トンネル渓谷

トンネル谷は、もともとは南極大陸を覆っている大陸氷床の縁近くの氷河氷の下にできたU字型の谷で、かつては氷河期にすべての大陸の一部を覆っていたものです。^[1]トンネル谷は長さ100km（62マイル）、幅4km（2.5マイル）、深さ400m（1,300フィート）にもなります。

トンネル谷は水による氷河下の浸食によって形成され、大量の融解水を運ぶ氷河下の排水路として機能した。その断面はフィヨルドの壁のような急峻な側面を呈することが多い。現在では乾燥した谷、湖、海底の窪地、堆積物で満たされた地域として現れている。堆積物で満たされている場合、下層は主に氷河、氷河河川、氷河湖沼堆積物で満たされ、上層は温帯の堆積物で補完されている。^[2]トンネル谷は、アフリカ、アジア、北アメリカ、ヨーロッパ、オーストラリア、北海、大西洋の沖合、南極付近の海域など、かつて氷河の氷床で覆われていた地域で見られる。

トンネル谷は、トンネルチャネル、氷河下谷、氷河、スネークコイル、線状切込み など、さまざまな用語で技術文献に登場します。

トンネル谷は、アラビアと北アフリカの石油が豊富な地域を特定する役割を果たしています。そこにあるオルドビス紀後期からシルル紀前期の物質には、およそ 20 メートル (66 フィート) の厚さの炭素に富んだ黒色頁岩層が含まれています。世界の石油の約 30% は、これらの頁岩堆積物から発見されています。これらの堆積物の起源はまだ研究中ですが、頁岩は、ヒルナンティアン氷河期によって現在から約 4 億 4500 万年前に堆積した氷河および氷河海洋堆積物を定期的に覆っていることが立証されています。頁岩は、浅い海洋環境の氷河融解水の栄養分増加に関連しています。したがって、トンネル谷の存在は、これらの地域に石油が存在することを示す指標です。^[3]

トンネル谷は、氷河から排出される融解水のかなりの部分を占めています。融解水の排出は氷河の氷の流れに影響を与え、氷期と間氷期の期間を理解する上で重要であり、古環境調査にとって重要な問題である氷河の周期性を特定するのにも役立ちます。^[4]

トンネル谷は、通常、岩盤まで浸食され、さまざまな大きさの氷河堆積物で満たされています。この構造により、水を捕らえて貯留するのに優れています。そのため、北ヨーロッパ、カナダ、米国の多くの地域で帯水層として重要な役割を果たしています。例としては、オークリッジ モレーン帯水層、スポケーン バレー - ラスドラム プレーリー帯水層、マホメット帯水層、サギノー ローブ帯水層、コーニング帯水層などがあります。

トンネル谷は開いた谷として、または部分的にまたは完全に埋もれた谷として観察されています。埋もれた場合は、氷河の流出物やその他の堆積物で部分的にまたは完全に満たされている可能性があります。谷は岩盤、砂、シルト、または粘土に刻まれている可能性があります。^[1]

トンネル谷の一部は上り坂になっていることがある。密閉されたパイプ内で水が圧力を受けている場合、水は上り坂を流れることがある。例えば、ドッガーランド（現在は北海底の一部となっている水没した土地）には、アウターシルバーピットの窪地を北から南に横切って流れる埋め立てられたトンネル谷がいくつかある。^[5]

トンネルの水深や幅は様々で、デンマークの例では幅0.5～4km（0.31～2.49マイル）、深さ50～350m（160～1,150フィート）となっている。トンネルの水深は経路に沿って変化し、過度に深くなっている。過度に深くなっている部分は岩盤に食い込み、通常は同じトンネル谷の上流または下流のセクションよりもかなり深くなっている。側面は急勾配で、しばしば非対称となっている。^[1]

