カルスト

ディナルアルプスの典型的なカルスト地形
桂林の李江峰叢（円錐カルスト）は、中国南部カルストの一部です。
トラムンタナ山脈のカルスト地形

カルスト（/ k ɑːr s t /）は、石灰岩やドロマイトなどの可溶性炭酸塩岩の溶解によって形成された地形です。カルストは、上部にポレ（砂礫地）があり、地下には陥没穴や洞窟を伴う排水路が発達していることが特徴です。[ 1 ] [ 2 ]適切な条件下では、石英岩などの耐風化性の高い岩石にもカルストが形成される可能性があるという証拠がいくつかあります。[ 3 ]

地下水脈によって地表水が制限され、河川や湖はほとんど、あるいは全く存在しない。溶解した岩盤が（おそらくは堆積物によって）覆われているか、あるいは一枚以上の不溶性の岩層によって覆われている地域では、特徴的なカルスト地形は地下層にのみ現れ、地上では全く見られないこともある。[ 4 ]

古カルスト（地層に埋没したカルスト）の研究は石油地質学において重要である。なぜなら、世界の炭化水素埋蔵量の50％は炭酸塩岩に含まれており、その多くは多孔質のカルスト系で発見されているからである。[ 5 ]

語源

炭酸塩岩（蒸発岩を除く主に石灰岩）の主な露頭の世界分布

英語の「karst」は19世紀後半にドイツ語のKarstから借用されたが、 [ 6 ]ドイツ語ではそれよりかなり以前に用いられ、[ 7 ]ディナルアルプス山脈の範囲内で見られる多くの地質学的、地形学的、水文学的特徴を説明するために用いられた。ディナルアルプス山脈はイタリア北東部トリエステ市上空からバルカン半島を東アドリア海沿岸に沿ってコソボ、北マケドニアまで広がり、そこからシャール山脈の山塊が始まる。カルスト地帯は最北西部にあり、初期の地形学研究ではイタリアとスロベニアの間の高原として説明されていた。この形を保持している言語には、イタリア語: Carso、ドイツ語: Karst、アルバニア語: karstiなどがある。

南スラヴ諸語におけるこの語のすべてのバリエーションは、ローマ字化されたイリュリア語の語源（ラテン語：carsus、ダルマチア語：carsus）に由来し、後に再構成された形式* korsъから転成されて、スロベニア語：kras [ 8 ]やセルビア・クロアチア語：krš、kras、[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]などの形式が18世紀に初めて確認され、形容詞形式kraškiは16世紀に確認された。[ 13 ]固有名詞として、スロベニア語形式Grastは1177年に初めて確認された。[ 14 ]

結局のところ、この語は地中海起源である。また、この語はインド・ヨーロッパ祖語の語根* karra-「岩」に由来するのではないかとも示唆されている。 [ 15 ]また、この名称はプトレマイオスが引用した語源Kar(u)sádios oros、あるいはラテン語のCarusardiusとも関連している可能性がある。[ 13 ] [ 14 ]

初期の研究

フランス、ロゼール県、ソヴェテールのコースにあるドリーヌ

スロベニアのカルスト研究の先駆者であり、ロンドン王立協会会員であったヨハン・ヴァイクハルト・フォン・ヴァルヴァゾルは、1689年にツェルクニツァ湖に関する記述の中で川の地下水流現象を説明するためにヨーロッパの学者たちに「カルスト」という言葉を紹介した。[ 16 ]

ヨヴァン・ツヴィイッチはカルスト地域に関する知識を大きく発展させ、「カルスト地形学の父」として知られるようになりました。1893年に出版された『カルスト現象』（Das Karstphänomen）は、主にバルカン半島のカルスト地域について論じており、カレン、ドリーネ、ポリェスといった地形について記述しています。[ 5 ] 1918年の著書では、ツヴィイッチはカルスト地形の発達に関する周期的モデルを提唱しました。[ 5 ] [ 17 ]

