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洞窟や鍾乳洞は地球の表面下の自然の空洞であり[ 1 ]、他の岩石惑星（例えば火星）でも観測されている。洞窟は岩石の風化によって形成されることが多く、地下深くまで伸びていることがある。外因性洞窟は、比較的短い距離だけ地下に伸びる小さな開口部（岩陰など）である。開口部の幅よりも地下深くまで伸びている洞窟は内因性洞窟と呼ばれる。[ 2 ] [ 3 ]
洞窟学とは、洞窟とその環境のあらゆる側面を探求し研究する科学である。レクリエーション目的で洞窟を訪れたり探検したりすることは、ケービング、ポトホーリング、またはスペランキングと呼ばれることがある。
洞窟の形成と発達は洞窟形成として知られており、数百万年かけて起こることがあります。[ 4 ]洞窟の大きさは様々で、さまざまな地質学的プロセスによって形成されます。これには、化学プロセス、水による浸食、地殻変動、微生物、圧力、大気の影響の組み合わせが含まれる場合があります。同位体年代測定法は洞窟の堆積物に適用でき、現在の洞窟を形成し形作った地質学的イベントの時間スケールを決定することができます。[ 4 ]
上層の岩石の圧力により、洞窟は地表から垂直方向に3,000 メートル (9,800フィート)を超えることはできないと推定されています。ただし、これは洞窟の最大深度を規定するものではありません。洞窟の最大深度は、最も高い入口から最も低い地点までを計測します。なぜなら、最も低い地点より上にある岩石の量は、その上の地形によって決まるからです。カルスト洞窟の場合、最大深度は、溶解性炭酸塩岩の基底と一致するカルスト形成プロセスの下限に基づいて決定されます。[ 5 ]ほとんどの洞窟は、石灰岩の溶解によって形成されます。[ 6 ]
洞窟は、活動洞窟と遺存洞窟の対比など、他の方法でも分類できます。活動洞窟には水が流れていますが、遺存洞窟には水は流れていませんが、水が溜まっている場合があります。活動洞窟の種類には、流入洞窟（「流れが流れ込む」）、流出洞窟（「流れが流れ出る」）、貫通洞窟（「流れが貫通している」）などがあります。[ 7 ]
溶解洞窟、またはカルスト洞窟は、最も頻繁に発生する洞窟です。このような洞窟は、溶解しやすい岩石に形成されます。ほとんどは石灰岩に発生しますが、白亜、ドロマイト、大理石、塩、石膏などの他の岩石にも発生することがあります。塩洞窟を除き、溶解洞窟は、地層面、断層、節理、および同様の地形を浸透する地下水に含まれる天然の酸によって岩石が溶解することによって形成されます。時間の経過とともに亀裂が拡大し、洞窟や洞窟系へと発展します。
溶解洞窟の中で最大かつ最も多く見られるのは石灰岩地帯です。石灰岩は、炭酸（H₂CO₃）と天然の有機酸を含んだ雨水や地下水の作用によって溶解します。この溶解過程によって、陥没穴や地下排水路を特徴とするカルスト地形と呼ばれる独特の地形が形成されます。石灰岩の洞窟には、ゆっくりとした沈殿によって形成された炭酸カルシウムの結晶がしばしば見られます。これらには、流石、鍾乳石、石筍、らせん状石灰岩、ソーダストロー、柱状石灰岩などがあります。洞窟内のこれらの二次鉱物堆積物は、鍾乳石と呼ばれます。
溶解洞窟のうち、地下水位または局所的な地下水位より下にある部分は浸水する。[ 8 ]
ニューメキシコ州のレチュギージャ洞窟と近隣のカールズバッド洞窟は、現在では別のタイプの溶解洞窟の例と考えられています。これらの洞窟は、地下の油田から硫黄ガスを放出する硫化水素（H₂S）ガスが上昇することによって形成されました。このガスは地下水と混ざり合い、硫酸（H₂SO₄）を生成します。そして、この酸が地表から浸透する酸性水によって、上からではなく下から石灰岩を溶解したのです。
周囲の岩石と同時に形成された洞窟は、一次洞窟と呼ばれます。
溶岩洞は火山活動によって形成され、最も一般的な一次洞窟です。溶けた溶岩が下り坂を流れると、表面が冷えて固い外殻を形成します。この外殻は内部を外の冷たい空気から遮断し、熱い溶岩がその下で流れ続けることを可能にします。ほとんどの溶岩が流れ出すと、空洞の管が残ります。このような洞窟は、カナリア諸島、済州島、アイダホ州東部の玄武岩平原、その他の場所で見られます。ハワイ州ヒロ近郊のカズムラ洞窟は、非常に長く深い溶岩洞で、長さは65.6 km (40.8マイル)です。
溶岩洞窟には溶岩管が含まれますが、それだけにとどまりません。火山活動によって形成されるその他の洞窟には、裂け目、溶岩型、開いた垂直導管、膨張性水疱などがあります。[ 9 ]