トンネル谷には、互いに平行で独立した比較的直線的な個々のセグメントが含まれることが多い。トンネル谷のコースは定期的に中断される可能性があり、中断には高くなったエスカーの区間が含まれる場合があり、これは水路が氷の中を長い距離走っていたことを示している。地下セクションの長さは通常 5～30 km (3.1～18.6 マイル) であるが、場合によってはセクションが 70～100 km (43～62 マイル) に及ぶ一連の窪みからなる中断された水路のより大きなパターンを形成する。^[1]

上流部分（氷河の最奥部）は、ネットワークを形成する分岐システムで構成されており、川の上流域の吻合分岐パターン（樹枝状パターンとは対照的）に似ています。通常、流路の中央で最大の断面積を示し、比較的短い距離で氷河縁の高くなった流出扇状地で終わります。^[1]

トンネル谷は地域の勾配を横切ることが分かっており、その結果、現代の河川網によって横断される可能性があります。ある例では、カラマズー川の支流が、氷と瓦礫で満たされた埋没トンネル水路をほぼ直角に横切っています。^{[6]これらは}後退モレーンで終わることがよくあります。連続した氷河作用によって形成されたトンネル谷は、互いに横断することもあります。^[7]

トンネル谷は、大体平行に走っていることが多い。トンネル谷は、氷河による浸食が明らかに認められる地域に起源を持ち、その地域を流れており、条線や岩山が見られることもある。終末部には、末端モレーンや流出扇状地などの堆積形態が見られる。[ 1 ]^ミシガン州では、トンネル谷の流路がわずかに分岐していることが観測されており、流路間の平均間隔は 6 km (3.7 マイル)、標準偏差は 2.7 km (1.7 マイル) である。^[8]

トンネル谷の水路は、突然始まったり、突然終わったりすることが多い。その縦断的プロファイルは上向きに凸型になっている。その水路は、しばしば不適合な川の細長い湖で占められている。エスカーなどの後続堆積の痕跡がよく見られる。^[8]

証拠によれば、トンネル谷の侵食は主に水の流れによるものである。侵食は融解水によって起こるが、融解水は氷河下の湖や貯水池から繰り返しヨークルス川に流れ込み、時折流れ出ると主張されている。このような動きの例は南極で観察されている。岩盤の線状の縞模様など氷の侵食の証拠はあるものの、これらは最も広い谷でのみ観察され、二次的な役割を果たしたと考えられている。^[1]

谷底トンネルの氷河下レイアウトは、主に氷河の氷流線と平行に向いており、基本的には厚い氷床の領域から薄い氷床の領域に向かって伸びています。圧力をかけた融解水が氷河床に沿った尾根や丘などの障害物を越えて流れると、逆勾配を呈することもあります。^[9]

トンネル谷は、極端に厚い氷河の下に形成されることがあります。その例は、スペリオル湖の底や南極の沖合の海で観察されています。トンネル谷の経路は通常、最も厚い氷河から氷河の縁まで伸びています。その結果、氷河の氷が水を加圧し、水は端に向かって上り坂に流れます。^[1]

トンネル谷の形成における融解水の役割については合意が得られていますが、その融解水の役割についてはまだいくつかの理論が検討中です。

• 定常状態理論 – ボールトンとハインドマーシュは定常状態理論を提唱している。彼らは、融解水が圧力を受けて最初は狭い氷河下の導管を流れるときに、未固結堆積物にトンネル谷が形成されると示唆している。融解水によって堆積物が徐々に除去されると、氷は自身の重さで空洞に変形し、正のフィードバック機構によってトンネル谷を形成する。^[10]
• ヨークルフラウプによる侵食 – ピオトロフスキーは、氷床は場合によっては寒冷地である可能性があると主張している。つまり、氷床は凍った陸地（永久凍土）に接触し、永久凍土まで凍りつくのである。この凍った氷の末端の後ろには融解水が溜まり、十分な圧力がかかって氷を持ち上げて結合を破壊し、アイスランドの ヨークルフラウプで見られるような壊滅的な融解水​​の放出が起こる。このヨークルフラウプの結果として、トンネル状の谷が形成される。^[11]
• 氷河上流の侵食 - ウィングフィールドは、氷河後退期に谷底が徐々に氷河上流の源に向かって削られ、トンネル谷が徐々に形成されると提唱している。 ^[12]

