沈下
イギリスのスタッフォードシャーにある、19世紀の鉱山の陥没によってできた「The Crooked House」と呼ばれる沈下した家。
ダービーシャー州キャッスルトン近郊のマム・トール道路が地盤沈下とせん断により破壊された

地盤沈下とは、地球表面が垂直方向に下向きに移動する現象の総称であり、自然現象と人為的活動の両方によって引き起こされる。地盤沈下は水平方向の動きをほとんど、あるいは全く伴わないため[ 1 ] [ 2 ] 、斜面移動とは区別される。[ 3 ]

地盤沈下を引き起こすプロセスには、地下水による炭酸塩岩の溶解、堆積物の漸進的な圧縮、固化した岩石の地殻下からの流動性溶岩の採取、採鉱、地下水や石油などの地下流体の汲み上げ、地殻変動による地殻の歪みなどが含まれます。地殻の地殻変動によって生じる地盤沈下は、構造性沈下[ 1 ]として知られており、堆積物が堆積し、最終的に堆積岩へと石化するのに適した環境を作り出します[ 2 ]。

地盤沈下は、地質学者、地質工学技術者、測量士、エンジニア、都市計画者、土地所有者、そして一般の人々にとって世界的な懸念事項です。[ 4 ]地下水や石油の汲み上げは、世界中の多くの場所で最大9メートル（30フィート）の沈下を引き起こし、数億ドルに及ぶ費用が発生しています。[ 5 ]地下水の汲み上げによる地盤沈下は、主に世界の人口増加と経済成長により、発生頻度と関連する損害が増加すると予想され、地下水需要の増加が続くと予想されます。[ 6 ]

原因

サンホアキンバレーの地盤沈下

地下水関連の地盤沈下とは、地下水の汲み上げによって生じる土地の沈下です。都市人口と水使用量の増加に伴い、適切な揚水規制と法執行が行われていない発展途上国では、この問題が深刻化しています。ある推計によると、深刻な地盤沈下問題の80%は地下水の過剰な汲み上げに関連しており[ 7 ] 、世界中で深刻な問題となっています[ 6 ] 。

地下水の変動は、有機物の分解にも間接的に影響を及ぼす可能性がある。沿岸平野やデルタ平野などの低地の居住には排水が必要である。その結果生じる土壌の通気性は泥炭などの有機成分の酸化につながり、この分解プロセスによって重大な地盤沈下が起こる可能性がある。これは特に、望ましい不飽和帯の深さを維持するために地下水位が定期的に沈下に合わせて調整され、より多くの泥炭が酸素にさらされる場合に当てはまる。これに加えて、排水された土壌は有効応力の増加の結果として圧密される。[ 8 ] [ 9 ]このように、地盤沈下は最大5cm/年の速度で永続化する可能性があります。水管理はかつては主に作物の最適化などの要因に合わせて調整されていましたが、程度の差はあれ、地盤沈下の回避も考慮されるようになりました。

石灰岩の溶解

カルスト地形では、地盤沈下が大きな問題を引き起こします。地盤沈下は、地下の流体の流れによって石灰岩が溶解し、空洞（すなわち洞窟）が形成されるためです。空洞の天井が弱くなりすぎると、崩壊し、その上にある岩石や土砂がその空間に落ち込み、地表で地盤沈下を引き起こします。このような地盤沈下は、数百メートルにも及ぶ陥没穴を引き起こす可能性があります。 [ 10 ]

鉱業

いくつかの種類の地下採掘、特に採掘した空洞を意図的に崩壊させる方法（例えば、ピラー採掘、長壁採掘、および「ブロックケービング」や「サブレベルケービング」などの「ケービング」を用いるあらゆる金属鉱業方法）は、地表沈下を引き起こします。採掘に伴う地表沈下は、その規模、症状、範囲において比較的予測可能ですが、突発的なピラーの崩壊や地表近くのトンネルの崩壊が発生した場合（通常は非常に古い採掘跡[ 11 ]）は例外です。採掘に伴う地表沈下は、ほとんどの場合、採掘区域の上部の地表とその周囲にごく限られた範囲に限定されます。[ 12 ]地表沈下自体の垂直方向の規模は、排水（自然排水を含む）の場合を除いて、通常は問題を引き起こしません。むしろ、自然環境、建物、インフラに最も深刻な被害をもたらすのは、地表の圧縮・引張ひずみ、曲率、傾斜、水平変位です。[ 13 ]

