地形学

地形学（古代ギリシャ語のγῆ , gê「地球」、μορφή , morphḗ「形状」、λόγος , logos「研究」に由来）^[2]は、地球の表面またはその近くで作用する物理的、化学的、または生物学的プロセスによって生成される地形および水深の特徴の起源と進化に関する科学的研究です。地形学者は、フィールド観察、物理的実験、数値モデリングの組み合わせを通じて、景観がそのように見える理由を理解し、地形と地勢の歴史とダイナミクスを理解し、変化を予測しようとします。地形学者は、自然地理学、地質学、測地学、工学地質学、考古学、気候学、土質工学などの分野で研究を行っています。この幅広い関心の基盤は、この分野内の多くの研究スタイルと関心に貢献しています。

地球の表面は、地形を形成する地表プロセスと、地殻変動による隆起や沈下を引き起こし、沿岸の地形を形成する地質プロセスの組み合わせによって変化します。地表プロセスには、水、風、氷、山火事、地球表面の生命の活動、土壌を形成し物質特性を変える化学反応、重力下での地形の安定性と変化率、その他の要因（ごく最近では）人間による地形の改変などがあります。これらの要因の多くは、気候によって大きく左右されます。地質プロセスには、山脈の隆起、火山の成長、地表高度の等圧変化（時には地表プロセスに反応して起こる）、地球の表面が下がって地形の他の部分から浸食された物質で満たされる深い堆積盆地の形成などがあります。したがって、地球の表面と地形は、気候、水文学、および生物学的作用と地質学的プロセスが交差する場所であり、言い換えれば、地球の岩石圏と水圏、大気圏、および生物圏が交差する場所である。

地球の広範囲にわたる地形は、地表と地下の作用が交差する様子を示している。山脈は地質学的プロセスにより隆起する。隆起の進んだ地域での削剥により堆積物が生じ、地形内の他の場所や海岸沖に運ばれて堆積する。 ^{[3]規模が小さくなるにつれて、同様の考え方が当てはまり、個々の地形は付加的プロセス（隆起と堆積）と減算的プロセス（}沈降と浸食）のバランスに応じて進化する。多くの場合、これらのプロセスは直接影響し合う。氷床、水、堆積物はすべて、屈曲性アイソスタシーを通じて地形を変化させる荷重である。地形は、例えば山岳性降水によって地域の気候を変化させることができ、これが今度は、地形が進化する水文レジームを変化させることで地形を変化させる。多くの地形学者は、地形プロセスによって媒介される気候とテクトニクス間のフィードバックの可能性に特に興味を持っている。^[4]

これらの大規模な質問に加えて、地形学者はより具体的またはよりローカルな問題に取り組んでいます。氷河地形学者は、モレーン、エスカー、氷河前縁湖などの氷河堆積物や氷河侵食地形を調査して、小規模氷河と大規模氷床の両方の年代学を構築し、それらの動きと景観への影響を理解します。河川地形学者は、河川がどのように堆積物を輸送し、景観を横切って移動し、岩盤に食い込み、環境や地殻変動に反応し、人間と相互作用するかに焦点を当てています。土壌地形学者は、土壌プロファイルと化学を調査して、特定の景観の歴史を学び、気候、生物相、岩石がどのように相互作用するかを理解します。他の地形学者は、丘の斜面がどのように形成され変化するかを研究します。さらに他の地形学者は、生態学と地形学の関係を調査します。地形学は、地球の表面とその変化に関連するすべてのものを含むと定義されているため、多くの側面を持つ広範な分野です。

地形学者は、その仕事で幅広い技術を使用します。これには、フィールドワークとフィールドデータの収集、リモートセンシングデータの解釈、地球化学分析、および地形の物理学の数値モデル化が含まれます。地形学者は、地質年代学に頼り、年代測定法を使用して表面の変化率を測定します。^{[5] [6]}地形測定技術は、地球の表面の形状を定量的に記述するために不可欠であり、差分GPS、リモートセンシングデジタル地形モデル、レーザースキャンなどがあり、定量化、研究、およびイラストや地図の生成に使用されます。^[7]