東南極氷床の下にある氷底湖の間で氷底水が定期的に噴出することが観測されている。衛星データでは、1年未満の期間に約260 km（160マイル）を移動した合計2 km ^{3 （0.48 cu mi）の氷底流出が記録されている。流れがおさまると、氷の重みでトンネルが閉じ、湖は再び封鎖された。 [13]}水の流れは、氷と堆積物のチャネル形成を考慮して適切にモデル化された。解析モデルによると、一部の地域では、堆積基質の浸食によってチャネルが形成され、流出が維持されない限り、氷と岩盤の形状に凍結して流れを遮断するセクションが含まれていた。^[14]したがって、このデータと解析をアイスランドのヨークルスラウプ観測と組み合わせると、定常モデルの特徴を備えた何らかの形のヨークルスラウプ仮説が正しいという実験的証拠が得られる。

氷河下の融解水の流れはすべての理論に共通しているため、水路形成を理解する鍵は氷河下の融解水の流れを理解することです。融解水は氷河表面 (氷河上)、氷河の下 (氷河基底)、またはその両方で生成されることがあります。融解水は氷河上または氷河基底のいずれかに流れることもあります。氷河上および氷河基底の水の流れの特徴は、通過ゾーンによって異なります。氷河上の流れは、すべての表面環境における水の流れに似ています。つまり、水は重力の影響を受けて高い場所から低い場所に流れます。氷河基底の流れには大きな違いがあります。氷河基底の流れでは、基底で融解して生成された水、または重力によって表面から下方に引き込まれた水は、数百メートルの氷で覆われたポケット内の氷河基底の池や湖に集まります。表面に排水経路がない場合、表面の融解水は下方に流れて氷の割れ目に集まり、基底の融解水は氷河の下に集まります。どちらの水源でも氷河下湖が形成されます。氷を通り抜ける水が流れるにつれて、湖底に溜まった水の水頭は増加し、圧力が十分に高くなると氷を貫通する道が形成されるか、氷が氷の上に浮かぶようになります。[ 4 ^{] [9]}

温帯氷河および亜極地氷河の水源と排水経路は十分に理解されており、トンネル谷を理解するための基礎となっている。これらの氷河では、氷河上の水は氷河の表面を横切って溜まったり川になったりして、氷河の垂直の割れ目（ムーラン）を流れ落ちる。そこで、地熱によって作られた氷河下の水と合流し、水の一部は氷河の下の帯水層に流れ込む。堆積物や不浸透性の岩盤を地下水として排水できない余分な氷河下の水は、氷河の下の堆積層に浸食された水路（ナイ水路と呼ばれる^[15]）または氷河の氷に向かって上向きの水路（ロスリスバーガー水路と呼ばれる）を通って移動し、最終的に氷の縁から流れ出る。最も単純なレベルでは、トンネル谷はこれらの現象の大規模版と考えることができる。^[16]

トンネル谷またはトンネルチャネルは、氷河氷の下の融解水の流れによって形成されます。トンネル谷は、氷の前進と後退の期間中に堆積物の蓄積によって埋もれたり、部分的に埋もれたりすることがよくあります。^[9]

定常状態理論は堆積物中に観察されているナイチャネルの形成をスケールアップしているので魅力的だが、その弱点は、トンネル谷を未固結堆積物中に掘削する必要があることである。その場合、融解水は最初は狭い氷河下の導管を通り抜ける。融解水による堆積物の侵食が進むと、氷は自身の重さで空洞内に変形し、ますます大きなトンネル谷を形成する。しかし、定常状態理論は、広範囲に観察されている岩盤への侵食を考慮していないようである。^[17]

融解水の流出は断続的であるという証拠がある。^[13]これは、水が集まり続けるにつれて、より多くの氷が持ち上がり、拡大する氷の下の湖で水が外側に移動するからである。氷が最も簡単に持ち上がる地域（すなわち、上にある氷床が薄い地域）が最初に持ち上がる。したがって、水が上にある氷の低い地域に向かって移動すると、氷河の下の地形を上方に移動する可能性がある。^[18]水が集まるにつれて、放出経路が形成されるまで、追加の氷が持ち上がる。

