IAEG Bulletin 紹介(16)2016 年度 Hans Cloos 受賞記念講演
歴史的な岩盤工作物の安定と保全に関する地質工学：ユネスコ世界遺産のカッパドキア地域の例
国際委員会顧問

茶石貴夫
1. まえがきトのナイル川に沿って現代のものに匹敵する巨大な地

国際応用地質学会(IAEG)では，会員に贈る賞として下空洞が既に掘られており，世界中の様々な地域に岩応用地質学の発展に長年寄与したことに対する Hans

盤を使った史跡が残っている．カッパドキアはそのう

Cloos Medal，若手の研究への Richard Wolters Prize，ちでも典型的な例である．このような史跡は何千年も主 に 地 域 活 動 へ の 貢 献 に 対 す る Marcel Arnould

経過したものが多く，いくつかは原型を保っているが，Medal があり，各国からの推薦と役員等の投票によっ風化や地震動，人間の活動によって様々に影響を受けて原則 2 年ごとに授与されている．Hans Cloos Medalて損傷し，完全に破壊されていることもある．それら

は，2016 年はトルコの Resat Ulusay 教授に，2018 年は人類をたどる文化遺産であるとともに，環境にさらは中国の Runqiu Huang 教授に授与された．Ulusayされてきた数千年に及ぶ証でもある．したがって，そ教授は 2019 年から Bulletin の編集責任者を務め，まれらの構造的な安定を保ち，内外から受ける影響を最た国際岩の力学連合会(ISRM)の会長の任にもあり，応小にすることは非常に重要なことである．

用地質学と岩盤力学が融合した地質工学といったこと今世紀になり，都市は急速に発展し人口が増えていを目指している．この講演文は 2017 年 11 月にネパーることから地下と合わせた都市計画が必要になってきルのカトマンズで開催された第 11 回 IAEG アジア地ており，短期から長期の地下岩盤の地質工学的挙動が域会議に合わせて，Ulusay 教授が受賞の記念講演をし重要なテーマになっている．

た内容が掲載されたもので，1990 年代の後半から行っ

トルコはヨーロッパとアジアの間に位置し，アナトているトルコの有名なカッパドキアの岩盤史跡に対すリア地方の中央にあるカッパドキアは歴史的遺産といる取り組みを紹介している．

うだけでなく，新旧の岩盤史跡の存在や独特の景観によって世界的に有名な場所である．この地域は三つの2. 講演文の概要

古い火山が形成した軟らかい凝灰岩と溶岩で覆われた紹介する講演文は，Bulletin の第 77 巻 457～488 ペ

高原地帯をなし，特に，凝灰岩が水や風の浸食で削らージに掲載された｢Geo-engineering aspects on the

れて独特のキノコ状の塔(fairy chimneys)を生んでいstructural stability and protection of historical man-る(図-1)．岩盤内に造られた空間は，歴史的な教会や地

made rock structures: An overview of Cappadocia

下都市の跡だけでなく現在も一部が使われている．そRegion(Turkey) in the UNESCO’s World Heritageの背景として，当地の環境と人間活動がその要因であList」1)で，共著者は琉球大学の工学部に所属する Оmer

り，以下の六つが挙げられている．

Aydan 教授である．

ⅰ 日あるいは季節による気温の変化が厳しいこと

2.1

ⅱ 岩盤が熱を遮ること

はじめに文明の初期の時代から，人類は自分達のための住居

ⅲ 岩盤が自立しやすいことや侵略者からの防衛，厳しい気候に対応するなどのた

ⅳ 特に軟質な凝灰岩で，削ることが容易なこと

めに天然の空洞あるいは岩盤を掘りぬいた地下空洞をⅴ 外敵から守る場所が必要だったこと利用していた．今から 4000～5000 年も前に，エジプ

ⅵ 地震や火山噴火に強かったこと

この講演は，岩盤工作物の保存のための調査が世界

2.3

カッパドキアの岩盤利用の歴史概要

中で増えているなかで，カッパドキアにおける経験かカッパドキアは古代の中国からヨーロッパへと続ら，このような岩盤工作物が抱えている地質工学的問

くシルクロード上に位置し，異宗教の出会いなど両者題に応用地質学と岩盤力学・岩盤工学の融合することの歴史的，文化的な足跡を残している 3)．の重要さを伝えたいと思っている．

