地質学

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の元素および化合物です。鉱物に似た非晶質物質は、ジョージアイトやオートナイトなどの例外はあるものの、ミネラロイドと呼ばれることもあります。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、メタミクト化の前に元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 ]}

鉱物にはそれぞれ固有の物理的性質があり、それらをそれぞれ判定するための多くの試験があります。鉱物はこれらの試験によって識別されることがよくあります。標本は以下について試験できます。^{[ 6 ]}

• 色：鉱物は色によって分類されます。主に診断目的で使用されますが、不純物によって鉱物の色が変わることもあります。
• 条痕試験：試料を磁器の皿にこすりつけて行う。条痕の色によって鉱物の種類を特定することができる。
• 硬度：鉱物が引っ掻かれたり、へこんだりするのに対する抵抗力。
• 破砕パターン：鉱物は、破断または劈開のいずれかを示す。前者は不均一な表面の破砕であり、後者は間隔の狭い平行な面に沿った破砕である。
• 光沢：鉱物の表面から反射される光の性質。例としては、金属光沢、真珠光沢、蝋光沢、鈍い光沢などがある。
• 比重：鉱物の一定体積あたりの重量。
• 発泡性：塩酸を鉱物に滴下し、発泡するかどうかを検査する。
• 磁気：磁石を使って磁気の有無を調べる。
• 味：鉱物には独特の味があり、例えば岩塩（食卓塩のような味がする）などがあります。

岩石とは、鉱物または鉱物様物質の自然界に存在する固体の塊または集合体のことです。地質学の研究のほとんどは岩石の研究に関連しており、岩石は地球の地質史の大部分の主要な記録を提供します。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 、それらの間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、それは火成岩となる。^{[ 8 ]}溶融岩石の活発な流れは火山学で綿密に研究されており、火成岩岩石学は、火成岩が元の溶融源から最終的な結晶化に至るまでの歴史を解明することを目的としている。^{[ 9 ]}

岩石は風化や侵食を受け、その後再堆積して固まり、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つのカテゴリーに分けられる。この分類は、堆積粒子の大きさ（砂岩と頁岩）と鉱物組成および形成過程（炭酸化と蒸発）にそれぞれ焦点を当てている。^{[ 10 ]}火成岩と堆積岩は、熱と圧力によって鉱物組成が変化し、特徴的な組織を持つ変成岩に変化することがある。これら3種類の岩石はすべて再び溶融する可能性があり、溶融すると新しいマグマが形成され、そこから火成岩が再び固まることがある。石炭、瀝青、石油、天然ガスなどの有機物は、主に有機物に富む堆積岩と関連している。^{[ 11 ]}

地質学者は、これら3種類の岩石を研究するために、それらを構成する鉱物や、質感や組織などのその他の物理的特性を評価する。

地質学者は、基盤岩の上にある未固結物質（表層堆積物と呼ばれる）を研究します。^{[ 12 ]}この研究は、地質史の第四紀（地質時代の最新の時代）にちなんで、第四紀地質学として知られています。 ^{[ 13 ]}

1960年代には、地殻と上部マントルの最も硬い最上部を含む地球のリソスフェアが、塑性変形する固体の上部マントル（アセノスフェアと呼ばれる）の上を移動するテクトニック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、いくつかの種類の観測によって裏付けられています。

地表のプレートの動きとマントルの対流（つまり、延性のあるマントル岩石のゆっくりとした動きによって引き起こされる熱伝達）の間には密接な結合がある。そのため、プレートの海洋部分とそれに隣接するマントルの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硬い上部熱境界層であるためである。地球の表面を移動する硬いプレートと対流するマントルとの間のこの結合は、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、固体地球の多くの観測に対する物理的基礎を提供してきた。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 ]}

• 海底の高地であり、熱水噴出孔や火山が存在する中央海嶺は、 2つのプレートが離れていく発散境界と見なされている。
• 火山活動や地震の弧は、一方のプレートがもう一方のプレートの下に沈み込む、つまり移動する収束境界であると考えられている。
• サンアンドレアス断層系のようなトランスフォーム断層は、プレートが互いに水平方向にすれ違う場所である。