採掘活動が計画されている場合、関係者全員の協力があれば、採掘に伴う地盤沈下をうまく管理することができます。これは、慎重な採掘計画、予防措置の実施、そして採掘後の補修の実施を組み合わせることで実現されます。[ 14 ]

米国ペンシルベニア州ブラデンビルの地下鉱山の上にある損壊した家屋の安定化
地盤沈下の種類

石油と天然ガスの採掘

天然ガス田から天然ガスを採掘すると、ガス田内の初期の圧力（最大60MPa （ 600bar ））は年月とともに低下します。この圧力は、ガス田上部の土壌層を支える役割を果たします。ガスが採掘されると、表土の圧力堆積物が圧縮され、地震や地盤沈下 を引き起こす可能性があります。

1960年代後半にスロフテレン（オランダ）のガス田の開発が開始されて以来、 250 km 2の地域の地盤レベルは現在最大30 cm低下しています。[ 15 ]

石油の採掘も同様に、深刻な地盤沈下を引き起こす可能性があります。カリフォルニア州ロングビーチ市では、34年間の石油採掘で9メートル（30フィート）の沈下を経験し、地域のインフラに1億ドル以上の損害が発生しました。二次回収井から十分な水を汲み上げ、油層を安定させたことで、地盤沈下は止まりました。 [ 5 ]

地震

地震発生時の地盤沈下は様々な原因で発生します。断層線に沿ったずれにより、地震発生時に広大な土地が急激に沈下することがあります。また、地震の揺れによって未固結堆積物が沈下・圧密されることで地盤沈下が発生することもあります。[ 16 ]

国土地理院は、2011年東北地方太平洋沖地震による即時的な地盤沈下を報告した。[ 17 ]北日本では、東北地方の宮古島の太平洋沿岸で0.50メートル（1.64フィート）の沈下が観測され、岩手県陸前高田市では0.84メートル（2.75フィート）の沈下が記録された。南部の福島県相馬市では0.29メートル（0.95フィート）の沈下が観測された。最大沈下量は1.2メートル（3.93フィート）で、宮城県牡鹿半島では最大5.3メートル（17.3フィート）の水平地殻変動が観測された。[ 18 ]

断層による

地球に差応力が存在する場合、脆性地殻における地質学的断層運動、あるいはより高温で流動性の高いマントルにおける延性流動によって、これらの応力が吸収される。断層が発生する場所では、正断層の上盤で絶対沈下が生じる可能性がある。逆断層、すなわち逆断層では、下盤で相対沈下が測定される可能性がある。[ 19 ]

等圧沈下

地殻はアセノスフェア内で浮遊しており、「地表」より下の質量比は、地殻自身の密度とアセノスフェアの密度に比例する。地殻の局所的な領域に質量が加わると（例えば堆積作用によって）、地殻は沈下してそれを補い、アイソスタシーバランスを維持する。[ 2 ]

アイソスタティック沈下とは反対に、アイソスタティックリバウンドと呼ばれる現象が知られています。これは、大規模な氷床の融解後や最終氷期後の大規模湖の干上がり後などに、地殻が（時には数千年かけて）アイソスタティック状態に戻る現象です。ボンネビル湖はアイソスタティックリバウンドの有名な例です。かつて湖に溜まっていた水の重さにより、地殻は平衡を保つために約200フィート（61メートル）沈下しました。湖が干上がると、地殻はリバウンドしました。今日、ボンネビル湖では、かつての湖の中心が、かつての湖の縁よりも約200フィート（61メートル）高くなっています。[ 20 ]

季節の影響

多くの土壌には粘土がかなりの割合で含まれています。粘土は粒子が非常に小さいため、土壌水分量の変化の影響を受けます。土壌の季節的な乾燥は、土壌の体積と表面積の両方を減少させます。建物の基礎が季節的な乾燥によって到達するレベルより上にある場合、基礎は移動し、先細りのひび割れという形で建物に損傷を与える可能性があります。

樹木やその他の植生は、土壌の季節的な乾燥に地域的に大きな影響を及ぼす可能性があります。樹木が成長するにつれて、数年にわたって乾燥が累積します。これは、樹木が衰退したり伐採されたりすると、地盤沈下とは逆の現象、つまり土壌の隆起または膨張を引き起こす可能性があります。累積的な水分不足は最大25年続くこともあり、樹木の周囲の地表レベルが上昇し、横方向に広がります。基礎が強化されているか、この影響に対応できる設計になっていない限り、建物に損傷を与えることがよくあります。[ 21 ]

