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カルスト（/ kɑːrst /）は、石灰岩やドロマイトなどの溶解性炭酸塩岩の溶解によって形成される地形です。カルストは、地上のポリエや、地下のシンクホールや洞窟のある排水系などの特徴を持ちます。[ 1 ] [ 2 ]適切な条件が整えば、石英岩などの風化に強い岩石でもカルストが発生する可能性があるという証拠がいくつかあります。 [ 3 ]
地下排水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場合がある。溶解した岩盤が（おそらく堆積物によって）覆われている、あるいは1つ以上の不溶性の岩層によって囲まれている地域では、特徴的なカルスト地形は地下レベルでのみ発生し、地上では全く見られない場合がある。[ 4 ]
古カルスト（地層柱に埋没したカルスト）の研究は、世界の炭化水素埋蔵量の最大50％が炭酸塩岩中に存在し、その多くが多孔質のカルスト系に存在するため、石油地質学において重要である。[ 5 ]
英語のkarstという単語は、 19世紀後半にドイツ語のKarstから借用されました[ 6 ]。ドイツ語のKarstはそれよりずっと前にドイツ語で使われるようになり[ 7 ] 、イタリア北東部のトリエステ市から南西スロベニア、東アドリア海沿岸のバルカン半島を経てコソボと北マケドニアにまで広がるディナルアルプス山脈に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使われていました。カルスト地帯は最北西端にあり、初期の地形調査ではイタリアとスロベニアの間の高原として記述されていました。
南スラヴ語では、この単語のすべてのバリエーションはローマ化されたイリュリア語の基底（ラテン語: carsus、ダルマチア語: carsusとなる）から派生し、後にスラヴ語で再構築された形* korsъからスロベニア語: kras [ 8 ]やセルビア・クロアチア語: krš、kras , [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]のような形に音位転換され、18 世紀に初めて確認され、形容詞形kraški は16 世紀に確認された。[ 13 ]固有名詞としては、スロベニア語のGrast が1177 年に初めて確認された。[ 14 ]音位転換されていない形（ -ar-付き）を保持している現代語には、イタリア語: Carso、ドイツ語: Karst、アルバニア語: karsti がある。
最終的に、この言葉は地中海起源である。また、この言葉はインド・ヨーロッパ祖語の語根* karra-「岩」に由来する可能性も示唆されている。[ 15 ]この名前は、プトレマイオスが引用したオロニムKar(u)sádios orosや、おそらくラテン語のCarusardiusとも関連している可能性がある。[ 13 ] [ 14 ]
スロベニアのカルスト研究の先駆者であり、ロンドン王立協会の会員であったヨハン・ヴァイハルト・フォン・ヴァルヴァソルは、1689年にツェルクニツァ湖に関する記述の中で、川の地下流現象を説明するためにカルストという言葉をヨーロッパの学者に紹介した。[ 16 ]
ヨヴァン・ツヴィイッチはカルスト地域の知識を大きく進歩させ、「カルスト地形学の父」として知られるようになった。主にバルカン半島のカルスト地域について論じたツヴィイッチの1893年の著作『カルスト現象』では、カレン、ドリーネ、ポリエなどの地形について記述している。[ 5 ] 1918年の著作では、ツヴィイッチはカルスト地形の発達に関する循環モデルを提案した。 [ 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確立されました。それ以前は、洞窟探検家（洞窟探検家）の活動は科学というよりスポーツに近いものとして軽視されていたため、地下のカルスト洞窟とその関連水路は、科学的な観点からは十分に研究されていませんでした。[ 18 ]
カルストは、石灰岩のような薄層で亀裂の多い緻密な炭酸塩岩で最も強く発達します。白亜は緻密ではなく多孔質であるため、地下水の流れが亀裂に沿って集中しないため、白亜ではカルストはあまり発達しません。カルストはまた、谷が深く刻まれた高地など、地下水位が比較的低い場所や、降雨量が中程度から多い場所で最も強く発達します。これにより、地下水が急速に下方へ移動し、岩盤の溶解が促進されますが、滞留地下水は炭酸塩鉱物で飽和し、岩盤の溶解が停止します。[ 19 ] [ 20 ]
カルスト地形の原因となる炭酸は、雨が地球の大気中を通過する際に二酸化炭素（CO₂ ）を取り込むことで形成され、 CO₂は水に容易に溶解します。雨が地面に到達すると、土壌呼吸によって生成された追加のCO₂を供給する土壌を通過することがあります。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、これが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な反応シーケンスは次のとおりです。[ 22 ]
