Im geologischen Teil des Museums kann man die Gesteine und die Entwicklung der Erde der letzten 4,5 Mrd. Jahre vom Präkambrium bis heute bestaunen. Dazu sind repräsentative Stücke der jeweiligen Erdzeitalter ausgestellt, begleitet von paläogeographischen Karten der Plattentektonik und deren typischen Fossilien. Ein Modell der Erde gibt Einblick in den Aufbau unseres Planeten.
Neben dieser globalen Thematik sind geologische Besonderheiten der Region ausgestellt. So z.B. Gesteine und Fossilien der germanischen Trias und ein Modell des Rheingrabens.
Der paläontologische Teil des Museums widmet sich verschiedenen Fossilfunden entsprechender Epochen.
Auch die Evolution des Menschen ist ein wichtiger Bestandteil der Paläontologie, im Zusammenhang mit Archäologie, Anthropologie und Ur- und Frühgeschichte. Um den weltberühmten Fund des Unterkiefers des Homo heidelbergensis von Mauer wird die Mauerer Warmzeit anhand von Großfossilien, wie z. B. Elefant, Flusspferd, Löwe und Bär anschaulich dargestellt. Daneben wird ein Gesamtüberblick über die Evolution des Menschen gegeben.
Die Mineral- und Gesteinssammlung im mineralogischen Teil des Museums sind aus dem Fundus bedeutender Sammlungen zusammengestellt (Rosenbusch, Goldschmidt, Ramdohr, Leonhard und Springer). Neben einer Kollektion zur Systematik der Minerale bieten die Ausstellungen einen Einblick in die Viefältigkeit der modernen Mineralogie.
Die Entstehung des Sonnensystems vor ungefähr 4,55 Mrd. Jahren, der Aufbau der Erde, die Dynamik des Erdinneren und die Bildung der Minerale und Gesteine werden in gesonderten Themenbereichen präsentiert.
Die Vitrinen mit den Themen Röntgenfluoreszenzspektrometrie, Raster-Elektronenmikroskopie, Elektronenstrahl-Mikrosonde, Sekundärionen-Massenspektrometrie und Experimentelle Petrologie ermöglichen einen Überblick in die Methodik dieses Wissenschaftszweiges.
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