プレートテクトニクスは、アルフレッド・ウェゲナーの大陸移動説^{[ 20 ]}のメカニズムを提供しました。この説では、大陸は地質学的時間スケールで地球の表面を移動します。プレートテクトニクスは、地殻変動の原動力となり、構造地質学の観測のための新しい環境を提供しました。プレートテクトニクス理論の強みは、これらの観測結果すべてを、リソスフェアが対流するマントル上をどのように移動するかという単一の理論に統合し、「地質学の壮大な統一理論」を形成する能力にあります。^{[ 21 ] [ 22 ]}

高温高圧下での地震学、コンピュータモデリング、鉱物学、結晶学の進歩により、地球の内部構成と構造についての洞察が得られています。 ^{[ 23 ]}

地震学者は、地震波の到達時間を利用して地球内部を画像化することができます。この分野の初期の進歩により、液体の外核（せん断波が伝播できない場所）と密度の高い固体の内核の存在が示されました。これらの進歩により、地球の層状モデルが開発され、上部に岩石圏（地殻を含む）、その下にマントル（410 kmと660 km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モデルが生まれました。^{[ 24 ] [ 25 ]} 1970年代以降、地震学者は、医師がCTスキャンで人体を画像化するのと同じように、地震波の全波形インバージョンなどの新しい技術を使用して、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りました。これらの画像により、地球内部のより詳細な見方が可能になり、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ました。^{[ 26 ] [ 24 ]}

鉱物学者は、地震学およびモデリング研究からの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て、実験環境でこれらの条件を再現し、結晶構造内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に関連する化学変化を説明し^{[ 28 ]}、地球の内核で予想される結晶構造を示しています。^{[ 29 ]}

以下の5つのタイムラインは、地質年代を縮尺通りに示しています。最初のタイムラインは地球の形成から現在までの全期間を示していますが、最新の時代を表すスペースはほとんどありません。2番目のタイムラインは、最新の時代を拡大表示したものです。同様に、3番目のタイムラインでは最新の時代が、4番目のタイムラインでは最新の期間が、そして5番目のタイムラインでは最新の世が拡大表示されています。

（上記のタイムラインの横軸は百万年単位、下記のタイムラインの横軸は千年単位です。）

• 4.567 Ga (ギガアナム: 10億年前):太陽系の形成^{[ 31 ]}
• 4.54 Ga:地球の集積、または形成^{[ 32 ] [ 33 ]}
• 4.5 Ga:月形成衝突の提案^{[ 35 ]}
• c. 4 Ga:後期重爆撃の終結、最初の生命
• 約35億年前：光合成の開始
• 3.2～2.3  Ga：地殻が停滞蓋からプレートテクトニクスに移行^{[ 36 ]}
• 約23億年前：酸素を含む大気、最初のスノーボールアース
• 1.8–1.5  Ga :コロンビア超大陸^{[ 37 ]}
• 1,100–750 Ma  (メガアンナム: 100万年前):ロディニア超大陸^{[ 37 ]}
• 7億3000万年～6億3500 万年前：第二次スノーボールアース
• 650–540  Ma :パノティア超大陸^{[ 37 ]}
• 5億4100万± 30万 年前：カンブリア爆発― 硬体生物の爆発的な増加。最初の豊富な化石の出現。古生代の始まり。
• 約3億8000万年前：最初の脊椎動物の陸上動物が出現
• 300–180  Ma :パンゲア超大陸^{[ 37 ]}
• 2億5000万年前：ペルム紀-三畳紀絶滅– 陸上動物の90%が死滅。古生代の終わりと中生代の始まり。
• 6600万年前：白亜紀-古第三紀絶滅-恐竜が絶滅。中生代の終わりと新生代の始まり。
• 45～35  Ma：ヒマラヤ山脈が形成される^{[ 38 ]}
• 約700万年前：最初のヒト科動物が出現
• 390万年前：現代のホモ・サピエンスの直接の祖先である最初のアウストラロピテクスが出現
• 20万年前（キロアヌム：千年前）：東アフリカに最初の現代人ホモ・サピエンスが出現

