地質学は、地球やその他の天体、それらを構成する岩石、そしてそれらが時間とともに変化する過程を扱う自然科学の一分野です。 [1]この名称は、古代ギリシャ語のγῆ ( gê ) 「地球」とλoγία ( -logía ) 「学問、談話」に由来しています。[2] [3]現代の地質学は、水文学を含む他のすべての地球科学と大きく重複しており、地球システム科学や惑星科学と統合されています。    

地質学は、地球の表層および表層の下の構造と、その構造を形成したプロセスについて説明します。地質学者は、岩石の形成史を理解するために、岩石の鉱物組成を研究します。地質学は特定の場所で見つかった岩石の相対的な年代を決定します。地球化学（地質学の一分野）は、岩石の絶対的な年代を決定します。[4]さまざまな岩石学、結晶学、古生物学的ツールを組み合わせることで、地質学者は地球全体の地質史を記録することができます。その一面は、地球の年齢を証明することです。地質学は、プレートテクトニクス、生命の進化史、地球の過去の気候の証拠を提供します。

地質学者は、地球やその他の地球型惑星の特性とプロセスを幅広く研究します。地質学者は、フィールドワーク、岩石の記載、地球物理学的手法、化学分析、物理実験、数値モデリングなど、多様な手法を用いて地球の構造と進化を理解します。実用面では、地質学は鉱物や炭化水素の探査と開発、水資源の評価、自然災害の理解、環境問題の修復、過去の気候変動に関する洞察の提供において重要です。地質学は主要な学問分野であり、地質工学の中心であり、土質工学において重要な役割を果たしています。

地質学的材料

左上から時計回りに：ハワイの固まった溶岩流、サウスダコタ州バッドランズ国立公園の堆積層、ベネズエラ産の天然 金、米国アリゾナ州ペトリファイド・フォレスト国立公園の化石化した丸太、チベット産の石英、カナダ・ヌナブト準州の変成岩

地質学データの大部分は、地球の固体物質の研究から得られます。隕石やその他の地球外天然物質も地質学的な手法で研究されています。

鉱物

鉱物は、一定の均質な化学組成と規則的な原子配列を持つ、天然に存在する元素および化合物です。鉱物に似た非晶質物質は、鉱物質と呼ばれることもありますが、ジョージアイトやオーチュナイトなどの例外もあります。地質学的プロセスによって形成された非晶質物質の中には、メタミクタイト化が起こる前の物質が鉱物であった場合、鉱物とみなされるものもあります。[5]

それぞれの鉱物はそれぞれ異なる物理的特性を持ち、それらを判定するための試験は数多く存在します。鉱物はこれらの試験によって同定されることが多く、試料は以下の項目について検査されます。[6]

  • 色：鉱物は色によって分類されます。ほとんどの場合、色は診断に使用されますが、不純物によって色が変わることもあります。
  • 条痕：磁器の板にサンプルを削り、条痕の色から鉱物の識別を行います。
  • 硬度: 鉱物の引っかき傷やへこみに対する耐性。
  • 破損パターン: 鉱物は破砕または劈開のいずれかを示します。前者は凹凸のある表面の破損であり、後者は狭い間隔の平行面に沿った破損です。
  • 光沢：鉱物の表面から反射される光の質。例としては、金属光沢、真珠光沢、蝋光沢、鈍光沢などがあります。
  • 比重: 鉱物の特定の体積あたりの重さ。
  • 発泡性:鉱物に塩酸を滴下して発泡するかどうかを検査します。
  • 磁性: 磁石を使用して磁性をテストします。
  • 味: ミネラルには、岩塩（食卓塩のような味）などの独特の味があります。

ロック

岩石サイクルは、火成岩、堆積岩、変成岩 の関係を示します。

岩石とは、自然に発生する固体の塊、または鉱物もしくは鉱物質の集合体です。地質学における研究のほとんどは、地球の地質学的歴史の大部分に関する主要な記録を提供する岩石の研究に関連しています。岩石には、火成岩、堆積岩、変成岩の3つの主要な種類があります。岩石サイクルは 、これらの関係を示しています（図を参照）。[7]

岩石が溶融物（マグマまたは溶岩）から固化または結晶化すると、それは火成岩になります。[8]溶岩の活発な流れは火山学で詳しく研究されており、火成岩岩石学は、火成岩の最初の溶融源から最終的な結晶化までの履歴を明らかにすることを目的としています。[9]

岩石は風化や浸食を受け、再び堆積して岩​​石化し、堆積岩となる。堆積岩は主に砂岩、頁岩、炭酸塩岩、蒸発岩の4つに分類される。この分類群は、堆積粒子の大きさ（砂岩と頁岩）と鉱物学および形成過程（炭酸化と蒸発）に基づいている。[10]火成岩と堆積岩は、熱と圧力によって鉱物含有量が変化し、特徴的な組織を形成することで変成岩となる。3つのタイプはすべて再び溶融することがあり、その際に新たなマグマが形成され、そこから火成岩が再び固まることがある。石炭、ビチューメン、石油、天然ガスなどの有機物は、主に有機物を多く含む堆積岩に関連している。[11]

地質学者は、これら 3 種類の岩石すべてを研究するために、岩石を構成する鉱物や、組織や構造などのその他の物理的特性を評価します。

非石化物質

地質学者は、岩盤の上にある岩石化していない物質（表層堆積物と呼ばれる）を研究します。[12]この研究は、地質学的時間の中で最も新しい期間である地質史の第四紀にちなんで、第四紀地質学としてよく知られています。[13]

地球全体の構造

プレートテクトニクス

地球の主要な地殻プレート[14]

1960年代、地球のリソスフェア（地殻と上部マントルの最上部の硬い部分を含む）は、アセノスフェアと呼ばれる塑性変形する固体の上部マントルを移動するプレートに分かれていることが発見されました。この理論は、海底拡大[15] [16]や山岳地形と地震活動の世界的な分布[17]など、いくつかの観測結果によって裏付けられています。