カッパドキアの岩盤工作物は二つあり，ひとつは崖や半地下にある古い地下室及び地下都市，もうひとつは最近造られたホテルや地下貯蔵庫等の現代の地下空間がある．半地下ないし地下都市の形成は，主にローマやアラブから逃れた 1400～1800 年前の初期のキリスト教徒に関係している．しかし，5000 年前には地下鉱山の開発が知られており，カッパドキアで初期に造られたものは旧石器時代に遡ると考えられる．紀元前3000 年頃に住んでいたヒッタイトが，涼温で貯蔵する目的で軟らかい凝灰岩を容易に掘ることを発見したことが分かっているが，歴史は更に 2500 年位遡ると思図-1

カッパドキアを代表する独特の地形

われる．この地域で最も重要な地下都市は Derinkuyu
等で，Derinkuyu はヒッタイト，ローマ，ビザンチン

2.2 地形・地質と気候，岩盤内空間の環境
2.2.1 地形・地質の各時代に続けて居住し，最大深度が地下 85ｍもあった．

カッパドキア地方は標高 1100～1400ｍの高原をなし，三つの古い火山に囲まれている．水系は一般に樹枝状をなし，谷沿いにはキノコ状の塔が林立して独特

2.4 地質概要と地震活動
2.4.1 軟質凝灰岩の地質的特徴の景観が見られる．これは，凝灰岩中の不連続面(冷却中 央 ア ナ ト リ ア 火 山 地 帯 (Central Anatolian

割れ目)に支配された差別浸食と風化作用によって形

Volcanic Province ; CAVP)は，良く保存された火山の成されたもので，円錐や筒状のものがあって場所によ形態と噴出物の量の点で最も知られているもののひり頂部にキャップロックがある．最近の研究では，塔とつであるが，カッパドキア火山地帯(Cappadocianの大きさや形を決めるのは地層面の傾斜と冷却割れ目

Volcanic Province ; CVP)もしばしば同義で使われるの間隔やその開隙程度とされ，キャップロックの存在

4)．図－2 の地質図に示すように，同地帯は新第三紀

は浸食が遅くなることによる塔の高さに影響しているから第四紀の CVP の火山岩で覆われ，北東－南西にのみとされている 2)．

約 300km 延び，その火山活動は地中海東部で起きた2.2.2 気候アフリカ－アラブとユーラシアプレートの衝突によ

カッパドキア地方は典型的な大陸性の気候で，冬は積雪もあり寒さが厳しく，春は降雨が多く，夏は暑くるものと考えられている 5)．
図－3 にはカッパドキア地域の一般的層序図を示す．て乾燥している．
7 月～8 月の平均最高気温は 28.4℃，新第三紀の溶岩を挟む凝灰岩からなる Urgup 火山層

湿度は夏場が低く冬の 2 月が最も高くなっている．一が広く分布し，岩盤工作物やキノコ状の塔はこの地

日の温度差は非常に大きく 12 月～2 月は凍結し，凍層にある．本層は 10 枚の凝灰岩に区分され，堆積面結・融解の繰り返しは年間 38～68 回が記録されていはほぼ水平で 1100～1200ｍの高原を形成している．

る．なお，植生は谷沿いに限られている．

そのうち，代表的な地下工作物は，Kavak, Zelve,

2.2.3

Cemillkoy, Kizilkaya, Gordeles 凝灰岩中にある．

岩盤内空間の環境

カッパドキア地域は夏が非常に暑く冬は厳しい寒さ

2.4.2

地震活動のため，それらが和らぐ地下空間は快適な生活環境で

図－2 の地質図に示す北西－南東，北東－南西及びあり，人々が地下を求めたことは自然なことである．

北縁の 3 系統の断層があり，これらはアナトリア地

Derinkuyu 地下都市における測定例では，一日の室内塊の変形に伴って今だ活動的である．しかし，1940

気温は 9～12℃と変化が非常に少なく湿度は 90％を越

年に M=5.2 の地震が発生しているものの，トルコのえている．

他の地域に比べると地震活動は活発ではない．

KAYSERNEVSEHIR

20km

AKSARAY

Derinkuyu

Yesilhisar

NIGDE

Karapinar

Main eruption center

L.Miocene

Volcanic complex

to Quaternary

Volcaniclastic and cinder cone field L.Miocene to Pliocene

Continental clastics

pre M. Miocene

Basement rocks

図－2 カッパドキア火山地帯(CVP)の地質概略図

1)に加筆・修正

Reprinted by permission from Springer Nature. License Number 4775810715701
層厚時代ユニット