地形学の実際的な応用としては、危険評価（地滑りの予測や軽減など）、河川管理や河川の修復、海岸保全などがあります。

惑星地形学は、火星などの他の地球型惑星の地形を研究する学問です。風、河川、氷河、質量減少、隕石衝突、地殻変動、火山活動の影響の兆候が研究されます。^[8]この取り組みは、これらの惑星の地質学および大気史の理解を深めるだけでなく、地球の地形学的研究を拡張します。惑星地形学者は、他の惑星の表面の研究に役立てるために、地球の類似物を使用することがよくあります。^[9]

古代におけるいくつかの注目すべき例外を除けば、地形学は比較的新しい科学であり、19 世紀半ばに地球科学の他の側面への関心とともに成長しました。このセクションでは、地形学の発展における主要な人物と出来事のいくつかについて、ごく簡単に概説します。

地形と地球表面の進化の研究は、古代ギリシャの学者にまで遡ります。紀元前5世紀、ギリシャの歴史家 ヘロドトスは土壌の観察からナイル川のデルタが地中海に活発に拡大していると主張し、その年齢を推定しました。^{[11] [12]}紀元前4世紀、ギリシャの哲学者 アリストテレスは、 堆積物が海に運ばれるため、最終的には海が満たされ、陸地が下がると推測しました。これは、陸と水が最終的に場所を入れ替えることを意味し、その後、プロセスが無限のサイクルで再び始まると主張しました。^{[11] [13] 10世紀に}バスラでアラビア語で出版された「清浄兄弟百科事典」でも、岩が崩壊して海に流され、その堆積物が最終的に上昇して新しい大陸を形成するという、陸と海の周期的な位置の変化について論じられています。^[13]中世ペルシャのイスラム学者アブー・ライハン・アル・ビールーニー（973–1048）は、河口の岩石層を観察した後、インド洋がかつてインド全土を覆っていたという仮説を立てた。 [14] ドイツの冶金学者で鉱物学者のゲオルギウス・アグリコラ（1494–1555）は、1546年に著した『化石の自然について』で、浸食と自然風化について書いている。 [ ^{15 ]}

地形学のもう一つの初期の理論は、宋代の 中国の科学者で政治家であった沈括（1031-1095）によって考案されました。これは、太平洋から数百マイル離れた山の地層にある海洋化石の貝殻の観察に基づいています。崖の切り込みに沿って水平に走る二枚貝の貝殻に気づいた彼は、その崖はかつて先史時代の海岸であり、何世紀にもわたって数百マイル移動したという理論を立てました。彼は、温州付近の太行山脈と雁蕩山の奇妙な自然浸食を観察した後、山の土壌浸食とシルトの堆積によって土地が再形成され形成されたと推測しました。^{[16] [17] [18]}さらに、乾燥した北部の気候帯である兗州（現在の陝西省延安）の地中に古代の化石化した竹が保存されているのが発見されると、彼は何世紀にもわたる緩やかな気候変化の理論を推進した。 ^{[17] [19] [20]}以前の中国の著述家も地形の変化についての考えを提示した。西晋の学者官僚である杜裕（222–285）は、彼の業績を記録した2つの記念碑的な石碑が、1つは山​​のふもとに埋められ、もう1つは山頂に建てられており、丘や谷が時間の経過とともに相対的な位置を変えると予言した。^[13]道教の錬金術師である葛洪（284–364）は、東シナ海の領土はかつて桑の木で覆われた土地であったと不死の馬姑が説明する架空の対話を創作した。^[21]

地形学という用語は、1858年にドイツ語で書かれたラウマンの著作で初めて使用されたようです。キース・ティンクラーは、この言葉が英語、ドイツ語、フランス語で一般的に使用されるようになったのは、ジョン・ウェズリー・パウエルとWJ・マギーが1891年の国際地質学会議で使用した後であると示唆しています。 ^[22] ジョン・エドワード・マーは、著書『風景の科学的研究^』[23]で、自分の著書を「地質学と地理学の融合から生まれた主題である地形学の入門書」とみなしました。