地表におけるプレートの運動とマントルの対流（すなわち、延性マントル岩石の緩やかな運動によって引き起こされる熱伝達）の間には密接な相関関係がある。したがって、プレートの海洋部分とそれに隣接するマントル対流は常に同じ方向に移動する。これは、海洋リソスフェアが実際には対流するマントルの剛性の高い上部熱境界層であるためである。地球表面を移動する剛性プレートと対流するマントルとのこのような相関関係は、プレートテクトニクスと呼ばれる。[18]

プレートテクトニクスの発展は、固体地球に関する多くの観測に物理的な根拠を提供してきた。地質学的特徴の長い線状領域はプレート境界として説明される。[19]

海洋と大陸の収束によって生じる沈み込​​みと火山弧は、プレートテクトニクスの影響の 1 つを示しています。

プレートテクトニクスは、アルフレッド・ヴェーゲナーの大陸移動説[20]の根拠を提供した。この説では、大陸は地質学的時間とともに地球表面上を移動するとされている。また、地殻変動の原動力となり、構造地質学の観測に新たな場を提供した。プレートテクトニクス理論の強みは、これらの観測結果を統合し、対流するマントル上をリソスフェアがどのように移動するかという単一の理論を構築し、「地質学の大統一理論」を形成する点にある。[21] [22]

地球構造

地球の層構造。(1)内核、(2)外核、(3)下部マントル、(4)上部マントル、(5)リソスフェア、(6)地殻（リソスフェアの最上部）

地震学、コンピューターモデリング、高温高圧下での鉱物学や結晶学の進歩は、地球の内部構成と構造についての洞察を与えている。[23]

このような地震の典型的な波の進路は、初期の地震学者に地球の層構造についての洞察を与えました。

地震学者は地震波の到達時刻を利用して地球内部を画像化することができる。この分野における初期の進歩は、（せん断波が伝播できない）液体の外核と高密度の固体の内核の存在を示した。これらの進歩は、上部にリソスフェア（地殻を含む） 、下部にマントル（410キロメートルと660キロメートルの地震不連続面によって内部で分離されている）、さらにその下に外核と内核があるという地球の層状モデルの開発につながった。[ 24] [25] 1970年代以降、地震学者は地震波全波形インバージョンなどの新技術を用いて、医師がCTスキャンで人体を画像化するのと同じように、地球内部の波の速度の詳細な画像を作成できるようになった。これらの画像により、地球内部のより詳細な観察が可能になり、単純化された層状モデルはより動的なモデルに置き換えられた。[26] [24]

鉱物学者は、地震探査やモデリング研究から得られた圧力と温度のデータと、地球の元素組成に関する知識を組み合わせることで、実験環境においてこれらの条件を再現し、結晶構造の変化を測定することができました。[27]これらの研究は、マントルの主要な地震不連続面と関連する化学変化を説明し、 [28]地球の内核に予想される結晶構造を示しています。[29]

地質時代

地質学的時間スケールは地球の歴史を包含する。[30]最も古いものは、太陽系物質が初めて形成された45億6700万年前[31]（45億6700万年前）から、地質学的時間区分の一つである冥王代（ハデス）の始まりである45億4000万年前[32] [33] （45億4000万年前）まで である。スケールの後半は、現在（完新世）までである。[34]

地球のタイムスケール

以下の5つのタイムラインは、地質年代スケールを忠実に再現しています。最初のタイムラインは地球形成から現在までの全体を示していますが、直近の紀元（エオン）のスペースが限られています。2番目のタイムラインは、直近の紀元を拡大して示しています。同様に、3番目のタイムラインでは直近の紀元を拡大し、4番目のタイムラインでは直近の期間を拡大し、5番目のタイムラインでは直近の紀元を拡大しています。

SiderianRhyacianOrosirianStatherianCalymmianEctasianStenianTonianCryogenianEdiacaranCambrianOrdovicianDevonianCarboniferousPermianTriassicJurassicCretaceousPaleogeneEoarcheanPaleoarcheanMesoarcheanNeoarcheanPaleoproterozoicMesoproterozoicNeoproterozoicPaleozoicMesozoicCenozoicHadeanArcheanProterozoicPhanerozoicPrecambrian
CambrianOrdovicianSilurianDevonianCarboniferousPermianTriassicJurassicCretaceousPaleogeneNeogeneQuaternaryPaleozoicMesozoicCenozoicPhanerozoic
PaleoceneEoceneOligoceneMiocenePliocenePleistoceneHolocenePaleogeneNeogeneQuaternaryCenozoic
GelasianCalabrian (stage)ChibanianLate PleistocenePleistoceneHoloceneQuaternary

（上のタイムラインの横軸は数百万年、下のタイムラインの横軸は数千年です）

GreenlandianNorthgrippianMeghalayanHolocene

地球上の重要な節目

地質時計と呼ばれる図で表された地質学的時間。地球の歴史における永劫と時代の相対的な長さを示す。

月のタイムスケール

Early ImbrianLate ImbrianPre-NectarianNectarianEratosthenianCopernican period
現在から数百万年前

月の歴史における時代区分は、衝突イベントの年代記に基づいており、主要な衝突にちなんで名付けられています。例えば、インブリア時代は、マレ・インブリウム盆地の形成にちなんで名付けられています。初期の月には磁場が存在していましたが、時間の経過とともに弱まっていったため、古い月の盆地の年代は、その固有の磁場の強さに基づいて推定できます。クレーターの年代は、地形学的および地層学的分類によって推定でき、新しいクレーターは古い衝突と重なり、一般的に衝突による摩耗が少ないことが分かります。[39]