カルスト水文学は、 1950年代後半から1960年代初頭にかけてフランスで学問分野として発展しました。それ以前は、洞窟探検家（スペレオロジスト）の活動は科学というよりスポーツのようなものとして軽視されており、地下のカルスト洞窟とそこに付随する水路は、科学的観点からは十分に研究されていませんでした。[ 18 ]

発達

クロアチア、スィニ近郊のディナルアルプス山脈にある石灰岩の鉱床

カルスト地形は、石灰岩などの高密度の炭酸塩岩で最も発達しており、その岩層は薄く、亀裂が激しい。一方、チョーク岩ではカルスト地形は一般的にあまり発達していない。これは、チョーク岩が高密度というよりは多孔質であるため、地下水の流れが亀裂に沿って集中しないためである。また、カルスト地形は、谷が深く入り組んだ高地など地下水位が比較的低い地域や、降雨量が中程度から多い地域で最も発達している。このため、地下水は急速に下方に移動し、岩盤の溶解が促進される。一方、滞留した地下水は炭酸塩鉱物で飽和状態となり、岩盤の溶解が止まる。[ 19 ] [ 20 ]

溶解の化学

カルスト地形を形成する炭酸は、雨が地球の大気圏を通過する際に二酸化炭素（CO2 ）を吸収することで生成されます。CO2は容易に水に溶解します。雨が地表に到達すると、土壌を通過することがあります。土壌呼吸によって生成されるCO2がさらに供給されます。溶解した二酸化炭素の一部は水と反応して弱い炭酸溶液を形成し、炭酸カルシウムを溶解します。[ 21 ]石灰岩の溶解における主要な反応順序は以下のとおりです。[ 22 ]

エストニアのコスティヴェレカルスト地域
H 2 O + CO 2 → H 2 CO 3
CaCO 3 + H 2 CO 3 → Ca 2+ + 2HCO−3

非常に稀な状況では、酸化が影響を及ぼすことがあります。酸化は、アメリカ合衆国ニューメキシコ州の古代レチュギジャ洞窟の形成に大きな役割を果たしました[ 23 ] 。また、現在もイタリアのフラサッシ洞窟で活発に活動しています[ 24 ] 。

フランス、ダン・ド・クロルの石灰岩舗装

硫化物の酸化による硫酸の生成も、カルスト形成における腐食要因の一つとなり得ます。酸素を豊富に含む表層水が深部の無酸素カルスト系に浸透すると、酸素が運ばれ、系内に存在する硫化物（黄鉄鉱または硫化水素）と反応して硫酸（H 2 SO 4）を生成します。硫酸は炭酸カルシウムと反応し、石灰岩層の侵食を加速させます。この一連の反応は以下のとおりです。

H 2 S + 2 O 2 → H 2 SO 4（硫化物酸化）
H 2 SO 4 + 2 H 2 O → SO2−4+ 2 H 3 O +（硫酸の解離）
CaCO 3 + 2 H 3 O + → Ca 2+ + H 2 CO 3 + 2 H 2 O（炭酸カルシウムの溶解）
Ca 2+ + SO2−4 → CaSO 4（硫酸カルシウムの形成）
CaSO 4 + 2H 2 O → [CaSO 4・2H 2 O] (石膏の生成)

この反応連鎖により石膏が形成される。[ 25 ]

形態学

エチオピアのルバクサ石灰岩

地形のカルスト化は、地表と地下の両方に、大小様々な規模の地形を生み出す可能性があります。露出面では、小規模な地形として、溶岩溝（リレンカレン）、細溝、石灰岩の舗装（クリントとグリーク）、カメニツァ（総称してカレンまたはラピエズと呼ばれる）などが挙げられます。中規模の地表地形としては、陥没穴またはセノーテ（閉鎖盆地）、垂直の竪穴、フォイベ（逆漏斗状の陥没穴）、消失した小川、再び出現する泉などが挙げられます。

大規模な地形としては、石灰岩の舗装、ポレ、カルスト渓谷などが挙げられます。基盤岩が残存岩盤よりも多く削り取られた成熟カルスト地形では、カルストタワーや干し草の山／卵箱のような地形が形成されることがあります。地表下には、複雑な地下排水システム（カルスト帯水層など）や広大な洞窟、洞穴システムが形成されることがあります。[ 19 ]