初期の人気地形モデルは、ウィリアム・モリス・デイビスが1884 年から 1899 年にかけて開発した、広範囲の景観進化の地理的サイクルまたは侵食サイクル^{モデルでした。 [11]これは、}ジェームズ・ハットン(1726–1797)が最初に提唱した斉一説を詳細化したものです。 ^[24]たとえば、谷の形状に関して、斉一説は、川が平らな地形を流れ、徐々に深い谷を刻み、最終的に側谷が侵食されて、標高は低くなりますが、地形が再び平らになるという一連の流れを想定しました。その後、地殻隆起によってサイクルが再開されると考えられました。デイビスがこのアイデアを発展させてから数十年の間、地形学を研究する多くの人々が、今日「デイビス派」として知られるこのフレームワークに自分たちの研究結果を当てはめようとしました。^[24]デイビスのアイデアは歴史的に重要ですが、主に予測力と定性的な性質の欠如により、今日では大部分が置き換えられています。^[24]

1920年代、ヴァルター・ペンクはデイビスのモデルに代わるモデルを開発した。^[24]ペンクは、地形の進化は隆起と侵食の継続的なプロセスが交互に繰り返されると考える方が適切だと考えた。これは、隆起が一度だけ起こり、その後に崩壊するというデイビスのモデルとは対照的である。^[25]また、多くの地形では、斜面の進化はデイビス流の表面低下ではなく、岩石の後退によって起こると強調し、彼の科学は、特定の地域の表面の歴史を詳細に理解することよりも、表面のプロセスに重点を置く傾向があった。ペンクはドイツ人であり、彼のアイデアは、生前、英語圏の地形学界から激しく拒絶されることもあった。^[24]彼が早くに亡くなったこと、デイビスが彼の研究を嫌ったこと、そして彼の時々混乱を招く文体はすべて、この拒絶の一因となったと思われる。^[26]

デイヴィスとペンクはともに、地球表面の進化の研究を、これまでよりも一般化され、地球全体に関連する基盤に置こうとしていた。19世紀初頭、特にヨーロッパの著者は、地形の形状を地域の気候、特に氷河作用と周氷河作用の特定の影響に帰する傾向があった。対照的に、デイヴィスとペンクはともに、時間とともに変化する地形の重要性と、さまざまな条件下におけるさまざまな地形にわたる地球表面のプロセスの一般性を強調しようとしていた。

1900 年代初頭、地域規模の地形学の研究は「地形学」と呼ばれていました。^{[27]地形学は後に「}物理的」と「地理」の短縮形と見なされ、したがって自然地理学と同義となり、その概念は、その学問分野の適切な関心をめぐる論争に巻き込まれました。地形学者の中には、地形学の地質学的基礎に固執し、地形学地域の概念を強調する人もいましたが、地理学者の間では、地形学をその地質学的遺産から切り離した「純粋地形学」と同一視する傾向がありました。^[要出典]第二次世界大戦後の時期には、プロセス、気候、定量的研究の出現により、多くの地球科学者が、地形に対する記述的アプローチではなく分析的アプローチを示すために「地形学」という用語を好むようになりました。^[28]

19世紀後半の新帝国主義の時代に、ヨーロッパの探検家や科学者は世界中を旅して、風景や地形の記述を持ち帰った。時とともに地理知識が増すにつれ、これらの観察は地域的なパターンの探求において体系化された。こうして、気候は大規模な地形分布を説明する主な要因として浮上した。気候地形学の台頭は、ウラジミール・ケッペン、ヴァシリー・ドクチャエフ、アンドレアス・シンパーの研究によって予兆された。当時の代表的な地形学者ウィリアム・モリス・デイヴィスは、彼が提唱する「通常の」温帯気候の侵食サイクルを乾燥と氷河のサイクルで補完することで、気候の役割を認識した。^{[29] [30]}しかし、気候地形学への関心は、20世紀半ばまでに革新性に欠け、疑わしいと見なされていたデイヴィスの地形学に対する 反発でもあった。 ^{[30] [31]}初期の気候地形学は主にヨーロッパ大陸で発達しましたが、英語圏では1950年にLCペルティエが周氷河侵食サイクルについて出版するまでその傾向は明確ではありませんでした。^[29]