月の歴史の時代区分は衝突事象の年代に基づいており、主要な衝突を定義づける名前が付けられています。したがって、インブリア紀はインブリウム海盆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ありましたが、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、形態学的および層序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わかります。^{[ 39 ]}

時代区分:

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ときに開発されました。地質学者は今日でも、地質史や地質学的出来事の時期に関する情報を提供する手段として、以下の原理を使用しています。^{[ 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、地質学的時間を通じてほぼ同じように作用してきたと述べている。^{[ 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、「現在は過去を解く鍵である」というものである。ハットンの言葉を借りれば、「地球の過去の歴史は、現在起こっていることが観察できることによって説明されなければならない」。^{[ 43 ]}

貫入関係の原理は、交差する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、ダイクなどがあります。^{[ 45 ]}

交差関係の原理は、断層の形成と、断層が切断する地層の年代に関係します。断層は、切断する岩石よりも新しいものです。したがって、断層が一部の地層を貫通しているが、その上にある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す。^{[ 42 ]}このような状況でキー層を見つけると、断層が正断層か逆断層かを判断するのに役立つ場合があります。^{[ 46 ]}

包有物と構成要素の原理によれば、堆積岩では、層中に包有物（または砕屑物）が見つかった場合、その包有物はそれを含む層よりも古いものであるはずです。 ^{[ 42 ]}例えば、堆積岩では、古い層の礫が剥ぎ取られて新しい層に取り込まれることはよくあります。火成岩でも、ゼノリスが見つかった場合、同様の状況が発生します。これらの異物はマグマや溶岩流として拾い上げられ、取り込まれ、後にマトリックス内で冷え固まります。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 ]}

原初水平性の原理は、堆積物の堆積は基本的に水平な層として起こると述べている。^{[ 42 ]}さまざまな環境における現代の海洋および非海洋堆積物の観察は、この一般化を裏付けている（斜交層理は傾斜しているが、斜交層理ユニットの全体的な向きは水平である）。^{[ 46 ]}

地層累重の原理は、地殻変動を受けていない堆積層は、その下の層よりも新しく、その上の層よりも古いというものである。論理的に、より新しい層が以前に堆積した層の下に滑り込むことはない。^{[ 42 ]}この原理により、堆積層は垂直方向のタイムラインの一種、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見ることができる。^{[ 46 ]}

動物相の遷移の原理は、堆積岩中の化石の出現に基づいています。生物は世界中で同じ時期に存在していたため、それらの存在または（場合によっては）不在によって、それらが出現する地層の相対的な年代がわかります。^{[ 42 ]}ウィリアム・スミスがチャールズ・ダーウィンの進化論の発表のほぼ100年前に提唱した原理に基づいて、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（堆積層の相変化）による化石タイプの局在、および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 ]}

地質学者は岩石試料や地質学的出来事の絶対年代を決定するために方法を用いる。これらは相対年代測定法と併用したり、相対年代測定法を較正するために用いられることがある。^{[ 50 ]}

20世紀初頭、放射性同位体やその他の方法を用いて地質学的出来事の正確な絶対年代を取得できるようになったことで、地質学の進歩が促進されました。これにより、地質年代の理解が変わりました。以前は、地質学者は化石と層序相関を用いて岩石の層を互いに相対的に年代決定することしかできませんでした。同位体年代測定法によって、岩石ユニットに絶対年代を割り当てることが可能になり、年代測定可能な化石層序にこれらの絶対年代を適用することで、古い相対年代を新しい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では、放射性元素の同位体比が鉱物中で測定され、岩石が特定の閉鎖温度（異なる放射性同位体が結晶格子に出入りしなくなる点）を通過してから経過した時間を示します。[ ^{52 ] [ 53 ]これら}は地質年代学および熱年代学の研究に使用されます。この目的に最も適した同位体システムには、ウラン-鉛、ルビジウム-ストロンチウム、カリウム-アルゴンなどがあります。^{[ 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使用されます。^{[ 55 ]}