既存の水路が存在しない場合、水は最初に幅の広いヨークルスラウプに放出され、その流頭は数十キロメートルに及ぶこともあり、薄い流頭に広がる。流頭が続くと、水は下層の物質と上層の氷を侵食し、水路を形成する傾向があるが、圧力の低下により氷河氷の大部分が下層の表面に戻って沈降し、広い流頭の放出が封鎖され、水路が形成される。水路の方向は、主に上層の氷の厚さ、次に下層の土の勾配によって定義され、氷の圧力によって水が氷の少ない地域に押し出され、氷河面に現れるまで「上り坂」をたどる様子が観察される。したがって、特定の氷河作用によって形成されたさまざまなトンネル谷の形状は、特に氷河下の元々の表面起伏が限られていた場合には、トンネル谷が形成された時点の氷河の厚さの概略図を提供する。^{[4] [9]}

ピオトロフスキーの分析によると、典型的な集水域の年間生産量6億4200万m ³ (2.27 × 10 ¹⁰ 立方フィート) は、通常48時間以内に関連するトンネル谷を通って排水される。^[11]トンネル内やトンネルの入り口で見つかる残骸は粗い岩や玉石である傾向があり、これは流速が高く、非常に侵食しやすい環境であることを示しています。この侵食しやすい環境は、南極で観察されているように、深さ400メートル (1,300フィート)、幅2.5キロメートル (1.6マイル) を超えるトンネルの形成と一致しています。^[9]ピオトロフスキーのモデルは、次のようなサイクルを予測しています。

1. 融解水は地熱の熱によって生成される。氷河期最盛期には表面融解水は最小限に抑えられるため考慮されず、また、表面水は氷河の100メートル（330フィート）以上浸透しないという証拠もある。^[11]
2. 融解水はまず氷河下の帯水層を通って排出される。^[11]
3. 基質の水力透過率が超過すると、氷河下の融解水が盆地に蓄積します。^[11]
4. 前回の放水後にトンネル谷間に溜まった氷の閉塞を解消するのに十分な水が溜まった。^[11]
5. トンネル谷は過剰な融解水を排出します。乱流により過剰な氷が溶けたり浸食され、谷底も浸食されます。^[11]
6. 水位が下がると圧力も下がり、トンネルの谷が再び氷で閉じて水の流れが止まります。^[11]

トンネル谷は、陸上で形成されたか水中環境で形成されたかに関係なく、同様の特徴を持っています。これは、厚い氷床の下の高圧水によって形成されるためです。水中環境でも、トンネル谷を侵食して陸上で生成されるものと同等の形状にするのに十分な圧力があります。^[17]

氷河の後退に応じて、トンネル谷は開いたまま、部分的に埋まったまま、または完全に埋まったままになることがあります。埋まった構成が重要なのは、埋まったトンネル谷が水（帯水層）または石油の優れた貯留層となるためです。これは、比較的粗粒の砂岩が谷底と谷縁に位置し、谷底にあるためです。これは、粗粒の堆積物はより容易に沈殿し、トンネル谷の埋没段階に共通する流水に優先的に蓄積されるためです。^[17]

氷河下のトンネル谷ネットワークは、もともと氷河の縁の近くに形成されました。トンネル谷は、氷河後退時に融解水が放出された結果、堆積物で満たされる可能性があります。トンネル谷が満たされる主な方法は2つあります。最初の例では、流れによって運ばれた堆積物が沈殿してトンネル谷に蓄積します。その後、氷が十分に後退すると、氷の前面の水深に応じて、海洋堆積物が堆積する可能性があります。^[17]