特に熱帯地方の石灰岩の海岸に沿った浸食により、通常の海面より上の鋭いマカテア面と、平均海面またはその少し上の生物活動または生物浸食の結果であるアンダーカットを含むカルスト地形が形成されます。[ 26 ]これらの地形の中で最も劇的なものは、タイのパンガー湾とベトナムのハロン湾で見ることができます。

水に溶け込んだ炭酸カルシウムは、水中に溶け込んだ二酸化炭素の一部を排出する場所で沈殿することがあります。泉から湧き出る河川は、長い年月をかけて堆積した方解石の層からなる凝灰岩段丘を形成することがあります。洞窟では、炭酸カルシウムやその他の溶解鉱物の堆積によって、総称して鍾乳石と呼ばれる様々な地形が形成されます。

層間カルスト

層間カルストは、不溶性の岩石に覆われた下に発達したカルスト地形です。典型的には、溶解過程にある石灰岩層の上に砂岩が覆っています。例えばイギリスでは、南ウェールズのセフン・イル・イストラッド、ミニッド・ランガトゥグ、ミニッド・ランギニドルにおいて、石炭紀の石灰岩を覆うトゥルチ砂岩の層を挟んで広大なドリーネ地帯が形成されており、ミニッド・ランギニドルは、その地形特性から特別な科学的関心地域に指定されています。 [ 27 ]

ケーゲルカルスト、塩カルスト、カルスト林

ケーゲルカルストは、熱帯カルスト地形の一種で、コックピット、モゴテ、ポレによって形成された多数の円錐状の丘陵を有し、強い河川侵食作用を受けていない。この地形は、キューバ、ジャマイカ、インドネシア、マレーシア、フィリピン、プエルトリコ、中国南部、ミャンマー、タイ、ラオス、ベトナムに見られる。[ 28 ]

塩カルスト（または「岩塩カルスト」）は、地下で塩が溶解している地域で発達します。地表の陥没や崩壊を引き起こし、地質災害を引き起こす可能性があります。[ 29 ]

カルスト地域は、独特な種類の森林を有する傾向があります。カルスト地形は人間が通行するのが困難なため、生態系は比較的乱されていないことが多いです。土壌はpH値が高い傾向があり、ラン、ヤシ、マングローブなどの珍しい植物の生育を促進します。[ 30 ]

古カルスト

古カルストまたはパレオカルストは、地質学史において観察され、岩石層の中に保存されたカルスト地形の発達であり、実質的には化石カルストである。例えば、南ウェールズの石炭紀石灰岩層群のクライダック・バレー亜群には、古カルスト地形が露出している。これは、この時代初期の堆積作用のない時期に、最近形成された石灰岩の地上風化によって形成されたものである。堆積作用が再開され、さらに石灰岩層が不規則なカルスト地形の表面に堆積した。このサイクルは、長期にわたる海面変動と関連して、数回繰り返された。[ 31 ]

擬カルスト

擬カルスト地形は、カルスト地形と形状や外観が似ていますが、異なるメカニズムによって形成されます。例としては、溶岩洞窟や花崗岩の岩山（例えば、オーストラリア、ビクトリア州のラバータッチ洞窟） 、そして古地形の崩壊などが挙げられます。泥洞窟も擬カルスト地形の一例です。

水文学

カルスト地形の断面図。地形的特徴と水の流れを示しています。
発達したカルスト地形に典型的な特徴
プエルト・プリンセサ地下川、フィリピン

カルスト地形は独特の水文学的特徴を持ち、多くの珍しい地形を生み出します。カルスト窓（カルスト窓）は、地下水が岩層の間から地表に現れ、ある程度の距離を流れ落ちた後、再び地表に消え、多くの場合陥没穴に消える場所で発生します。

カルスト地域の川は、何度も地下に消えて、別の場所で再び湧き出ることがあります。その際には、 「7つの名前を持つ川」であるリュブリャニツァ川のように、別の名前が付けられることもあります。