地層シーケンス内で発見された溶岩および火山灰層の年代測定により、放射性同位体を含まない堆積岩ユニットの絶対年代データが得られ、相対年代測定法を較正することができます。^{[ 56 ]}これらの方法は、深成岩の貫入年代を決定するために使用できます。ランタニ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ます。^{[ 57 ]}他の方法は、より最近の出来事に使用されます。光刺激ルミネッセンスおよび宇宙線生成放射性核種年代測定は、表面および/または侵食速度の年代測定に使用されます。^{[ 58 ] [ 59 ]}年輪年代学は、景観の年代測定に使用できます。^{[ 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使用されます。^{[ 54 ]}

熱化学的手法を用いることで、地殻内部の温度分布、山脈の隆起、古地形などを特定することができる。

地質調査の野外作業は、作業内容によって異なります。典型的な野外作業には、以下のようなものが含まれます。

• 地質マッピング^{[ 73 ]}
  • 構造マッピング：主要な岩石ユニットの位置と、それらがその位置に形成された断層や褶曲を特定すること。
  • 地層マッピング：堆積相（岩相および生物相）の位置を特定すること、または堆積岩の等厚等層厚線をマッピングすること
  • 地表マッピング：土壌および地表堆積物の位置を記録する
• 地形の特徴の測量
  • 地形図の編集^{[ 74 ]}
  • 景観全体にわたる変化を理解するための取り組み。具体的には以下の通り。
    • 侵食と堆積のパターン
    • 河川の流路変化（移住と河道変更による）
    • 斜面プロセス
• 地球物理学的方法による地下マッピング^{[ 75 ]}
  • これらの方法には以下が含まれます。
    • 浅層地震探査
    • 地中探査レーダー
    • 航空磁気探査
    • 電気抵抗率トモグラフィー
  • これらは以下の点で役立ちます。
    • 炭化水素探査
    • 地下水を探す
    • 埋もれた考古学的遺物の発見
• 高解像度層序
  • 地表における地層断面の測定と記述
  • 井戸掘削と検層
• 生物地球化学と地球微生物学^{[ 76 ]}
  • サンプルの採取対象：
    • 生化学的経路を決定する
    • 生物の新種を特定する
    • 新しい化学化合物を特定する
  • そして、これらの発見を以下の目的で活用する：
    • 地球上の初期生命とその機能、代謝について理解する
    • 医薬品に利用できる重要な化合物を見つける
• 古生物学：化石資料 の発掘
  • 過去の生命と進化の研究のために
  • 博物館や教育機関向け
• 地質年代学および熱年代学のためのサンプルの収集^{[ 77 ]}
• 氷河学：氷河の特性とその動きの測定^{[ 78 ]}

岩石顕微鏡

交差偏光下での薄片

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

岩石学者は、野外で岩石を識別する（岩相学）ことに加えて、実験室で岩石サンプルを識別します。実験室で岩石を識別する主な方法の 2 つは、光学顕微鏡（偏光顕微鏡^{[ 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、岩石学者は偏光顕微鏡を使用して岩石サンプルの薄片を分析し、平面偏光と交差偏光におけるさまざまな特性、複屈折、多色性、双晶、およびコノスコープレンズによる干渉特性によって鉱物を識別できます。^{[ 81 ]}電子マイクロプローブでは、個々の場所の正確な化学組成と個々の結晶内の組成の変動が分析されます。^{[ 82 ]}安定同位体^{[ 83 ]}および放射性同位体^{[ 84 ]}の研究は、岩石ユニット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 ]}を使用したり、高温高圧の物理実験^{[ 86 ]}を実施したりすることで、さまざまな鉱物相が出現する温度と圧力、および火成作用^{[ 87 ]}や変成作用によってそれらが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、変成作用や火成岩の結晶化条件を理解するために現場に応用できます^{[ 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 ] 。}