トンネル谷の堆積記録は、氷河後退時の融解水の流出量と堆積負荷によって左右される。トンネル谷で見つかった堆積物は、それが潮汐環境、遷移環境、または排水の良い本質的に乾燥した環境のいずれで堆積したかを知る手がかりとなる。氷河海洋環境では、氷河に関連した堆積物が、氷河のない潮汐地域の堆積物と類似したものと交互に重なり、潮汐環境では引き波が優勢な扇状地が見られる。遷移環境は、デルタ環境における海洋生物と淡水生物の混合を特徴とする。本質的に乾燥した環境では、氷河の流れが堆積物を運び、それが河床に蓄積するのと同程度になる。^[17]

氷河内の氷の流れは、降水によって蓄積された氷の量と融解によって失われた氷の量との不均衡と地理的特徴の組み合わせによって生じる氷河表面の傾斜の増加によって生じます。傾斜の増加により、氷河が流れ始めるまで、氷河にかかるせん断応力が増加します。流速と変形は、氷の傾斜、氷の厚さ、温度によっても影響を受けます。

プンカリは、大陸氷床は典型的には扇形のローブ状に流れ、別々の源から集まり、異なる速度で移動すると特定した。ローブは、より薄い氷の覆いを持つローブ間領域によって分離されている。水はこのローブ間領域に集まる。氷が薄い領域では水頭（圧力）が低いため、氷河下の水はローブ間接合部に集まる傾向がある。個々のローブは異なる速度で移動し、氷の境界で摩擦が発生する。放出された熱が氷を溶かし、さらに水を放出する。ローブ間領域の表面にはクレバスがあり、氷の表面から下層に流れ落ちる表面融解水が氷に浸透する。その結果、ローブ間領域では氷の流れのパターンと堆積物が異なっている。具体的には、トンネル谷とエスカーは、そこに運ばれ堆積した堆積物の結果として隆起したローブ間領域に向かう水の流れを示している。^[19]

氷河によって形成されたトンネル谷は、あらゆる大陸で確認されています。

後期オルドビス紀の氷河作用に関連するトンネル谷は、リビアを含む北アフリカ諸国で観察されている。^[20]これらの大規模なチャネル充填砂岩体（トンネル谷）は、古い北ゴンドワナ大陸縁辺部の氷河関連堆積物の顕著な堆積学的特徴である。それらの深さは10〜200メートル（33〜656フィート）、幅は500〜3,000メートル（1,600〜9,800フィート）に及ぶ。トンネル谷は岩盤に刻み込まれており、長さ2〜30キロメートル（1.2〜18.6マイル）にわたって追跡することができる。一例では、西サハラのモーリタニアでは、北ゴンドワナ大陸棚の後期オルドビス紀の珪質氷河の特徴と堆積物に、トンネル谷として識別される刻み込まれたチャネルが含まれている。充填されたトンネル谷は数キロメートルの長さと数百メートルの幅がある。復元の結果、これらの構造物は氷河の氷縁地域に位置していたと結論付けられ、谷の断面は氷河期に形成されたと確認されたものと類似しており、谷はトンネル谷に似た扇状地で終わっており、その充填はトンネル谷に見られる典型的な後氷河期のものである。^[21]

南アフリカでは、南アフリカのケープ州北部でペルム紀-石炭紀のトンネル渓谷系が確認されている。 ^[22]

現在、南極の氷の下ではトンネル谷の活発な形成が観察されている。^{[4] [9]}

オルドビス紀後期には、ゴンドワナ大陸東部は氷床に覆われていました。その結果、ヨルダンとサウジアラビアには地域的に広がる充填されたトンネル谷構造が見られます。^[3]

西オーストラリア州カルグーリー近郊の露天掘り金鉱山では、後期古生代ピルバラ氷床の下に形成されたティライトと頁岩で満たされた、氷河に侵食された広大な谷網が露出している。^[23]

トンネル谷とそれに関連する氷河の影響は、ロシア、ベラルーシ、ウクライナ、ポーランド、ドイツ、北フランス、オランダ、ベルギー、イギリス、フィンランド、スウェーデン、デンマーク、ノルウェーで確認されている。^[24]これらはデンマーク、北ドイツ、北ポーランドで詳細に研究されており、これらの地域では、スカンジナビア山脈から流れ下ったヴァイクセル氷河期とそれ以前の氷河期の厚い氷床が、スカンジナビア上空の氷河の蓄積の高度によって駆動され、北ヨーロッパの斜面を上昇し始めた。その配置は、形成時の氷の流れの方向を示している。^{[1] [25]}これらはイギリスで広く発見されており、たとえばチェシャー州からいくつかの例が報告されている。 ^{[11] [26]}これらは北海の下でも発見されている。^[27]