火星のタイムスケール

Pre-NoachianNoachianHesperianAmazonian (Mars)
火星時代（数百万年前）

エポック:

年代測定法

相対年代測定

横断関係は、岩石層やその他の地質構造の相対的な年代を決定するために用いられます。説明：A –逆断層によって切断された褶曲した岩石層。B – 大きな貫入岩（Aを切断）。C –侵食による角度不整合（AとBを切断）。その上に岩石層が堆積。D –火山岩脈（A、B、Cを切断）。E – さらに若い岩石層（CとDを覆っている）。F –正断層（A、B、C、Eを切断）。

相対年代測定法は、地質学が自然科学として初めて登場した際に開発されました。地質学者は今日でも、地質史や地質学的事象の発生時期に関する情報を提供するために、以下の原則を用いています。[40]

斉一説の原理は、現在地球の地殻を変化させている地質学的プロセスは、地質学的時間を通してほぼ同様に作用してきたというものです。[41] [42] 18世紀のスコットランドの医師であり地質学者であったジェームズ・ハットンが提唱した地質学の基本原理は、「現在が過去への鍵である」というものです。ハットンの言葉を借りれば、「地球の過去の歴史は、現在起こっていると見ることができるものによって説明されなければならない」ということです。[43]

貫入関係の原理は、横断貫入岩に関するものです。地質学では、火成岩の貫入が堆積岩の層を横切る場合、火成岩の貫入は堆積岩よりも新しいと判断できます。[44]貫入岩の種類には、ストック、ラコリス、バソリス、シル、岩脈などがあります。[45]

断層面の交差関係の原理は、断層の形成と、断層面が切断する断層の年代に関係する。断層は、それが切断する岩石よりも若い。したがって、断層が一部の地層を貫通しているが、その上の地層を貫通していない場合、切断された地層は断層よりも古く、切断されていない地層は断層よりも新しいはずである。[42]このような状況で鍵となる層を見つけることは、断層が正断層か逆断層かを判断するのに役立つ可能性がある。[46]

包有物と成分の原理によれば、堆積岩において、包有物（またはクラスト）が地層中に見つかった場合、その包有物はそれを含む地層よりも古いものとされます。[42]例えば、堆積岩では、古い地層の砂利が剥がされて新しい層に取り込まれることがよくあります。火成岩でも、ゼノリスが見つかった場合に同様の状況が起こります。これらの異物はマグマや溶岩流として取り込まれ、取り込まれ、後にマトリックス内で冷却されます。その結果、ゼノリスはそれを含む岩石よりも古いものとなります。[47]

ユタ州南東部のコロラド高原地域におけるペルム紀からジュラ紀にかけての地層は、原始的な水平性と重なりの法則の両方を示す好例です。これらの地層は、キャピトルリーフ国立公園やキャニオンランズ国立公園など、広範囲に広がる保護区に点在する有名な岩石群の多くを構成しています。上から下へ：丸みを帯びた黄褐色のドーム状のナバホ砂岩、層状の赤色のカイエンタ層、崖を形成し垂直に節理のある赤色のウィンゲート砂岩、斜面を形成する紫がかったチンル層、層状の明るい赤色のモエンコピ層、そして白色の層状のカトラー層砂岩。写真はユタ州グレンキャニオン国立保養地より。

原初水平性の原理は、堆積物の堆積は本質的に水平な層として起こることを述べています。[42]現代の海洋堆積物と非海洋堆積物の様々な環境における観察は、この一般化を支持しています（交差層理は傾斜していますが、交差層理の全体的な方向は水平です）。[46]

重なりの原理とは、地殻変動によって撹乱されていない堆積岩層は、その下にある層よりも新しく、上にある層よりも古いというものです。論理的に、新しい層が以前に堆積した層の下に潜り込むことはできません。[42]この原理により、堆積層は鉛直方向のタイムライン、つまり最下層の堆積から最上層の堆積までの経過時間の部分的または完全な記録として捉えることができます。[46]

動物相遷移の原理は、堆積岩中の化石の出現に基づいています。生物は世界中で同時期に生息しているため、その存在、あるいは（時には）不在は、それらが出現する地層の相対的な年代を示します。[42]チャールズ・ダーウィンの進化論が発表される約100年前にウィリアム・スミスが提唱した原理に基づき、遷移の原理は進化論とは独立して発展しました。しかし、化石化の不確実性、生息地の横方向の変化（堆積層の層相変化）による化石の種類の局所性、そしてすべての化石が世界中で同時に形成されたわけではないことを考えると、この原理は非常に複雑になります。[48]

絶対年代測定

鉱物ジルコンは 放射年代測定によく使用されます。[49]

地質学者は、岩石サンプルや地質学的事象の絶対年代を決定するための方法を用いる。これらの方法は、相対年代測定法と組み合わせて用いられる場合もあれば、相対年代測定法を較正するために用いられる場合もある。[50]

20世紀初頭、放射性同位体などの方法を用いて地質学的事象の正確な絶対年代を測定できるようになり、地質科学の進歩が促進されました。これにより、地質年代に対する理解が大きく変化しました。それ以前は、地質学者は化石と地層の相関関係に基づいて、岩石の各部分を相対的に年代測定するしかありませんでした。同位体年代測定によって、岩石単位に絶対年代を割り当てることが可能になり、これらの絶対年代を年代測定可能な物質を含む化石層に適用することで、以前の相対年代を新たな絶対年代に変換できるようになりました。[51]

多くの地質学的応用において、鉱物中の放射性元素の同位体比は、岩石が特定の閉鎖温度（異なる放射性同位体が結晶格子内外への拡散を停止する温度）を通過してから経過した時間を示すものとして測定されます。[52] [53]これらは地質年代学および熱年代学の研究に用いられます。この目的に最も適した同位体系としては、ウラン-鉛、ルビジウム-ストロンチウム、カリウム-アルゴンが挙げられます。[54]ウラン-トリウム年代測定は、炭酸カルシウムの年代測定に用いられます。[55]