海食洞は世界中の海岸沿いに見られます。特に沿岸洞窟は、海食崖の脆弱な部分に波の作用によって形成されます。これらの脆弱な部分は断層であることが多いですが、岩脈や層理面の接触面である場合もあります。波食によって形成された洞窟の中には、その後の隆起によって海面より上に出ているものもあります。タイのパンガー湾などでは、溶食によって形成された洞窟が海水に浸食され、現在は沿岸侵食を受けています。海食洞の長さは一般的に5～50メートルですが、300メートルを超えるものもあります。
侵食洞窟とは、岩石やその他の堆積物を運ぶ流れによる侵食によって完全に形成される洞窟のことです。これらは、花崗岩などの硬い岩石を含むあらゆる種類の岩石に形成される可能性があります。一般的に、断層や節理など、水を導くための弱帯が必要です。侵食洞窟のサブタイプとして、風によって運ばれた堆積物によって削られた風洞または風成洞窟があります。[ 9 ]溶解プロセスによって最初に形成された多くの洞窟は、活発な流れや川が通過する場所で、その後侵食または不飽和帯拡大の段階を経ることがよくあります。[ 10 ]
氷河洞窟は、氷河内部および氷河下を流れる氷と水が溶けることによって形成されます。これらの空洞は、氷の非常にゆっくりとした流れの影響を受け、再び崩落する傾向があります。氷河洞窟は「氷の洞窟」と誤って呼ばれることがありますが、後者の用語は、一年を通して氷の形成物を含む岩盤洞窟に対してのみ使用されるのが適切です。
亀裂洞窟は、石膏などの溶解性の高い鉱物の層が、溶解性の低い岩石の層の間から溶け出すときに形成されます。これらの岩石は亀裂を生じ、岩塊となって崩れ落ちます。[ 11 ]
崖錐洞窟は、崖の基部などでランダムに積み重なった大きな岩塊の間の開口部によって形成されます。[ 12 ]これらの不安定な堆積物は崖錐または岩屑と呼ばれ、頻繁に落石や地滑りが発生することがあります。
アンキアライン洞窟は、淡水と塩水（通常は海水）が混ざった水を含む、通常は海岸沿いの洞窟です。世界各地に存在し、高度に特殊化した固有種の動物相が生息していることがよくあります。[ 13 ]
洞窟は世界中に存在するが、記録に残っている洞窟系の分布は、長年にわたり洞窟探検が盛んな国々（フランス、イタリア、オーストラリア、イギリス、アメリカなど）に大きく偏っている。そのため、探検済みの洞窟はヨーロッパ、アジア、北アメリカ、オセアニアに広く分布している一方、南アメリカ、アフリカ、南極大陸にはまばらにしか存在しない。
これは大まかな一般論であり、北米やアジアの広大な地域には記録された洞窟が全く存在しない一方で、マダガスカルの乾燥落葉樹林やブラジルの一部地域には多くの洞窟が記録されている。洞窟探検家によって世界の溶解性岩盤が調査されるにつれて、記録された洞窟の分布は変化する可能性が高い。例えば、中国は世界の露出した石灰岩の約半分（100万平方キロメートル以上）を占めているにもかかわらず、記録された洞窟は比較的少ない。
洞窟に生息する動物は、洞窟限定種（troglobites ）、洞窟性種（ troglophiles、洞窟内で一生を過ごせるが、他の環境にも生息する種）、洞窟性種（ trogloxenes、洞窟を利用するが、洞窟内で生活環を完全に完了できない種）、および偶発種（上記のいずれのカテゴリーにも属さない動物）に分類されることが多い。一部の著者は、水生種に対して別の用語（例えば、stygobites、stygophiles、stygoxenes）を使用している。
これらの動物の中で、洞窟性動物はおそらく最も珍しい生物でしょう。洞窟性動物は、地下生活への適応に関連した、洞窟形態と呼ばれる多くの特徴を示すことがよくあります。これらの特徴には、色素の喪失（多くの場合、淡色または白色の体色になる）、眼の喪失（または少なくとも視覚機能の喪失）、付属肢の伸長、その他の感覚の強化（水中の振動を感知する能力など）が含まれます。絶滅危惧種のアラバマ洞窟エビなどの水生洞窟性動物（または地下水棲動物）は、洞窟内の水域に生息し、洞窟に流れ込んだ堆積物やコウモリなどの洞窟生物の糞から栄養を得ています。その他の水生洞窟性動物には、洞窟魚類や、ホライモリやテキサス盲サンショウウオなどの洞窟サンショウウオが含まれます。
Oligaphorura (旧Archaphorura ) schoettiなどの洞窟性昆虫は、体長1.7ミリメートル（0.067インチ）に達する洞窟性昆虫である。分布域は広く、かなり広範囲にわたって研究されている。標本のほとんどは雌であるが、1969年にセント・カスバート・スワレットで雄の標本が採集された。
ハイイロコウモリやメキシコオヒキコウモリなどのコウモリは洞窟性で、しばしば洞窟内で見られますが、洞窟の外で餌を探します。洞窟に生息するコオロギの中にも、昼間は洞窟で休息し、夜になると地上で餌を探すため、洞窟性に分類される種があります。
洞窟生態系の脆弱性と、洞窟地域が互いに孤立している傾向があることから、洞窟には、歯洞窟グモ、リフィスティウス・トラップドアグモ、ハイイロコウモリなど、多くの絶滅危惧種が生息している。
