カルスト

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、上部のポレや、地下の陥没穴や洞窟を伴う排水システムなどの特徴があります。^{[1] [2]適切な条件が整えば、カルストは}珪岩などの耐風化性の高い岩石にも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]

地下水が流れ込むことで地表水が制限され、河川や湖はほとんどまたは全く存在しない。溶解した岩盤が（おそらくは瓦礫によって）覆われているか、1つ以上の重なり合った不溶性の岩層によって閉じ込められている地域では、特徴的なカルスト地形が地下レベルでのみ発生し、地上ではまったく見られないことがある。^[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]

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、水文学的特徴を表すために用いられた。ディナルアルプスはイタリア北東部の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と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る。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。

現地の南スラヴ語族では、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* korsъから転化して、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]}などの形になり、形容詞形kraškiは16世紀に初めて確認されました。^[13]固有名詞として、スロベニア語の形Grastは1177年に初めて確認されました。 ^[14]

結局のところ、この単語は地中海起源である。また、この単語はインド・ヨーロッパ祖語の語源であるkarra-「岩」から派生した可能性もあると示唆されている。 ^{[15]この名前は、}プトレマイオスが引用した地名 Kar(u)sádios orosと関連している可能性があり、おそらくラテン語のCarusardiusとも関連していると思われる。^{[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の現象を説明するために、ヨーロッパの学者にカルストという言葉を導入した。^[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年の著書『カルスト現象』では、カレン、ドリーネ、ポリェスなどの地形について説明している。^[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として登場しました。以前は、洞窟探検家と呼ばれる人々の活動は科学というよりもスポーツのようなものとして軽視されており、そのため、地下のカルスト洞窟とそれに関連する水路は科学的観点からはあまり研究されていませんでした。^[18]

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、この岩は層が薄く、非常に割れ目が多い。カルスト地形は、白亜質岩では典型的には十分に発達していない。これは、白亜質岩が高密度というよりはむしろ多孔質であるため、地下水の流れが割れ目に沿って集中しないからである。カルスト地形は、谷が深く入り組んだ高地や降雨量が中程度から多い地域など、地下水位が比較的低い地域でも最も発達している。このため、地下水が急速に下方へと移動し、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、岩盤の溶解が停止する。^{[19] [20]}

カルスト地形を形成する炭酸は、雨が大気圏を通過する際に二酸化炭素（CO2 ）を吸収_して生成され、水に容易に溶解する。雨が地表に達すると、土壌を通過し、土壌呼吸によって生成される追加のCO2を供給する可能性がある。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する。^[21]石灰岩溶解の主な反応シーケンスは次の通りである。^[22]

非常に稀な状況では、酸化が役割を果たすことがあります。酸化は、米国ニューメキシコ州の古代レチュギラ洞窟の形成に大きな役割を果たしており^{[23] 、現在イタリアの}フラサッシ洞窟でも活発に起こっています^[24]。

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 1 つになり得ます。酸素(O ₂ ) 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 )が形成されます。硫酸は次に炭酸カルシウムと反応し、石灰岩層内の浸食が進みます。この一連の反応は次のとおりです。

この反応連鎖により石膏が形成される。^[25]

地形のカルスト化により、地表と地下の両方にさまざまな大規模または小規模の特徴が生じることがあります。露出した表面の小さな特徴には、溶解溝 (またはリレンカレン)、溝、石灰岩の舗装(クリントとグリク)、カメニツァ(総称してカレンまたはラピエスと呼ばれる) などがあります。中規模の表面の特徴には、陥没穴またはセノーテ(閉じた盆地)、垂直の縦坑、フォイベ(逆漏斗状の陥没穴)、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、ポレ、カルスト谷などがあります。基盤岩が残骸よりも多く除去され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ります。地表の下には、複雑な地下排水システム（カルスト帯水層など）や広大な洞窟や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、平均海面かそれよりわずかに上の生物活動または生物侵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。

水に溶けた炭酸カルシウムは、水に溶けた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。泉から流れ出る川は、長い時間をかけて堆積した方解石の層からなる石灰華台地を形成することがあります。洞窟では、炭酸カルシウムとその他の溶解鉱物の堆積によって、総称して洞窟生成物と呼ばれるさまざまな特徴が形成されます。

層間カルストは、不溶性の岩石の覆いの下に発達したカルスト地形である。典型的には、溶解中の石灰岩層の上に砂岩の覆いが重なる。例えば英国では、南ウェールズのセフン・ユル・イストラッド、ミニッド・ランガトゥグ、ミニッド・ランギニドルで、隠れた石炭紀の石灰岩の上にあるトゥルチ砂岩の覆いを横切って広大なドリーネ地帯が発達しており、最後の地域は、それに関する特別な科学的関心のある場所と宣言されている。 ^[27]

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、強い河川侵食作用を受けていない多数の円錐状の丘陵がある。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生します。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]

カルスト地域には独特の森林がある傾向がある。カルスト地形は人間が通行するのが難しいため、生態系は比較的乱されていないことが多い。土壌はpH値が高い傾向があり、珍しい種類のラン、ヤシ、マングローブ、その他の植物の成長を促します。^[30]

古カルストまたはパレオカルストは、地質学の歴史で観察され、岩石層内に保存されたカルストの発達であり、事実上、化石カルストです。たとえば、南ウェールズの石炭紀石灰岩層のクライダック渓谷サブグループ内に露出している古カルスト表面は、その時代初期の堆積のない期間に最近形成された石灰岩の地上風化が起こったために発達しました。堆積が再開され、さらに石灰岩の地層が不規則なカルスト表面に堆積し、長期間にわたる海面の変動に関連してこのサイクルが数回繰り返されました。^[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(オーストラリア、ビクトリア州のラバトゥーシュ洞窟など)、および古地形の崩壊地形などがあります。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文学的特徴を持ち、その結果多くの珍しい特徴が生まれます。カルスト窓は、地下水が岩の層の間から表面に現れ、ある程度の距離を流れ落ちた後、しばしば陥没穴の中に消えていくときに発生します。