地層中に見られる溶岩層や火山灰層の年代測定は、放射性同位元素を含まない堆積岩ユニットの絶対年代データを提供し、相対年代測定法の較正に役立てることができる。 [56]これらの方法は、プルトンの定置年代を決定するために使用することができる。ランタノイド系列元素の分別は、岩石がマントルから除去されてからの年代を計算するために使用される。[57]より最近の出来事には、他の方法も使用される。光刺激ルミネッセンス法と宇宙線生成放射性核種年代測定は、地表や浸食速度の年代測定に用いられる。[58] [59] 年輪年代学は、景観の年代測定に使用することができる。[60] 放射性炭素年代測定は、有機炭素を含む地質学的に若い物質に用いられる。[54]

熱化学技術は、地殻内の温度プロファイル、山脈の隆起、古地形を決定するために使用できます。[関連性あり? ]

地域の地質学的発達

もともと水平に連なる堆積岩（黄褐色）は、火成活動の影響を受けています。地表の深部にはマグマだまりとそれに伴う大きな火成岩が存在します。マグマだまりは火山にマグマを供給し、マグマの支流を送り出します。支流は後に岩脈や岩床へと結晶化します。マグマは上方へと移動し、貫入火成岩を形成します。この図は、火山灰を噴出するシンダーコーン火山と、溶岩と火山灰の両方を噴出する複合火山​​の両方を示しています。
3種類の断層を示した図。A
. 横ずれ断層は、岩石単位が互いに滑り合うときに発生します。B
. 正断層は、岩石が水平方向に伸びるときに発生します。C
. 逆断層（または逆断層）は、岩石が水平方向に縮むときに発生します。
カリフォルニア州のサンアンドレアス断層は横ずれ断層である。

岩石単位が堆積して挿入されるにつれて、ある地域の地質は時間の経過とともに変化し、変形プロセスによってその形状と位置が変わります。

岩石単位は、地表への堆積、または上部の岩石への貫入によって初めて形成される。堆積は、堆積物が地表に沈み込み、後に堆積岩へと石化することによって起こる場合もあれば、 [61] 、火山灰[62]や溶岩流などの火山性物質が地表を覆うことによって起こる場合もある。バソリス、ラコリス、岩脈、岩床などの火成岩貫入岩は、上部の岩石に押し上げられ、貫入する際に結晶化する。[45]

最初の岩石層が堆積した後、岩石単位は変形および／または変成を受ける可能性がある。変形は典型的には、水平方向の短縮、水平方向の伸長、または横ずれ（横ずれ）運動の結果として生じる。これらの構造様式は、テクトニックプレート間の収束境界、発散境界、および変成境界にそれぞれ広く関連している。[63] : 7–9 

岩石単位は水平方向の圧縮を受けると、短くなり、厚くなります。泥以外の岩石単位は体積が大きく変化しないため、これは主に断層運動と褶曲運動という2つの方法で起こります。脆性変形が起こりやすい浅い地殻では逆断層が形成され、深部の岩石が浅部の岩石の上に移動します。[64]重ね合わせの原理でわかるように、深部の岩石は古いことが多いため、古い岩石が新しい岩石の上に移動します。[65]断層に沿った動きは褶曲運動を引き起こすことがありますが、これは断層が平面でないか、岩石層が引きずられて断層に沿って滑りが生じ、引きずり褶曲を形成するためです。[63] : 57–58 

地球深部では、岩石は断層ではなく塑性褶曲を起こします。これらの褶曲は、褶曲の中心にある物質が上向きに座屈して「反褶曲」を形成する場合と、下向きに座屈して「同褶曲」を形成する場合があります。褶曲内の岩石ユニットの頂部が上向きのままである場合、それぞれ背斜と向斜と呼ばれます。褶曲内の一部のユニットが下向きになっている場合、その構造は反転背斜または向斜と呼ばれます。すべての岩石ユニットが反転している場合、または正しい上向きの方向が不明な場合は、最も一般的な用語である反斜と向斜と呼ばれます。[66]

褶曲の図。背斜と向斜を示す。

水平方向の短縮に伴うさらに高い圧力と温度は、岩石の褶曲と変成作用の両方を引き起こす可能性があります。この変成作用は岩石の鉱物組成の変化を引き起こし、応力下での鉱物の成長に関連する葉理構造、つまり平面構造を形成します。これにより、堆積岩の層理、溶岩の流動特性、結晶質岩の結晶パターンなど、岩石本来の組織を示す痕跡が失われる可能性があります。[67]

伸張により、岩石ユニット全体がより長く、より薄くなります。これは主に、正断層運動と延性伸張および薄化によって発生します。正断層は、高い岩石ユニットを低い岩石ユニットの下に落とします。その結果、通常、新しい岩石ユニットが古い岩石ユニットの下に落ちてしまいます。岩石ユニットの伸張により、薄化が発生する可能性があります。[68]実際、マリア褶曲および衝上断層帯のある場所では、グランドキャニオンの堆積層全体が1メートル未満の長さに現れています。[要出典]延性伸張される深さにある岩石は、しばしば変成作用を受けます。これらの伸張された岩石は、見た目が似ていることからフランス語で「ソーセージ」を意味する ブーダンと呼ばれるレンズ状に挟まれることがあります。

岩石単位が互いに滑り合う場所では、浅い領域に横ずれ断層が発生し、岩石が延性変形する深い深さでは 剪断帯になります。

キタティーニー山の地質断面図。この断面図は、変成岩の上に、変成作用後に堆積した新しい堆積物が重なっている様子を示しています。これらの岩石ユニットは、後に山の隆起によって褶曲され、断層を形成しました。