洞窟には、人間を含む多くの地上動物が訪れる。しかし、光や食料が不足しているため、こうした滞在は通常比較的短期間にとどまる。
洞窟の入り口には、典型的な植物相が見られることが多い。例えば、アメリカ合衆国東部の温帯地域では、洞窟の入り口には、シストプテリス・ブルビフェラ（Cystopteris bulbifera ）という球根シダが最も頻繁に（そしてしばしば密集して）生育している。
人類は歴史を通じて洞窟を利用してきた。洞窟で発見された最古の人類化石は、南アフリカのクルーガーズドルプとモコパネ近郊の一連の洞窟から出土している。ステルクフォンテイン、スワートクランス、クロムドラアイB、ドリモレン、マラパ、クーパーズD、グラディスベール、ゴンドリン、マカパンスガットの洞窟からは、アウストラロピテクス・アフリカヌス、アウストラロピテクス・セディバ、パラントロプス・ロブストゥスなど、300万年前から100万年前まで遡る様々な初期人類の化石が発見されている。しかし、これらの初期人類が洞窟に住んでいたとは一般的に考えられておらず、肉食動物に殺されて洞窟に運ばれたと考えられている。
アフリカで最初に発見された初期人類の化石であるタウング・チャイルドは、1924年に発見されましたが、長年にわたり、ワシに捕食された後に洞窟に運ばれたと考えられていました。しかし、現在ではこの説は議論されています（Hopley et al., 2013; Am. J. Phys. Anthrop.）。ガープ高原のドロマイトには、初期、中期、後期石器時代の遺跡であるワンダーワーク洞窟を含む洞窟が形成されますが、タウング・チャイルドの化石が想定されているような断崖の縁に沿って形成される洞窟は、トゥファと呼ばれる二次的な石灰岩堆積物の中に形成されます。世界各地の洞窟には、少なくとも100万年前から他の初期人類種が生息していたことを示す証拠が数多く存在する。例えば、中国の周口店遺跡のホモ・エレクトス、南アフリカのマカパンスガット洞窟のホモ・ローデシエンシス、ヨーロッパのアタプエルカ遺跡のホモ・ネアンデルターレンシスとホモ・ハイデルベルゲンシス、インドネシアのホモ・フロレシエンシス、そして南シベリアのデニソワ人などが挙げられる。
南アフリカでは、初期の現代人類は、約18万年前に初めて海を利用することを学んだときから、定期的に海食洞を住居として利用していました。[ 29 ]最も古い既知の遺跡は、ピナクルポイントのPP13Bです。これにより、人類はアフリカから急速に拡大し、6万～5万年前にはオーストラリアなどの世界の地域に植民地化できた可能性があります。南アフリカ、オーストラリア、ヨーロッパ全域で、初期の現代人類は、ジャイアンツキャッスルなどの岩絵の場所として洞窟や岩陰を利用しました。既知の聖なる洞窟の中には、中国の千仏洞[ 30 ]やクレタ島の聖なる洞窟があります。
旧石器時代の洞窟壁画は世界中で発見されており、非具象芸術は64,800年前[ 31 ]、具象芸術は43,900年前[ 32 ]に遡る。
洞窟における音の重要性は、現代の音響学の理解よりも古くから認識されていました。考古学者は、スペインやフランスの洞窟内の特定の共鳴領域における点と線の絵画と、旧石器時代のモチーフを描いた楽器[ 33 ] 、音楽イベントや儀式の指標との間の関係を発見しました。絵画の集まりは、音響が顕著な領域でよく見つかり、壁に描かれた動物の鳴き声を再現している場合もあります。人間の声は、松明があまり役に立たない洞窟の暗い領域をナビゲートするためのエコーロケーション装置として使用されていたという説もあります[ 34 ]。赤色黄土の点は、絵画の制作が困難であった共鳴が最も高い空間でよく見つかります[ 35 ] 。
洞窟は、現代の音響探検家にとって引き続き利用されています。今日、カンバーランド洞窟は、洞窟の現代音楽利用の最良の例の 1 つとなっています。洞窟は、残響だけでなく、その異常な壁面の減衰特性にも利用されています。カンバーランド洞窟の壁の不規則性は、壁から反射する音を拡散し、空間にほぼレコーディング スタジオのような品質を与えます。[ 36 ] 20 世紀には、ダイナ ショア、ロイ アキュフ、ベニー グッドマンなどのミュージシャンが、洞窟をクラブやコンサート ホールとして利用する可能性を探り始めました。今日とは異なり、これらの初期のパフォーマンスは、技術の欠如により内部の奥深くに音楽機材を持ち込むことができなかったため、通常は洞窟の入り口で行われました。[ 37 ]バージニア州ルーレイ洞窟では、巨大な石器である「グレート・スタラクパイプ・オルガン」が開発されており、鍾乳石をマレットで叩くことで音を出し、それぞれの鍾乳石が異なる音程を発する。[ 38 ]