気候地形学は、1969年のレビュー記事でプロセス地形学者D.R.ストッダートによって批判された。^{[30] [32]}ストッダートの批判は「壊滅的」であることが証明され、20世紀後半の気候地形学の人気の衰退を引き起こした。^{[30] [32]ストッダートは、気候地形学が、}デイヴィス地形学と関連付けられ、地形気候帯間の地形の違いを確立するために、いわゆる「些細な」方法論を適用していること、そしてプロセスを支配している物理法則が世界中で同じであるという事実を無視しているとして批判した。 ^[32]さらに、気候地形学のいくつかの概念、たとえば、化学的風化は寒冷気候よりも熱帯気候でより急速であるという考えは、単純に真実ではないことが判明した。^[30]

地形学は、20世紀半ばにしっかりとした定量的な基盤を築き始めました。20世紀初頭のグローブ・カール・ギルバートの初期の研究に続いて、 ^{[11] [24] [25]}ウィリアム・ウォルデン・ルーベイ、ラルフ・アルジャー・バグノルド、ハンス・アルバート・アインシュタイン、フランク・アーナート、ジョン・ハック、ルナ・レオポルド、A・シールズ、トーマス・マドック、アーサー・シュトララー、スタンレー・シュム、ロナルド・シュリーブを含む主にアメリカの自然科学者、地質学者、水理技術者のグループが、川や丘陵の斜面などの景観要素の形状を、それらの側面について体系的かつ直接的に定量的に測定し、これらの測定のスケーリングを調査することで研究し始めました。^{[11] [24] [25] [34]}これらの方法により、現在の観察から景観の過去と将来の挙動を予測できるようになり、後に地形の問題に対する非常に定量的なアプローチという現代の傾向に発展しました。多くの画期的で広く引用されている初期の地形学研究は、米国地質学会紀要に掲載されましたが、^{[35] 2000年以前には引用数が少なく（これらは}「眠れる美女」の例です）、^[36]定量的な地形学研究が著しく増加しました。^[37]

定量的地形学には、流体力学、固体力学、地形測定学、実験室研究、現地測定、理論的研究、完全な景観進化モデリングが含まれます。これらのアプローチは、風化と土壌の形成、堆積物の輸送、景観の変化、気候、テクトニクス、侵食、堆積の相互作用を理解するために使用されます。^{[38] [39]}

スウェーデンでは、フィリップ・ヒュルストロームの博士論文「フィリス川」（1935年）に、地形学的プロセスに関する最初の定量的研究の1つが掲載された。彼の学生たちも同じような流れに倣い、物質輸送（アンダース・ラップ）、河川輸送（オーケ・スンドボルグ）、デルタ堆積（ヴァルター・アクセルソン）、沿岸プロセス（ジョン・O・ノルマン）に関する定量的研究を行った。これが「ウプサラ自然地理学派」へと発展した。^[40]

今日、地形学の分野は、非常に幅広いアプローチと関心を網羅しています。^[11]現代の研究者は、地球表面のプロセスを支配する定量的な「法則」を導き出すことを目指していますが、同時に、これらのプロセスが機能するそれぞれの地形と環境の独自性を認識しています。現代の地形学における特に重要な認識には、次のものがあります。

1) すべての景観が「安定」または「乱れた」状態にあるとは限らない。この乱れた状態は、ある理想的な目標形態から一時的にずれた状態である。代わりに、景観の動的な変化は、景観の本質的な一部であると考えられるようになった。^{[38] [41]}

2) 多くの地形システムは、その中で発生するプロセスの確率性、つまりイベントの規模と再来時間の確率分布の観点から理解するのが最も適切である。 ^{[42] [43]これは、景観に対する}カオス的決定論の重要性を示しており、景観の特性は統計的に考慮するのが最善である。^[44]同じ景観における同じプロセスが、必ずしも同じ最終結果につながるわけではない。

カルナ・リドマール・ベルグストロームによれば、 1990年代以降、地域地理学は地形学的研究の基礎として主流の学問では受け入れられなくなった。^[45]

気候地形学は重要性が低下しているにもかかわらず、関連研究を生み出す研究分野として存在し続けています。最近では、地球温暖化への懸念から、この分野への関心が再び高まっています。^[30]