堆積作用と貫入作用の両方による新たな岩石ユニットの追加は、変形中にしばしば発生します。断層運動やその他の変形作用によって地形勾配が形成され、標高が上昇する岩石ユニット上の物質は、丘陵斜面や溝によって侵食されます。これらの堆積物は、標高が下降する岩石ユニット上に堆積します。断層に沿った継続的な運動は、堆積物の移動にもかかわらず地形勾配を維持し、物質が堆積するための 空間を作り続けます。

変形を伴うイベントは、しばしば火山活動や火成岩活動と関連している。[69]火山灰や溶岩が地表に堆積し、火成岩の貫入が下から起こる。長く平面状の火成岩である岩脈は亀裂に沿って入り込むため、活発に変形が起こっている地域では多数形成されることが多い。その結果、カナダ楯状地で見られるような岩脈群[70 ]や、火山の溶岩洞の周囲に見られる岩脈の輪が形成されることがある。

これらのプロセスはすべて、必ずしも単一の環境で発生するわけではなく、また、必ずしも単一の順序で発生するわけでもありません。たとえば、ハワイ諸島は、ほぼ全体が層状の玄武岩質溶岩流で構成されています。米国大陸中部の堆積層と米国南西部のグランドキャニオンには、カンブリア紀からその場に残っている、ほとんど変形していない堆積岩の山が含まれています。その他の地域は地質学的にはるかに複雑です。米国南西部では、堆積岩、火山岩、貫入岩が変成、断層、葉状構造、褶曲を受けています。世界最古の岩石として知られるカナダ北西部のスレーブクラトンのアカスタ片麻岩などのさらに古い岩石でさえ、実験室での分析なしでは起源を判別できないほど変成を受けています。

これらのプロセスは段階的に進行します。多くの場所では、特にアメリカ南西部のグランドキャニオンが顕著な例ですが、下層の岩石ユニットが変成・変形し、その後変形が終了し、変形していない上層のユニットが堆積しました。岩石の配置や変形は、ある程度の規模で発生し、また何度でも発生する可能性がありますが、これらの概念は、ある地域の地質学的歴史を理解するための指針となります。

調査方法

地質学者が地図作成や測量によく使用する標準的なブラントンポケットトランジット

地質学者は、地球の歴史を解明し、地球上および地球内部で起こるプロセスを理解するために、様々なフィールド、実験室、数値モデリング手法を活用します。典型的な地質学的調査において、地質学者は岩石学（岩石の研究）、地層学（堆積層の研究）、構造地質学（岩石単位の位置とその変形の研究）に関連する一次情報を活用します。多くの場合、地質学者は現代の土壌、河川、景観、氷河を研究し、過去および現在の生命と生物地球化学的経路を調査し、地球物理学的手法を用いて地下を調査します。地質学の専門分野によっては、内因性地質学と外因性地質学を区別する場合があります。[72]

フィールドメソッド

1950年代の典型的なUSGSフィールドマッピングキャンプ
今日では、GPSと地理情報システムソフトウェアを搭載したハンドヘルド コンピュータが、地質学の現場作業 (デジタル地質図作成) でよく使用されています。

地質学のフィールドワークは、担当する課題によって異なります。典型的なフィールドワークは以下のとおりです。

光学鉱物学では、岩石を研究するために薄片が用いられます。この方法は、異なる鉱物の屈折率の違いに基づいています。

岩石学

現場で岩石を同定する (岩相学)ことに加え、岩石学者は研究室で岩石サンプルを同定します。研究室で岩石を同定する主な方法の 2 つは、光学顕微鏡(岩石顕微鏡[79]など) と電子マイクロプローブの使用です。[80]光学鉱物学分析では、岩石学者は岩石顕微鏡を使用して岩石サンプルの薄片を分析します。このとき、鉱物は平面偏光と交差偏光での異なる特性 (複屈折、多色性、双晶形成、コノスコープレンズによる干渉特性など) を通じて同定できます。[81]電子マイクロプローブでは、個々の場所を分析して、正確な化学組成と個々の結晶内の組成の変化を調べます。[82]安定[83]および放射性同位体[84]研究は、岩石単位の地球化学的進化についての洞察を提供します。

岩石学者は、流体包有物データ[85]を活用し、高温高圧物理実験[86]を実施することで、様々な鉱物相が出現する温度と圧力、そしてそれらが火成岩[87]と変成岩のプロセスを通じてどのように変化するかを理解することができます。この研究は、変成岩プロセスや火成岩の結晶化条件を理解するために、現場に外挿することができます。[88]この研究は、沈み込みやマグマ溜まりの進化など、地球内部で起こるプロセスを説明するのに役立ちます。[89]

褶曲した岩石層

構造地質学

造山帯のくさび形の図。くさび形は、デコルマンと呼ばれる基底断層に沿って、内部の断層運動によって成長します。くさび形は臨界テーパーを形成し、くさび形内部の角度は、デコルマンに沿った物質収支の崩壊と同じ角度を保ちます。これは、ブルドーザーが土砂を押し上げる様子に似ています。ブルドーザーは、その上にあるプレートです。

構造地質学者は、地質学的試料の配向された薄片を顕微鏡で分析することで岩石内部の構造を観察し、岩石の結晶構造内の歪みに関する情報を得ます。 [90]彼らは地質構造の測定値をプロットし、組み合わせることで、断層や褶曲の方向をより深く理解し、その地域における岩石の変形の歴史を再構築します。さらに、大規模および小規模な環境において、岩石の変形に関するアナログ実験および数値実験を実施します。

構造の解析は、多くの場合、様々な地物の方向をステレオネット上にプロットすることによって行われます。ステレオネットとは、球面を平面に立体的に投影したもので、平面は線として、線は点として投影されます。ステレオネットは、褶曲軸の位置、断層間の関係、および他の地質構造間の関係を見つけるために使用できます。[91]