建物の重量

高層ビルは、その重量で地盤を圧迫し、地盤沈下を引き起こす可能性があります。この問題は、ニューヨーク市、サンフランシスコ・ベイエリア、ラゴスで既に発生しています。[ 22 ] [ 23 ]

影響

洪水の可能性の増加

地盤沈下は地表の低下を招き、地形を変化させます。この標高低下は、特に河川氾濫原[ 24 ]やデルタ地帯[ 25 ]において洪水のリスクを高めます。

沈みゆく都市

都市沈下の原因、プロセス、影響[ 26 ]

沈下都市とは、急速に変化する景観のために消滅の危機に瀕している都市環境である。これらの都市が居住不可能になる最大の原因は、気候変動（海面上昇、激化する嵐、高潮として現れる）、地盤沈下、および加速する都市化の複合的な影響である。[ 27 ]世界で最も大きく急速に成長している都市の多くは、河川や海岸沿いに位置しており、自然災害の危険にさらされている。大都市圏は、農業、都市開発、国際貿易に適していることから、平坦な氾濫原に建設された。しかし、これらの氾濫原は地質学的に新しい場合が多く（数千年前）、地下水汲み上げや都市開発などの人間の活動が急速な地盤沈下を引き起こし、海面上昇と相まって複合的なリスクを生み出す可能性がある。[ 28 ]各国がこれらの都市に人材、資産、インフラを投資し続けるにつれて、これらの地域での損失の可能性も高まる。[ 29 ]沈下都市は、今日のダイナミックな環境気候に適切に備えるために、大きな障壁を克服しなければならない。

地球の亀裂

地割れは、地表に現れる線状の亀裂であり、開口部またはオフセットを特徴とします。これらの亀裂は、深さ数メートル、幅数メートル、長さ数キロメートルに及ぶことがあります。揚水による帯水層の変形によって堆積物に応力が集中することで発生します。[ 30 ]この不均一な変形は、堆積物の不均一な圧縮を引き起こします。この引張応力が堆積物の引張強度を超えたときに、地割れが発生します。

インフラの損傷

地盤沈下は、建物やその他のインフラの不同沈下を引き起こし、角度歪みを引き起こす可能性があります。この角度歪みが一定値を超えると、構造物が損傷し、傾きやひび割れなどの問題が発生する可能性があります。[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]

現場測定

地盤沈下は垂直方向の変位（沈下または隆起）を引き起こします。水平方向の変位も発生しますが、一般的にはそれほど顕著ではありません。以下は、沈下地域における垂直方向および水平方向の変位を測定するための現地調査方法です。

Tomásら[ 45 ]は、様々な地盤沈下モニタリング技術の比較分析を行った。その結果、InSARは最も広い観測範囲、情報点あたりの年間コストが最も低く、点密度が最も高いことが示された。さらに、地盤沈下が急速に進む地域に典型的に設置される連続観測システムを除けば、InSARは最も高い観測頻度を示した。対照的に、水準測量、非恒久的GNSS、非恒久的伸縮計は、一般的に年間1～2回しか観測できなかった。[ 45 ]

予測

経験的手法
これらの手法は、既存のデータから外挿し、地盤沈下を時間のみの関数として扱い、将来の地盤沈下の傾向を予測する。[ 34 ]外挿は視覚的に行うことも、適切な曲線をフィッティングすることによって行うこともできる。フィッティングに用いられる一般的な関数としては、線形、双線形、二次、指数モデルなどがある。例えば、この手法は鉱山起因の地盤沈下予測に効果的に適用されている。[ 46 ]
半経験的または統計的手法
これらのアプローチは、地下水位の変化、地下水汲み上げ量、粘土含有量など、 [ 34 ] [ 47 ] 1つ以上の影響要因との関係に基づいて地盤沈下を評価します。
理論的方法
  • 1次元モデル：このモデルは、帯水層と帯水層に影響を及ぼす地盤レベルの変化が垂直方向にのみ発生すると仮定する。[ 47 ]このモデルでは、土壌の垂直パラメータのみを使用して、特定の地点での沈下計算が可能となる。[ 48 ] [ 49 ]
  • 準3次元モデル：準3次元浸透モデルは、テルツァギの1次元圧密方程式を適用して沈下を推定し、3次元効果のいくつかの側面を統合します。[ 47 ] [ 50 ]
  • 3Dモデル：完全に結合した3次元モデルは、3次元での水の流れをシミュレートし、ビオの3次元圧密理論を使用して沈下を計算します。[ 47 ] [ 51 ] [ 52 ]
機械学習
機械学習は非線形問題への新たなアプローチとなり、地盤沈下のシミュレーションと予測に有望な手法として浮上している。[ 53 ] [ 54 ]