構造地質学者は、岩石内部の構造を観察するために、方向付けされた地質試料の薄片の顕微鏡分析を使用し、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、断層や褶曲の方向をよりよく理解し、その地域の岩石変形の歴史を再構築するために、地質構造の測定値をプロットして組み合わせます。さらに、彼らは、大小さまざまな設定で岩石変形のアナログ実験と数値実験を行います。

構造の解析は、さまざまな特徴の向き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ることが多い。ステレオネットとは、球を平面に立体投影したもので、平面は線として、線は点として投影される。これらを用いて、褶曲軸の位置、断層間の関係、その他の地質構造間の関係を見つけることができる。^{[ 91 ]}

構造地質学で最もよく知られている実験の一つに、収束するテクトニックプレート境界に沿って山脈が形成されるゾーンである造山楔に関するものがある。 ^{[ 92 ]}これらの実験のアナログ版では、水平方向の砂の層が下面に沿ってバックストップまで引き込まれ、その結果、現実的な断層パターンと、臨界的にテーパー状になった（すべての角度が同じままの）造山楔の成長が生じる。^{[ 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、多くの場合、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、および時間による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 ]}

研究室では、地層学者は掘削コアなど、現場から持ち帰ることができる地層断面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を分析します。^{[ 97 ]}地球物理学的データと検層データを組み合わせることで、地下のより良いビューを作成することができ、地層学者はこれを3次元で行うためにコンピュータプログラムを使用することがよくあります。^{[ 98 ]}地層学者は、これらのデータを使用して、地球の表面で発生した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、炭化水素の採掘エリアを特定することができます。

実験室では、生物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調べます。^{[ 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、堆積の時期と速度の絶対的な範囲をより正確に把握するために、層序セクション内の岩石の年代を正確に測定します。^{[ 100 ]} 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逆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、岩石の安定同位体研究を行います。^{[ 96 ]}

経済地質学は、人類がさまざまなニーズを満たすために使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、さまざまな実用的な用途のために利益を上げて採掘される鉱物のことです。経済地質学者は、石油や石炭などの地球の天然資源、および鉄、銅、ウランなどの金属を含む鉱物資源の発見と管理を支援します。^{[ 105 ]}

石油地質学

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に存在するため、^{[ 114 ]}これらの盆地の形成、その堆積および構造的進化、および岩石ユニットの現在の位置を研究します。

工学地質学とは、工学的原理を工学実務に適用し、工学的構造物の位置、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対処されることを保証することを目的とする学問である。^{[ 115 ]}工学地質学は、特に北米では、地質工学とは区別される。

土木工学の分野では、構造物が建設される材料の力学的原理を解明するために、地質学的原理と分析が用いられます。これにより、トンネルが崩壊することなく建設でき、橋や超高層ビルを頑丈な基礎で建設でき、粘土や泥の上に建物が沈下することなく建設できます。^{[ 116 ]}

地質学と地質学的原理は、河川の復元、汚染された土地の復元、自然生息地と地質環境の相互作用の理解など、さまざまな環境問題に適用できます。地下水水文学、または水文地質学は、地下水の位置を特定するために使用され、^{[ 117 ]}汚染されていない水をすぐに供​​給できることが多く、特に乾燥地域で重要です。 ^{[ 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使用されます。^{[ 117 ] [ 119 ]}

地質学者は、地層、ボーリング孔、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 ]}は古気候復元に使用され、地質学者は地球全体の過去と現在の気温、降水量、海面水位を知ることができます。これらのデータセットは、観測データ以外で地球規模の気候変動に関する主要な情報源です。 ^{[ 122 ]}

地質学者や地球物理学者は、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（主にまたは気象学に関連するものとは対照的に）は次のとおりです。^{[ 124 ]}