構造地質学で最もよく知られている実験の一つに、造山帯（プレート境界に沿って山脈が形成される地帯）に関する実験がある。 [92]これらの実験のアナログ版では、水平方向の砂層が下面に沿ってバックストップに引き込まれ、その結果、リアルな断層パターンと、臨界的に先細りした（すべての角度が同じままの）造山帯の成長が生じる。[93]数値モデルはこれらのアナログモデルと同じように機能するが、より洗練されており、山脈の侵食と隆起のパターンを含めることができる。[94]これは、侵食と山脈の形状の関係を示すのに役立つ。これらの研究は、圧力、温度、空間、時間を通じた変成作用の経路に関する有用な情報を提供することができる。[95]

地層学

中国張掖国家地質公園の傾斜した堆積岩層に含まれる異なる鉱物によって生じるさまざまな色

研究室では、地層学者は掘削コアなどの現場から持ち帰ることができる地層セクションのサンプルを分析します。[96]地層学者は、地下の地層単位の位置を示す地球物理学的調査のデータも分析します。[97]地球物理学的データと坑井ログを組み合わせることで、地下のより詳細な情報を得ることができます。地層学者は、多くの場合、コンピュータプログラムを使用してこれを3次元で行います。[98]地層学者はこれらのデータを使用して、地球の表面で起こっている古代のプロセスを再構築し、[99]過去の環境を解釈し、水、石炭、炭化水素の抽出場所を特定できます。

研究室では、生層序学者が露頭や掘削コアから採取した岩石サンプルを分析し、その中に含まれる化石を探します。[96]これらの化石は、科学者がコアの年代を特定し、岩石ユニットが形成された堆積環境を理解するのに役立ちます。地質年代学者は、地層断面内の岩石の正確な年代を特定することで、堆積の時期と速度に関するより正確な絶対的な境界を提供します。[100] 地磁気層序学者は、掘削コア内の火成岩ユニットにおける磁気反転の兆候を探します。[96]他の科学者は、過去の気候に関する情報を得るために、岩石の安定同位体分析を行います。[96]

惑星地質学

1977年12月9日、バイキング2号着陸船が撮影した火星の表面

20世紀における宇宙探査の到来とともに、地質学者は地球を研究するために開発されたのと同じ方法で、他の惑星の天体にも注目し始めました。この新しい研究分野は惑星地質学（宇宙地質学とも呼ばれる）と呼ばれ、既知の地質学的原理に基づいて太陽系の他の天体を研究します。これは惑星科学の主要な側面であり、主に地球型惑星、氷衛星、小惑星、彗星、隕石に焦点を当てています。しかし、一部の惑星地球物理学者は巨大惑星や太陽系外惑星を研究しています。[101]

ギリシャ語由来の接頭辞「 geo」は地球を指しますが、「geology」は他の惑星の名称と組み合わせて、その構成や内部構造を説明する際によく用いられます。例えば、「火星の地質学」や「月の地質学」などが挙げられます。また、月の研究に関する専門用語として、月学（selenology ）、火星の研究に関するアレオロジー（areology）、水星の研究に関するヘルメソロジー（hermesology）なども用いられます。[102]

惑星地質学者は他の惑星のあらゆる側面を研究することに関心を持っていますが、特に重要な焦点は、他の惑星における過去または現在の生命の証拠の探索です。このため、惑星における生命の証拠の調査を主目的または副次目的とした多くのミッションが実施されてきました。[103]その一つがフェニックス着陸船で、火星の極地の土壌から生物学的プロセスに関連する水分、化学物質、鉱物成分を分析しました。[104]

応用地質学

モーケルムネで金を採る男性。ハーパーズ・ウィークリー誌：カリフォルニアで金が採れるようになった経緯。1860年

経済地質学

経済地質学は、人類が様々なニーズを満たすために利用する経済鉱物の側面を扱う地質学の一分野です。経済鉱物とは、様々な実用的用途のために採掘され、利益を生む鉱物のことです。経済地質学者は、石油や石炭などの地球の天然資源、そして鉄、銅、ウランなどの金属を含む鉱物資源の所在を特定し、管理する上で貢献します。[105]

鉱山地質学

鉱業地質学は、地球から鉱物資源や鉱石を採掘する学問です。経済的に価値のある資源には、宝石[106] 、金や銅などの金属[107] 、アスベスト、マグネサイト、パーライト、雲母、リン酸塩、ゼオライト、粘土[108]、シリカ[109]、軽石[110]などの多くの工業用鉱物、そして硫黄[111]やヘリウム[112]などの元素が含まれます。

石油地質学

油井掘削時に岩相を調べる一般的な方法である泥ログインプロセス

石油地質学者は、抽出可能な炭化水素、特に石油と天然ガスを含む可能性のある地球の地下の場所を研究します。[113]これらの貯留層の多くは堆積盆地で発見されているため、[114]彼らはこれらの盆地の形成、堆積および地殻変動の進化、そして現在の岩石単位の位置を研究します。

工学地質学

土木地質学は、土木工事の場所、設計、建設、運用、保守に影響を与える地質学的要因が適切に考慮されることを保証するために、地質学的原理を工学の実践に応用する学問です。[115]特に北米では、 土木地質学は地質工学とは異なります。

ケニアの水文地質学的人道支援プロジェクトの一環として建設された井戸から水を飲む子ども。

土木工学の分野では、地質学的原理と分析を用いて、構造物の材料の力学的原理を解明します。これにより、トンネルを崩落させることなく建設したり、橋や高層ビルを強固な基礎で建設したり、粘土や泥に沈まない建物を建設したりすることが可能になります。[116]