トンネル谷に形成された湖の例としては、ルッピナー湖（ブランデンブルク州オストプリグニッツ＝ルッピンにある湖）、ヴェルベリン湖、シュヴィーロッホ湖などがあり、いずれもドイツにあります。

オカナガン湖は、ブリティッシュコロンビア州のオカナガン渓谷にある大きく深い帯状の湖で、コルディレラ氷床のオカナガンローブのトンネル谷に形成された。湖の長さは135 km（84マイル）、幅は4〜5 km（2.5〜3.1マイル）、表面積は351 km ²（136平方マイル）。^[28]アイダホ州北部とモンタナ州では、コルディレラ氷床のパーセルローブとフラットヘッドローブの下でトンネル谷が形成された証拠が見られる。^[29]アルバータ州南東部のトンネル谷は、セージクリーク、ロスト川、ミルク川からなる相互接続された分岐ネットワークを形成し、一般的に南東に流れている。^[30]

トンネル谷は、ミネソタ州、ウィスコンシン州、ミシガン州のローレンタイド氷床の縁で観察されています。^[35]ミネソタ州の岩盤トンネル谷の例には、ウォーレン滝川や、その形成源となった氷河によって堆積するまでその下深くに横たわっているいくつかの谷がありますが、ミネアポリスの湖沼群やセントポールの湖沼や乾燥谷など、多くの場所でその痕跡をたどることができます。

オンタリオ州のカワーサ湖はウィスコンシン後期の氷河期に形成された。ナイアガラ断崖からの氷河融解物は氷河の下のトンネル谷を通って流れ、拡大してローレンタイド氷床本体とオンタリオ湖盆地の氷塊の間に西から東への通路を形成した。^[36]

シーダー クリーク キャニオンは、インディアナ州アレン郡にあるトンネル状の渓谷です。セント ジョセフ川の最大の支流であるシーダー クリークの下流部分の一部を含む、深さ約 50 ～ 100 フィート (15 ～ 30 メートル) の非常にまっすぐで狭い峡谷です。

カナダ東部沖のローレンシャン海峡では、セントローレンス川の水没谷に由来する多数のトンネル谷が確認されている。この川も氷河起源である。トンネル谷の堆積物の地震反射プロファイルは、それらの年代が様々であることを示しているが、最も新しいものは後期氷期極大期の直後のものである。これらは、ノバスコシア沖の東スコシア棚を横切る氷河下の水による浸食によって生じたものである。これらは、キャボット海峡の南にあるローレンシャン海峡に由来する。さらに、地震プロファイルは、後期中新世の水路が深く埋まっていることを示している。その一部は、現代の海面下 1,100 メートル (3,600 フィート) にあり、外ローレンシャン海峡の東部を横切っており、これも暫定的にトンネル谷であると判定されている。地震プロファイルは、バンクローバンクとセーブルアイランドバンクの大きなトンネル谷もマッピングしている。^[37]

ペリト・モレノ氷河は南パタゴニア氷原の南部に位置し、アルヘンティーノ湖に流れ込んでいる。この氷河はアルヘンティーノ湖をロス・テンパノス水路とリコ支流に分け、水路を塞いで氷のダムを形成している。アルヘンティーノ湖は定期的に決壊し、最初はトンネルを通って排水されるが、その後天井が崩壊して開いた水路を形成する。^[38]

地球の歴史上、5 つの氷河期が知られています。現在、 地球は第四紀氷河期を経験しています。5 つの氷河期のうち 4 つの時期に形成されたトンネル谷が確認されています。

• レドヨム
• ムーラン（地形学）
• 蛇のコイル（地質学）