ごくまれな状況では、酸化が役割を果たすことがあります。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ージャ洞窟の形成において重要な役割を果たしました[ 23 ] 。また、現在イタリアのフラサッシ洞窟でも酸化が活発に行われています[ 24 ] 。
硫化物の酸化による硫酸の生成も、カルスト地形形成における腐食要因の一つとなり得る。酸素を豊富に含む地表水が深部の無酸素カルスト系に浸透すると、酸素が供給され、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（H₂SO₄）を生成する。硫酸は炭酸カルシウムと反応し、石灰岩層の浸食を促進する。この一連の反応は以下の通りである。
地形のカルスト化は、地表および地下に大小さまざまな地形をもたらす可能性があります。露出した地表には、溶食溝（またはリルンカルレン）、水路、石灰岩の舗装（クリントとグライク）、カメニツァなど、カルレンまたはラピエと呼ばれる小さな地形が見られます。中規模の地表地形には、シンクホールまたはセノーテ（閉鎖盆地）、垂直の竪穴、フォイベ（逆漏斗状のシンクホール）、消える小川、再び現れる泉などがあります。
大規模な地形としては、石灰岩の舗装、ポリエ、カルスト谷などが挙げられる。岩盤が除去されて残存岩盤よりも多くなった成熟したカルスト地形では、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る。地表下では、複雑な地下排水システム（カルスト帯水層など）や広大な洞窟や鍾乳洞システムが形成されることがある。[ 19 ]
特に熱帯地方の石灰岩海岸沿いの浸食は、カルスト地形を生み出し、そこには通常の海面より上の鋭いマカテア面や、平均海面と同じか少し上の海面における生物活動や生物侵食の結果生じたアンダーカットが含まれる。[ 26 ]これらの地形の最も劇的な例のいくつかは、タイのパンガー湾やベトナムのハロン湾で見ることができる。
水に溶け込んだ炭酸カルシウムは、水が溶存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。湧水から流れ出る川は、長期間にわたって堆積した方解石の層からなる石灰華段丘を形成することがあります。洞窟内では、炭酸カルシウムやその他の溶存鉱物の沈殿によって、鍾乳石と呼ばれる様々な地形が形成されます。
層間カルストは、不溶性の岩石の被覆の下に発達したカルスト地形です。通常、これは溶解している石灰岩層の上に砂岩の被覆がある状態です。たとえば、英国では、南ウェールズのセフン・イル・イストラド、ミニッド・ランガトウグ、ミニッド・ランギニドルに、隠れた石炭紀石灰岩の上にトゥルチ砂岩の被覆の上に広大なドリーネ地帯が発達しており、最後の場所は、その点に関して特別な科学的関心のある場所として宣言されています。 [ 27 ]
ケーゲルカルストは、多数の円錐形の丘がコックピット、モゴテ、ポリエによって形成され、強い河川侵食作用を受けない熱帯カルスト地形の一種です。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、ベトナムで見られます。[ 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。地表の窪みや崩落を引き起こし、地質災害の原因となる可能性があります。[ 29 ]
カルスト地域には独特な種類の森林が存在する傾向がある。カルスト地形は人間が通行しにくいため、その生態系は比較的手つかずのままであることが多い。土壌はpH値が高く、珍しい種類のラン、ヤシ、マングローブ、その他の植物の生育を促進する傾向がある。[ 30 ]
古カルストまたは古カルストとは、地質史において観察され、岩石層の中に保存されているカルストの発達であり、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のクライダック渓谷亜層群には、この時代の初期の非堆積期に最近形成された石灰岩の地表風化が起こった結果として形成された古カルスト面が露出している。堆積が再開され、さらに石灰岩層が不規則なカルスト面に堆積し、このサイクルは長期間にわたる海面変動に関連して何度も繰り返された。[ 31 ]
擬似カルストは、形状や外観がカルスト地形に似ているものの、形成メカニズムが異なる地形です。例としては、溶岩洞窟や花崗岩の岩塔（例えば、オーストラリアのビクトリア州にあるラバートゥーシュ洞窟） 、古地崩落地形などが挙げられます。泥洞窟は擬似カルストの一例です。
カルスト地形は独特の水理特性を持ち、多くの珍しい地形を生み出します。カルスト窓（カルスト・フェンスター）は、地下水が岩盤層の間から地表に湧き出し、ある程度の距離を流れ落ちた後、再び地下に潜り込み、しばしば陥没穴に流れ込むことで形成されます。
カルスト地形の川は、何度も地下に潜り、別の場所で再び湧き出ることがある。その際、リュブリャニツァ川のように「七つの名前を持つ川」という意味で、別の名前で呼ばれることもある。
もう一つの例は、ワイオミング州フレモント郡のポポ・アギー川です。シンクス・キャニオン州立公園内の「ザ・シンクス」と呼ばれる場所では、川はマディソン石灰岩として知られる地層の洞窟に流れ込み、その後、峡谷を下って800メートル（1/2マイル）の穏やかな水たまりで再び上昇します。
ターローとは、アイルランドのカルスト地帯に見られる独特な季節湖の一種で、地下水系からの年間を通じた湧水によって形成される。