水文学

地質学と地質学的原理は、河川の再生、ブラウンフィールドの再生、自然生息地と地質環境の相互作用の理解など、様々な環境問題に応用できます。地下水水文学、あるいは水文地質学は、地下水の位置を特定するために用いられます。[117]地下水は、汚染されていない水をすぐに供​​給できるため、特に乾燥地域では重要です。 [118]また、地下水井戸における汚染物質の拡散を監視するためにも用いられます。[117] [119]

古気候学

地質学者は、地層学、ボーリング、コアサンプル、氷床コアを通してデータを取得します。氷床コア[120]と堆積物コア[121]は古気候の再構築に用いられ、地質学者は地球全体の過去と現在の気温、降水量、海面レベルを知ることができます。これらのデータセットは、機器データ以外では、地球規模の気候変動に関する主要な情報源となっています。 [122]

自然災害

グランドキャニオンの落石

地質学者と地球物理学者は、財産や生命の損失を防ぐために使用される安全な建築基準や警報システムを制定するために、自然災害を研究します。 [123]地質学に関連する重要な自然災害の例（主に気象学に関連する、または気象学にのみ関連するものとは異なります）は次のとおりです。[124]

歴史

ウィリアム・スミスによるイングランド、ウェールズ、およびスコットランド南部の地質図。1815年に完成し、2番目に大規模な国定地質図であり、当時としては最も正確な地質図であった。[125] [検証失敗]

地球の物理的物質の研究は、少なくとも古代ギリシャ、テオプラストス（紀元前372-287年）が『ペリ・リトン』（石について）を著した頃に遡ります。ローマ時代には、大プリニウスが当時実用化されていた多くの鉱物や金属について詳細に記し、琥珀の起源についても正確に記しています。さらに、紀元前4世紀にはアリストテレスが地質学的変化の緩やかな速度について批判的な観察を行いました。彼は陸地の組成を観察し、地球の変化は緩やかな速度であり、その変化は人間の生涯では観察できないという理論を定式化しました。アリストテレスは、地球が物理的に変化する速度に関して、地質学の領域に関連する最初の証拠に基づく概念の一つを発展させました。[126] [127]

アブー・アル・ライハン・アル・ビールーニー（973-1048年）は、最初期のペルシャの地質学者の一人で、その著作にはインドの地質学に関する最古の著作が含まれており、インド亜大陸はかつて海であったという仮説を立てている。[128]イスラム教徒の征服によって破壊されなかったギリシャとインドの科学文献を参考にして、ペルシャの学者イブン・シーナー（アヴィセンナ、981-1037年）は、山の形成、地震の起源など、現代地質学の中心となるその他のトピックについて詳細な説明を提唱し、その後の科学の発展に不可欠な基礎を提供した。[129] [130]中国では、博学者の 沈括（1031-1095）が土地形成の過程について仮説を立てた。海から数百マイル離れた山の地層にある動物の化石の殻を観察し、山の浸食とシルトの堆積によって土地が形成されたと推論した。[131]

ゲオルギウス・アグリコラ（1494-1555）は1546年に画期的な著作『化石の自然について』を出版し、科学分野としての地質学の創始者と見なされている。[132]

ニコラウス・ステノ（1638-1686）は、層序学の3つの定義的原理である、重ね合わせの法則、元の水平性の原理、および横方向の連続性の原理を発見したとされています。[133]

地質学という語は、1603年にウリッセ・アルドロヴァンディによって初めて使用され、 [134] [135] 、その後1778年にジャン＝アンドレ・ドゥリュックによって[136] 、 1779年にオラト＝ベネディクト・ド・ソシュールによって固定語として導入されました。[137] [138]この語は、ギリシャ語の「地球」を意味するγῆ（gê）と「言語」を意味するλόγος（logos ）に由来しています。[139]しかし、別の資料によると、「地質学」という語は、司祭であり学者でもあったノルウェー人のミッケル・ペダーソン・エショルト（1600–1669）に由来しています。エショルトは、著書『Geologia Norvegica』（1657年）の中で初めてこの定義を使用しました。[140] [141]

ウィリアム・スミス（1769-1839）は、最初の地質図のいくつかを描き、そこに含まれる化石を調べることで岩石の地層を整理するプロセスを始めました。 [125]

1763年、ミハイル・ロモノーソフは『地球の地層について』を出版した。[142]彼の著作は、時間におけるプロセスの統一性と現在からの地球の過去の説明に基づいた、近代地質学における最初の物語であった。[143]

ジェームズ・ハットン（1726–1797）は、しばしば最初の近代地質学者とみなされている。[144] 1785年、彼はエディンバラ王立協会に「地球の理論」と題する論文を提出した。この論文の中で彼は、山々が浸食され、堆積物が海底で新たな岩石を形成し、それが隆起して陸地となるには、地球はこれまで考えられていたよりもはるかに古いはずだという自身の理論を説明した。ハットンは1795年にこの考えをまとめた2巻本を出版した。[145]

ハットンの信奉者たちは、一部の岩石が火山活動（溶岩の堆積）によって形成されたと信じていたため、深成岩論者として知られていました。一方、エイブラハム・ワーナー率いる海王星論者は、すべての岩石は時間の経過とともに徐々に水位が低下した大きな海から沈殿したと信じていました。[146]

アメリカ合衆国の最初の地質図は、1809年にウィリアム・マクルーアによって作成された。[147] 1807年、マクルーアは自らに課したアメリカ合衆国の地質調査を開始した。彼は合衆国のほぼすべての州を横断して地図を作成し、アレゲニー山脈は約50回横断した。[148]彼の独力での作業の結果は、地質図を説明した『米国の地質学に関する観察』と題する回顧録にまとめられ、アメリカ哲学協会に提出され、アメリカ初の地質図とともに協会の会報に掲載された。 [149]これは、異なる分類の岩石を使用して作成されたが、ウィリアム・スミスのイングランドの地質図より6年古い。

