Editorische Vorbemerkung | 335 | ||
| I. Buchpublikationen Liesegangs | 337 | ||
| II. Aufsätze in Zeitschriften, Handbüchern und Sammelbänden sowie Patente Liesegangs | 339 | ||
| 1888 | 339 | ||
| 1889 | 339 | ||
| 1890 | 339 | ||
| 1891 | 340 | ||
| 1892 | 341 | ||
| 1893 | 342 | ||
| 1894 | 343 | ||
| 1895 | 345 | ||
| 1896 | 347 | ||
| 1897 | 351 | ||
| 1898 | 353 | ||
| 1899 | 353 | ||
| 1900 | 354 | ||
| 1901 | 354 | ||
| 1903 | 354 | ||
| 1904 | 354 | ||
| 1906 | 354 | ||
| 1907 | 355 | ||
| 1908 | 355 | ||
| 1909 | 355 | ||
| 1910 | 355 | ||
| 1911 | 357 | ||
| 1912 | 357 | ||
| 1913 | 358 | ||
| 1914 | 358 | ||
| 1915 | 359 | ||
| 1916 | 360 | ||
| 1917 | 360 | ||
| 1918 | 361 | ||
| 1919 | 361 | ||
| 1920 | 362 | ||
| 1921 | 362 | ||
| 1922 | 362 | ||
| 1923 | 363 | ||
| 1924 | 364 | ||
| 1925 | 364 | ||
| 1926 | 365 | ||
| 1927 | 365 | ||
| 1928 | 365 | ||
| 1929 | 366 | ||
| 1930 | 367 | ||
| 1931 | 367 | ||
| 1932 | 368 | ||
| 1933 | 368 | ||
| 1934 | 368 | ||
| 1935 | 369 | ||
| 1936 | 369 | ||
| 1937 | 369 | ||
| 1938 | 369 | ||
| 1939 | 370 | ||
| 1940 | 370 | ||
| 1941 | 371 | ||
| 1942 | 371 | ||
| 1943 | 371 | ||
| 1944 | 372 | ||
| 1945 | 373 | ||
| 1946 | 373 | ||
| 1947 | 373 | ||
| 1950 | 373 | ||
| 1997 | 373 | ||
| III. Schöngeistige Schriften Liesegangs | 373 | ||
| Buchbesprechungen | 375 | ||
| Autorenverzeichnis | 379 |