カルスト帯水層は一般的に石灰岩中に形成されます。天然の炭酸を含む地表水が石灰岩の小さな亀裂に流れ込みます。この炭酸は徐々に石灰岩を溶解し、亀裂を拡大させます。拡大した亀裂にはより多くの水が流入し、開口部が徐々に拡大します。多数の小さな開口部には大量の水が貯留されます。より大きな開口部は、帯水層から湧水へと水を排出する導水路システムを形成します。[ 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、シンクホール、スワレット、シンクストリーム、および湧水の位置を特定するための現地調査が必要です。[ 33 ]： 4帯水層試験や電位差マッピングなどの従来の水文地質学的手法では、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、染料トレーサー、湧水流量の測定、および水質化学分析で補完する必要があります。[ 34 ]米国地質調査所の染料トレーサーにより、孔隙率が均一に分布していると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ました。[ 35 ]
直線状の河川や陥没穴などの地表地形は、断層線に沿って直線状に配列する。断層線または断層線の交点に井戸を掘削すると、良質な水が得られる可能性が高まる。[ 36 ]カルスト帯水層の空隙は、破壊的な崩壊や地表面の沈下を引き起こし、汚染物質の壊滅的な放出につながるほど大きくなることがある。 [ 37 ] : 3–4
カルスト帯水層における地下水流速は、多孔質帯水層における流速よりもはるかに速い。例えば、エドワーズ帯水層内のバートン・スプリングスでは、染料トレーサーを用いた測定により、カルスト地下水流速は1日あたり0.5～7マイル（0.8～11.3 km/日）と測定されている。[ 38 ]この速い地下水流速のため、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
カルスト地形の地下水も、地表の河川と同様に汚染されやすい。なぜなら、カルスト地形は空洞が多く透水性が高いため、汚染物質がろ過される機会が少なくなるからである。
井戸水も安全でない場合があります。牛の放牧地にある陥没穴から水がそのまま流れ出ている場合、多孔質の帯水層で通常行われるろ過作用を経ずに水が流れ込んでいる可能性があるからです。陥没穴は、農場や地域のごみ捨て場として利用されることもよくあります。カルスト地形にある浄化槽が過負荷になったり、機能不全を起こしたりすると、未処理の下水が直接地下水路に流れ込むことがあります。
地質学者は、人間の活動がカルスト水文学に及ぼすこれらの悪影響を懸念しており、2007年時点で世界の飲料水需要の約25％を供給した。[ 39 ]
カルスト地帯での農業は、地表水の不足を考慮しなければならない。土壌は十分に肥沃で、降雨量も十分であっても、雨水は地割れを通ってすぐに地中に浸透してしまうため、雨が降らない時期には地表の土壌が乾燥してしまうことがある。
カルスト地形は、人間の居住者にとっても特有の困難をもたらします。地表の開口部が拡大するにつれて陥没穴が徐々に形成されることがありますが、洞窟の天井が突然崩落するまで、進行性の浸食はしばしば目に見えません。このような出来事によって、家屋、牛、車、農機具などが飲み込まれてきました。米国では、2014年に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コレクションの一部が、このような洞窟の陥没穴の突然の崩落によって飲み込まれました。 [ 40 ]
世界最大の石灰岩カルストはオーストラリアのヌラボー平原である。スロベニアは世界で最も陥没穴のリスクが高い地域であり、米国東部のハイランド・リム西部はカルスト陥没穴のリスクが2番目に高い。 [ 41 ] [ 42 ]
カナダのノースウェスト準州にあるウッドバッファロー国立公園には、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形があります。[ 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、雲南省にまたがる中国南部のカルスト地形は、ユネスコの世界遺産に登録されています。
カルスト地形に関連する用語の多くは南スラブ語に由来し、西バルカン半島のディナル・アルプス山脈のカルスト地形に関する初期の研究を通じて科学用語として取り入れられた。
カルスト地域のさまざまな側面を研究することは、カルスト研究[ 45 ]、カルスト科学[ 46 ] 、またはカルスト学[ 47 ]と呼ばれます。これには、カルスト帯水層と生態系、および地表と地下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できるようにするために、カルスト地域のさまざまな空間的および時間的スケールにわたる生物学的、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ます[ 48 ] 。著名なカルスト研究者には、ヨヴァン・ツヴィジッチとウィリアム・モリス・デイビスがいます。
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