サー・チャールズ・ライエル（1797–1875）は、1830年に有名な著書『地質学原理』[150]を出版しました。チャールズ・ダーウィンの思想に影響を与えたこの本は、斉一説の学説を効果的に推進しました。この説は、地球の歴史を通してゆっくりとした地質学的プロセスが起こり、現在もなお続いているというものです。一方、カタストロフィズム（地球の地形は単一の破滅的な出来事によって形成され、その後は変化しない）説は、斉一説を唱えたハットンが支持していましたが、当時はこの考えは広く受け入れられていませんでした。

19世紀の地質学は、地球の正確な年齢という問題を中心に展開しました。推定値は数十万年から数十億年と幅がありました。[151] 20世紀初頭には、放射年代測定によって地球の年齢は20億年と推定されました。この膨大な時間の長さが認識されたことで、地球の形成過程に関する新たな理論が生まれました。

20世紀の地質学における最も重要な進歩の一つは、1960年代のプレートテクトニクス理論の発展と、地球年齢の推定値の精緻化です。プレートテクトニクス理論は、海底拡大と大陸移動という2つの異なる地質学的観察から生まれました。この理論は地球科学に革命をもたらしました。今日、地球の年齢は約45億年であることが分かっています。[33]

参照

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  136. ^ Deluc、Jean André de、Lettres physiques et Mores sur les montagnes et sur l'histoire de la terre et de l'homme. … [山と地球と人類の歴史に関する身体的および道徳的な文字。 …』、vol. 1 (パリ、フランス: V. Duchesne、1779)、4、5、7 ページ。 4: 2018 年 11 月 22 日にウェイバック マシンにアーカイブ "Entrainé par les liaisons de cet objet avec la Géologie, j'entrepris dans un Second voyage de les développer à SA MAJESTÉ; … " (このテーマと地質学のつながりに突き動かされて、私は女王陛下のためにそれらを開発するために 2 回目の航海に着手しました[つまり、シャーロット・オブ・メクレンブルク＝シュトレーリッツ、グレートブリテンおよびアイルランド女王] … ) p. 5: 2018 年 11 月 22 日にウェイバック マシンにアーカイブされました 。「Je vis que je faisise un Traité, et non une equisse de Géologie 」。 （私が書いたのは地質学のスケッチではなく、論文だったことがわかります。）p. の脚注より。 7: 2018-11-22 にWayback Machineにアーカイブ されました "Je répète ici, ce que j'avois dit dans ma première Préface , sur la substitution de mot Cosmologie à celui de Géologie , quoiqu'il ne s'agisse pas de l'Univers, mais seulement de la Terre : … ( 私は、最初の序文で「地質学」という言葉を「宇宙論」という言葉に置き換えることについて述べたことをここで繰り返しますが、これは宇宙の問題ではなく地球だけの問題です:…) [注: この本の海賊版は 1778 年に出版されました。]
  137. ^ Saussure、Horace-Bénédict de、Voyages dans les Alpes、… (ヌーシャテル、(スイス): Samuel Fauche、1779)。 pp. i–ii より: ウェイバック マシンで 2017 年 2 月 6 日にアーカイブされた 「La Science qui rassemble les faits, qui seuls peuvent servir de Base à la Théorie de la Terre ou à la Géologie , c'est la Géographie physique, ou la description de notre Globe; …」地球理論または「地質学」の基礎は、物理地理学、つまり地球の説明です。
  138. ^ 「地質学」という用語の使用においてドリュックとソシュールのどちらが優先されるべきかという論争について:
    • ツィッテル、カール・アルフレッド・フォン、マリア・M・オギルヴィー＝ゴードン共訳『19世紀末までの地質学・古生物学の歴史』（ロンドン、イギリス：ウォルター・スコット、1901年）、76ページ。
    • Geikie, Archibald, The Founders of Geology、第2版（ロンドン、イギリス：Macmillan and Company、1905）、p. 186。Wayback Machineに2017年2月16日にアーカイブ。
    • イーストマン、チャールズ・ロチェスター（1904年8月12日）。編集者への手紙：「Variæ Auctoritatis」。Wayback Machineに2017年2月7日アーカイブ。Science、第2シリーズ、20（502）：215–217。216ページを参照。
    • サミュエル・フランクリン・エモンズ（1904年10月21日）。編集者への手紙:「Variæ Auctoritatis」。 2017 年 2 月 7 日にウェイバック マシンにアーカイブ、サイエンス、第 2 シリーズ、20 (512): 537。
    • イーストマン, CR (1904年11月25日). 編集者への手紙：「科学命名法の歴史に関する覚書」, 2017年2月7日アーカイブ, Wayback Machine . Science , 第2シリーズ, 20 (517): 727–730; 728ページ参照.
    • エモンズ, SF (1904年12月23日). 編集者への手紙：「『地質学』という用語」, Science , 第2シリーズ, 20 (521): 886–887.
    • イーストマン, CR (1905年1月20日). 編集者への手紙：「デルックの『地質学レター』」. 2017年2月16日アーカイブ, Science ,第2シリーズ, 21 (525): 111.
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    • 英語版は、Escholt, Michel PedersønとDaniel Collinsの翻訳による『Geologia Norvegica …』として再版されています。Wayback Machineに2017年2月16日にアーカイブされています。（ロンドン、イングランド：S. Thomson、1663年）。
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  • One Geology：このインタラクティブな世界地質図は、世界中の地質調査機関による国際的な取り組みです。この画期的なプロジェクトは2007年に開始され、「国際地球年」の推進にも貢献し、同機関の旗艦プロジェクトの一つとなりました。
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  • 年代層序ベンチマーク アーカイブ 2023-09-26 at the Wayback Machine
  • 地質学の原理と目的、特にエジプトの地質学について（1911年）、WFヒューム