もう一つの例は、ワイオミング州フリーモント郡のポポ・アギー川です。シンクス・キャニオン州立公園の「ザ・シンクス」と呼ばれる場所で、川はマディソン石灰岩として知られる層の洞窟に流れ込み、その後、 峡谷を800メートル（1⁄2マイル）下って静かな水たまりとなって 再び上昇します。

ターロー湖は、アイルランドのカルスト地域に見られる、地下水系からの水の年間の湧き出しによって形成される、ユニークなタイプの季節湖です。

帯水層

洞窟の中の川でジョンボートに乗った数人の人々。
カルスト帯水層の水は、地下水路として流れる開いた水路を通って流れます。

カルスト帯水層は典型的には石灰岩中に発達する。天然の炭酸を含む表層水は、石灰岩の小さな亀裂へと浸透する。この炭酸は徐々に石灰岩を溶解し、亀裂を拡大させる。拡大した亀裂にはより多くの水が流入し、その結果、開口部は次第に拡大していく。多数の小さな開口部は大量の水を蓄える。そして、より大きな開口部は、帯水層から湧水へと排水する導水路を形成する。[ 32 ]

カルスト帯水層の特性評価には、地質図の調査に加えて、陥没穴、溝、沈下河川、湧水の位置を特定するための現地調査が必要である。[ 33 ] :4 帯水層テストや電位マッピングなどの従来の水文地質学的方法は、カルスト帯水層の複雑さを特徴付けるには不十分であり、染料トレース、湧水流量の測定、水化学分析などで補完する必要がある。[ 34 ]米国地質調査所の染料トレースにより、均一な多孔度分布を仮定する従来の地下水モデルはカルスト帯水層には適用できないことが判明した。[ 35 ]

フランス東部のウアン近郊のジュラ山脈にある、ルー川の源流に位置するカルスト泉

断層線に沿って、直線状の河川区間や陥没穴などの地表地形が線状に配列する。断層線上または断層線の交差点に井戸を建設すると、良好な水生産に遭遇する可能性が高まる。[ 36 ]カルスト帯水層の空隙は、地表の破壊的な崩壊や沈下を引き起こすほど大きくなる可能性があり、汚染物質の壊滅的な放出を引き起こす可能性がある。 [ 37 ] : 3–4

カルスト帯水層の地下水流動速度は、多孔質帯水層よりもはるかに速い。例えば、バートン・スプリングス・エドワーズ帯水層では、染料の痕跡からカルスト帯水層の地下水流動速度が0.5～7マイル/日（0.8～11.3 km/日）と測定された。[ 38 ]地下水流動速度が速いため、カルスト帯水層は多孔質帯水層よりも地下水汚染に対してはるかに敏感である。[ 33 ] : 1

カルスト地形は洞窟状で浸透性が非常に高いため、汚染物質が濾過される機会が少なくなり、 カルスト地域の地下水も地表の水流と同じくらい簡単に汚染されます。

井戸水も安全ではない可能性があります。牛の放牧地にある陥没穴から水が滞留することなく流れ出し、多孔質の帯水層で通常行われるろ過を回避している可能性があるためです。陥没穴は、農場や地域のゴミ捨て場として利用されることがよくありました。カルスト地形では、過負荷または故障した浄化槽から、未処理の下水が地下水路に直接流入する可能性があります。

地質学者は、2007年時点で世界の飲料水需要の約25％を供給していたカルスト地形の水文学に対する人間の活動の悪影響を懸念している。[ 39 ]

カルスト水文学の影響

カルスト地域での農業は、表層水の不足を考慮する必要があります。土壌は十分に肥沃で降雨量も十分であっても、雨水はすぐに地中の割れ目から浸透し、雨が降らない間は表土が乾ききってしまうことがあります。