かなりの批判があったにもかかわらず、侵食サイクルモデルは地形学の科学の一部であり続けている。^[46]このモデルや理論が間違っていることが証明されたことはないが、^[46]証明されたわけでもない。^[47]このモデルに内在する困難さから、地形学の研究はむしろ他の方向へ進むことになった。^[46]地形学におけるその論争の的となっている地位とは対照的に、侵食サイクルモデルは侵食年代学を確立するためによく使われるアプローチであり、したがって歴史地質学の科学において重要な概念である。^{[48]現代の地形学者}アンドリュー・グーディーとカルナ・リドマール・ベルグストロームは、その欠点を認めながらも、その優雅さと教育的価値をそれぞれ称賛している。^{[49] [50]}

地形学的に関連するプロセスは、一般的に、(1)風化と浸食によるレゴリスの生成、(2)その物質の輸送、(3) 最終的な堆積に分類されます。ほとんどの地形的特徴の原因となる主要な表面プロセスには、風、波、化学的溶解、質量減少、地下水の移動、表層水の流れ、氷河作用、地殻変動、火山活動などがあります。その他のより特殊な地形的プロセスには、周氷河（凍結融解）プロセス、塩分媒介作用、海流による海底の変化、海底からの流体の浸透、地球外からの衝突などがあります。

風成作用は風の活動、より具体的には地球の表面を形作る風の能力に関係する。風は物質を侵食、輸送、堆積させる可能性があり、植生がまばらで細かい未固結堆積物が大量にある地域では効果的な作用因子となる。ほとんどの環境では水と土砂の流れが風よりも多くの物質を移動させる傾向があるが、砂漠などの乾燥した環境では風成作用が重要である。^[51]

生物と地形との相互作用、すなわち生物地形学的プロセスは、さまざまな形で起こり、陸上の地形システム全体にとっておそらく非常に重要な意味を持っています。生物学は、化学的風化を制御する生物地球化学的プロセスから、穴掘りや樹木の倒壊などの機械的プロセスが土壌の発達に与える影響、さらには二酸化炭素のバランスによる気候の調整を通じて地球規模の侵食速度を制御することまで、非常に多くの地形学的プロセスに影響を与えることができます。地表プロセスの媒介における生物学の役割が明確に排除できる陸上の景観は非常にまれですが、火星などの他の惑星の地形を理解するための重要な情報を持っている可能性があります。^[52]

河川は水だけでなく堆積物の通路でもある。水は河床を流れる際に堆積物を動かし、掃流土砂、懸濁土砂、溶解土砂のいずれかとして下流に運ぶことができる。堆積物の運搬速度は堆積物自体の利用可能性と河川の流量に依存する。^[53]河川は自身の河床からだけでなく周囲の丘陵斜面と結合することによっても岩を侵食し新しい堆積物を形成することができる。このように、河川は非氷河環境における大規模な景観の進化の基盤レベルを設定するものと考えられている。^{[54] [55]}河川はさまざまな景観要素の連結性における重要なリンクである。

川は地形を流れるにつれて、一般的に規模が大きくなり、他の川と合流します。このようにして形成された川のネットワークが排水システムです。これらのシステムは、樹枝状、放射状、長方形、および格子状の 4 つの一般的なパターンを取ります。樹枝状は最も一般的なもので、下層地層が安定している (断層がない) 場合に発生します。排水システムは、排水流域、沖積谷、デルタ平野、および受流域という 4 つの主要な要素で構成されます。河川地形の地形的な例としては、扇状地、三日月湖、および河川段丘などがあります。

氷河は地理的に制限されているものの、景観を変える効果的な要因である。氷が谷を徐々に下って行くと、その下にある岩石が磨耗し剥がれる。磨耗によって氷河粉と呼ばれる細かい堆積物が生じる。氷河が後退するときに氷河によって運ばれる残骸はモレーンと呼ばれる。氷河の侵食は、河川起源のV字谷とは対照的に、U字谷の原因である。^[56]

氷河作用が他の景観要素、特に丘陵斜面や河川作用とどのように相互作用するかは、多くの高山環境における鮮新世・更新世の景観進化と堆積記録の重要な側面である。比較的最近まで氷河作用があったが、もはや氷河作用はなくなった環境は、氷河作用がなかった環境と比較して、依然として景観変化率が高い可能性がある。過去の氷河作用によって条件付けられた非氷河地形学的プロセスは、準氷河作用と呼ばれる。この概念は、氷や霜の形成または融解によって直接駆動される周氷河作用とは対照的である。^[57]