世界中のインスタンス

位置 堆積環境 最大沈下速度（mm/年）と期間 原因 影響 救済措置または保護措置 参考文献
バンコク、タイ 完新世の河川堆積物と海洋堆積物 <120 (1981) 地下水の採取 都市の洪水の激化、海岸線の後退、塩水の浸入、および基礎工学上の問題。 地下水価格政策、サービスが行き届いていない郊外の工業地帯における地表水源からの水道水供給の拡大、地下水使用禁止の厳格な実施 [ 55 ]
北京、中国 沖積堆積物 >100 (2010-2011) 地下水の採取 南北水路転換プロジェクト中央ルート (SNWDP-CR) は、水資源の再分配を目的として建設されました。 [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]
中国、大同炭田 ジュラ紀と石炭紀の炭層 17 (2003-2010)

<1146 (2022-2023)

鉱山からの地下水の過剰汲み上げと石炭鉱山の地盤沈下。 土砂崩れ、地滑り、泥岩流、地表沈下、地割れ、地表脈石堆積。 [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]
グアダレンティン、スペイン 沖積堆積物と河川堆積物 >110 (1992-2012) 地下水の採取 洪水の可能性の増加 [ 63 ] [ 24 ] [ 42 ]
ゲディズ川流域、トルコ 鮮新世と第四紀の沖積土が約 500 メートル積み重なった地溝。 64.0 (2017-2021) 地下水の採取とテクトニクス 複数の地割れと建物の損傷 [ 64 ]
ジャカルタ、インドネシア 沖積堆積物 260 (1991-1997)

100 (1997-2002)

地下水の採取 恒久的な構造物の亀裂、浸水地域の拡大、地下水位の低下、内陸海水浸入の増加。 [ 35 ] [ 65 ] [ 66 ]
カラピナル、トルコ 中新世～鮮新世の礫岩、砂岩、泥灰岩、石灰岩、凝灰岩、蒸発岩 解散 [ 67 ]
ラ・ウニオン、スペイン 砂岩、礫岩、千枚岩、石灰岩 7 (2003-2004) 地下採掘活動 建物1棟の倒壊と周囲の建物への被害 市街地の地盤沈下による被害地域における建築物の建築禁止。 [ 68 ] [ 69 ]
メキシコシティ、メキシコ 沖積堆積物と湖沼堆積物 387 (2014-2020) 地下水の採取 地割れの発生。建物への被害。 [ 70 ] [ 71 ]
ムルシア、スペイン 沖積堆積物と河川堆積物 26 (2004-2008) 地下水の採取 150棟の建物が被害 都市井戸の閉鎖 [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]
パトス・マリンザ油田、アルバニア 炭酸塩岩と珪質砕屑岩の堆積物 15 (2015-2018) 石油の採掘 [ 75 ]
米国カリフォルニア州サンホアキンバレー 沖積堆積物および湖沼堆積物。 500（1923-1970）

80歳（1921-1960）

地下水の採取 1960 年代後半から、カリフォルニア水道橋を経由してカリフォルニア州サンホアキンバレーの農業地域に地表水を輸入しています。 [ 76 ] [ 77 ] [ 34 ]
上海、中国 海洋堆積物 87 (2019-2020) 地下水の採取 2001年から2020年にかけて上海で地盤沈下によって生じた経済損失は245億7000万元を超えた。 地下水利用の制限、処理済み河川水による人工涵養、揚水パターンの調整 [ 78 ] [ 79 ]
テヘラン、イラン 沖積堆積物 217 (2017-2019) 地下水の採取 [ 41 ] [ 80 ] [ 81 ]
ヴェネツィア、イタリア デルタとラグーンの堆積物 1 (1952年以前)

6.5 (1952-1968) 4 (2003-2010)

地下水の採取 地下水汲み上げ量の減少。一部の地域では内陸からの水供給が行われている。 [ 82 ] [ 34 ]

参照

参考文献

ウィキメディア・コモンズには、地盤沈下に関連するメディアがあります。
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