カルスト地帯の川は、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。その場合、「7つの名前を持つ川」 であるリュブリャニツァのように、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）下ったところで再び穏やかな水たまりとなっ て上昇します。

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

メイン記事帯水層#カルスト

カルスト帯水層は、典型的には石灰岩で発達する。天然炭酸を含む表層水は、石灰岩の小さな亀裂に流れ込む。この炭酸は徐々に石灰岩を溶かし、亀裂を拡大する。拡大した亀裂には大量の水が入り込み、開口部が次第に拡大する。多数の小さな開口部には大量の水が蓄えられる。大きな開口部は、帯水層から泉に水を排出する導管システムを形成する。^[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}水層試験や電位差測定マッピングなどの従来の水文地質学的手法は、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は、均一な多孔性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を明らかにした。^[35]

直線状の河川や陥没穴などの地表地形の直線的な配列は、断層跡に沿って発達する。断層跡や断層跡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量は、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、染料トレースでカルスト帯水層の地下水流量が0.5～7マイル/日（0.8～11.3 km/日）と測定された。^[38]地下水流量が速いため、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高く、汚染物質の濾過の機会が少ないため、 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。なぜなら、水は牛の牧場の陥没穴から妨げられることなく流れ出ており、多孔質の帯水層で通常行われる濾過を回避している可能性があるからです。陥没穴は、農場や地域のゴミ捨て場としてよく使用されています。カルスト地形の浄化槽が過負荷になったり故障したりすると、未処理の下水が地下水路に直接流れ込む可能性があります。

^{[アップデート]}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]

カルスト地域での農業では、地表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、降雨量も十分かもしれませんが、雨水はすぐに割れ目を通って地中に浸透し、雨が降らない間は表土が乾いた状態になることがあります。

カルスト地形は、人間の居住地にも特有の困難をもたらす。陥没穴は、地表の開口部が拡大するにつれて徐々に発達するが、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多い。このような出来事は、家屋、牛、車、農業機械を飲み込んだ。米国では、2014年に、このような洞窟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の国立コルベット博物館のコレクションの一部が飲み込まれた。 ^[40]

世界最大の石灰岩カルストはオーストラリアのヌラーボー平原である。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、米国東部のハイランド・リム西部はカルスト陥没穴の危険性が2番目に高い地域である。^{[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陥没穴の地域があります。 ^[43]メキシコでは、ユカタン半島とチアパスに重要なカルスト地域があります。^[44]アイルランド西部には、カルスト石灰岩地域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は、ユネスコの世界遺産に登録されています。

カルストに関する用語の多くは南スラブ語に由来しており、西バルカン半島の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。

• アビメは、カルスト地形にある非常に深い垂直の縦坑で、通常は地下通路のネットワークに通じています。
• セノーテはメキシコ特有の深い陥没穴で、石灰岩の岩盤が崩壊して地下水が露出したためにできたものである。
• ドリーネは、陥没穴とも呼ばれ、カルスト地帯の地下に水が溜まる閉鎖された窪地です。「ドリーネ」という名前は、「谷」を意味するdolinaに由来し、南スラヴ語に由来しています。
• フォイベ、逆漏斗状の陥没穴
• カルスト窓（「カルスト窓」とも呼ばれる）は、一時的に泉が湧き出るものの、その水が近くの陥没穴に突然消えてしまう地形である。
• カルスト泉、カルスト地形から湧き出る泉で、地表に水の流れを生み出す。
• 石灰岩舗装、人工舗装に似た、露出した石灰岩の平坦な刻み目の表面からなる地形。
• 南スラブ語では、失われる流れ、沈む川、またはポノルニツァと呼ばれます。
• ポリェ（カルストポリェ、カルスト平原）は、特にカルスト平原と呼ばれる広大な平原です。ポリェという言葉は南スラブ語に由来しています。
• Ponor は、南スラヴ語のestavelle 、シンク、または陥没穴と同じで、地表水が地下システムに入る場所
• イングランドの地域にある、多孔質で不規則なカルスト地形のスコール。
• ターロー湖（ターラック湖）は、アイルランドのカルスト地形に特徴的な消失湖の一種です。
• ウヴァラは、複数の小さな陥没穴が集まって複合陥没穴を形成した場所です。この用語は南スラブ語に由来しています。

カルスト地域のさまざまな側面を研究することをカルスト学といいます。カルスト地域におけるさまざまな空間的および時間的スケールでの生物学的、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を含み、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て、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。^[45]

• 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 年、ISBN 978-94-007-1206-5 
• Vermeulen, JJ、Whitten, 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。

• 洞窟形成ネットワーク、物理的な洞窟学とカルスト科学研究のためのコミュニケーション プラットフォーム
• 洞窟形成とカルスト帯水層 2010-04-23 にWayback Machineでアーカイブ– カルスト関連用語の大規模な用語集
• Acta Carsologica – カルストに関連するあらゆる分野の研究論文とレビュー
• CDK Citizens of the Karst – Citizens of the Karst はプエルトリコのカルストの保護に取り組む非営利 NGO です (英語サイトあり)
• バーチャル洞窟のカルスト地形のページ
• カルスト情報ポータル - 科学者、管理者、探検家を結びつけるオープンアクセスのデジタルライブラリ