カルスト地形は、人間の居住地にとって特異な問題も抱えています。陥没穴は地表の開口部が拡大するにつれて徐々に発達しますが、侵食の進行は、洞窟の天井が突然崩壊するまで目に見えないことがよくあります。このような崩壊により、家屋、家畜、自動車、農業機械などが飲み込まれました。アメリカ合衆国では、2014年に、このような洞窟の陥没穴の突然の崩壊により、ケンタッキー州ボーリンググリーンにある国立コルベット博物館の収蔵品の一部が飲み込まれました。 [ 40 ]

カルスト地域

中国雲南省鹿南石林
エストニアのコスティヴェレ カルスト地域のドローン動画 (2021)

世界最大の石灰岩カルストはオーストラリアのヌラーボー平原です。スロベニアは世界で最も陥没穴の危険性が高い地域であり、アメリカ東部のハイランド・リム西部はカルスト陥没穴の危険性が2番目に高い地域です。 [ 41 ] [ 42 ]

カナダでは、ノースウェスト準州のウッドバッファロー国立公園にカルスト地形の陥没穴が点在しています。[ 43 ]メキシコでは、ユカタン半島とチアパス州に重要なカルスト地域が存在します。[ 44 ]アイルランド西部には、カルスト石灰岩地帯であるバレンがあります。貴州省、広西チワン族自治区、雲南省にまたがる華南カルストは、ユネスコの世界遺産に登録されています。

カルスト関連の用語の多くは南スラブ語族の言語に由来し、西バルカン半島ディナルアルプスカルストにおける初期の研究を通じて科学用語に取り入れられています。

カルスト研究

カルスト地域の様々な側面を研究する学問は、カルスト研究[ 45 ]、カルスト科学[ 46 ] 、またはカルスト学[ 47 ]と呼ばれている。これには、カルスト地域の様々な空間的および時間的スケールにおける生物学的、化学的、生態学的、地形学的、水文地質学的、水文学的、政治的、社会経済的、およびその他のプロセスが含まれ、カルスト帯水層と生態系、および地表と地下の構造の発達を理解し、環境を保護し、人間の活動を効果的に計画することを目的としています。[ 48 ]著名なカルスト研究者には、ヨヴァン・ツヴィイッチとウィリアム・モリス・デイビスがいます。

参照

  • アルヴァル – 石灰岩を基盤とした生物環境
  • グリーク – 露出した石灰岩の平坦で刻まれた表面からなる自然のカルスト地形
  • 氷河カルスト – 更新世の寒冷期に氷河に覆われたカルスト地形
  • 地形用語集
  • 洞窟学 – 洞窟とカルスト地形の科学
  • 地下河川 – 地表の下または一部を流れる河川
  • サーモカルスト – 永久凍土が解けたときに形成された湿地の窪地や小さな丘の不規則な地表

参考文献

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  46. ^ガン、ジョン (2004). 『洞窟とカルスト科学百科事典』 ニューヨーク: フィッツロイ・ディアボーン.
  47. ^ギリ、エリック（2015年）『カルスト学：カルスト、洞窟、泉』ボカラトン、フロリダ州：CRCプレス。
  48. ^ Bonacci, Ognjen (2019).カルスト学 - 持続可能な開発にどのように役立つのか？（レポート）

さらに読む

  • フォード、DC、ウィリアムズ、P.、カルスト水文地質学と地形学、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社、2007年、ISBN 978-0-470-84996-5
  • ジェニングス、JN、『カルスト地形学』第2版、ブラックウェル、1985年、ISBN 0-631-14032-8
  • パーマー、AN、洞窟地質学、第2版、Cave Books、2009年、ISBN 978-0-939748-66-2
  • スウィーティング、MM、『カルスト地形』、マクミラン、1973年、ISBN 0-231-03623-X
  • van Beynen、P. (編)、カルスト管理、Springer、2011、ISBN 978-94-007-1206-5
  • ヴェルミューレン、JJ、ウィッテン、T.、「東アジアの石灰岩資源管理における生物多様性と文化財：東アジアからの教訓」、世界銀行、1999年、ISBN 978-0-821345-08-5
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ウィキソースには、 1911 年のブリタニカ百科事典の記事「カルスト」のテキストがあります。
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