土壌、表土、岩石は、重力の力により、地滑り、地滑り、地滑り、地滑り、崩落などにより斜面を下って移動します。このような土砂崩れは、陸上斜面と海底斜面の両方で発生し、地球、火星、金星、タイタン、イアペトゥスで観測されています。

進行中の斜面プロセスは斜面表面のトポロジーを変化させ、その結果、それらのプロセスの速度を変化させる可能性があります。特定の臨界閾値まで急勾配になった斜面は、非常に大量の物質を非常に迅速に流失する可能性があるため、斜面プロセスは地殻変動が活発な地域の景観にとって非常に重要な要素となっています。^[58]

地球上では、穴掘りや木の倒壊などの生物学的プロセスが、いくつかの丘陵斜面プロセスの速度を決定する上で重要な役割を果たしている可能性がある。^[59]

火山性（噴火性）火成作用と深成性（貫入性）火成作用はどちらも地形に重要な影響を及ぼす可能性があります。火山の活動は地形を若返らせ、古い地表を溶岩や火山灰で覆い、火砕物を放出し、川に新しい経路を通らせる傾向があります。噴火によって形成された円錐丘は、他の地表プロセスの影響を受ける可能性のある、かなり新しい地形も形成します。貫入して深部で固まる深成岩は、新しい物質がそれが置き換える岩石よりも密度が高いか低いかによって、地表の隆起または沈下を引き起こす可能性があります。

地殻変動が地形に与える影響は、数百万年から数分以下のスケールまでさまざまです。地殻変動が景観に与える影響は、その下にある岩盤の性質に大きく依存しており、岩盤の性質が、地殻変動がどのような地形を形作るかを多かれ少なかれ制御しています。数分間で地震が発生すると、広大な土地が水没し、新たな湿地が形成されます。アイソスタシーの回復は、数百年から数千年にわたる大きな変化の原因となる可能性があり、山脈の侵食によって、山脈から質量が除去されて山脈が隆起するため、さらに侵食が促進されます。長期的なプレートテクトニクスのダイナミクスにより、造山帯が形成されます。造山帯は、通常、寿命が数千万年にも及ぶ大規模な山脈で、河川作用や斜面作用が活発に行われ、長期にわたる堆積物生成の拠点となります。

プルームや下部リソスフェアの剥離などの深部マントルダイナミクスの特徴も、地球の地形の長期的（> 百万年）、大規模（数千km）な進化に重要な役割を果たしているという仮説が立てられている（動的地形を参照）。どちらも、より高温で密度の低いマントル岩石が地球深部でより低温で密度の高いマントル岩石を置き換えるため、アイソスタシーを通じて地表の隆起を促進する可能性がある。^{[60] [61]}

海洋プロセスは、波、海流、海底からの流体の浸透の作用に関連するプロセスです。また、海洋地形学のいくつかの側面では、土砂崩れや海底地滑りも重要なプロセスです。 ^[62]海盆は陸上堆積物の大部分の最終的な沈降場所であるため、堆積プロセスとそれに関連する形態（例えば、堆積扇状地、デルタ）は海洋地形学の要素として特に重要です。

地形学と他の分野の間には、かなりの重複があります。物質の堆積は堆積学において極めて重要です。風化は、大気または地表近くの物質にさらされた地球の物質の化学的および物理的破壊であり、通常、土壌科学者と環境化学者によって研究されますが、そもそも移動可能な物質を提供するものであるため、地形学の不可欠な要素です。土木および環境エンジニアは、特に運河、斜面の安定性（および自然災害）、水質、沿岸環境管理、汚染物質の移動、および河川の修復に関連して、侵食と堆積物の輸送に関心を持っています。氷河は、短期間で広範囲にわたる侵食と堆積を引き起こす可能性があるため、高緯度では非常に重要な存在であり、山から生まれた川の源流の状況を設定することを意味します。したがって、氷河学は地形学において重要です。

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• ウィキメディア・コモンズの地形学に関連するメディア
• 地理的サイクル、あるいは侵食のサイクル（1899）
• 宇宙からの地形学（NASA）
• 英国地形学会