第四紀

KUMTEPE

1-7

Air-fall deposits

VALIBABA

5-15

Welded tuff

KIZILKAYA

4-60

Welded tuff

TPPUZDAG

50-70

Lava

SOFULAR

4-10

GORDELES

鮮新世（ｍ）

層序岩相

Tuff with air-fallによるシュミットロックハンマーと針貫入試験，及びジオトモグラフィーを壁や天井で実施している．カッパドキア凝灰岩の水平に近い層理面は顕

7-20

Tuff

著ではなく，広い間隔の高角の冷却割れ目が主な

TAHAR

4-80

Tuff

CEMILKOY

10-110Ignimbrite

DAMSA

12-100Lava

RMR 値 52 からは 4ｍの広さの岩盤内の空間が約

Tuff with air-fall

3 週間自立する，RMR 値 63 では 1 年間というふ不連続面をなしている．
Zelve 凝灰岩の RMR(RockMass Rating)値は 52～63，RQD(Rock QualityDesignation) は 90～100％と，その値からは良好岩盤に区分されるが，強度の点では軟岩である．

後期中新世

SARIMADEN

4-15

ZELVE

25-100deposites at the bottom
Tuff with air-falldeposites at the bottom
Tuff localy inte-bedded

KAVAK

10-150with volcano-detritialand air-fall deposits

中新世以前

カッパドキア凝灰岩の原位置特性として，ISRM

deposites at the bottom

Urgup層

前期中新世

2.5 凝灰岩の原位置特性と物性
2.5.1 原位置特性

YESILHISARFORMATIONBASEMENT
ROCKS

Alternation of red-80

mudstone,sandstone andconglomerate?

Syecite, monzonite
Gabbro, pyroxenite

図－3 カッパドキア地域の一般的層序図
1) に加筆 ・修正 Reprinted by permission from
Springer Nature. License Number 4775810715701

うに評価されるが，これは保守的過ぎると言える．

2.5.2 短期的特性
歴史的保存地域であるためサンプリングによる室内試験は限られるが，粘土分を多く含んでいる．
このような試料採取が難しい状況では，原位置で行える針貫入試験が有効な調査方法である．いずれの凝灰岩も脆弱又は非常に脆弱な岩石に分類され，層理面による異方性は認められない．

2.5.3 長期的特性
カッパドキアの工作物の掘削面は 1500 年，一部

は 4000 年が経過し，地質工学的な長期の岩盤の挙凍結融解繰り返し回数動が分かる例である．粘土分を含むカッパドキア

0凝灰岩は，含水状態の変化によって力学的性質が2030405060510的関係を図－4 に示す．

15

強度低下率(％)

顕著に変化する．岩石の圧縮強度と飽和度の模式

10.8

強度低下

100202530

Kavak tuff

35

Zelve tuff AV140

Zelve tuff AV245

Fall-out product of the Kavak tuff

0.6

図－5.20.4

カッパドキア凝灰岩の凍結融解繰

り返しと圧縮強度の関係

1)に加筆・修正

Reprinted by permission from Springer Nature.
License Number 4775810715701

0.200204060
飽和度(％）

801002.6
図－4

カッパドキア凝灰岩の飽和度と岩盤を利用した史跡の地質工学的問題

カッパドキアにおける地下の岩盤の不安定化に圧縮強度低下の関係模式図

関しては，以下のような地質工学的問題が指摘されている．

そこで，乾湿繰り返し，凍結融解による岩石試験を実施した．乾湿繰り返しによるスレーキング指数の低下は Zelve 凝灰岩で特に顕著であり，図－5.1 に示す，乾湿繰り返し回数と圧縮強度低下率の結果においても，Zelve 凝灰岩の低下が顕著である．
図－5.2 は，同じく凍結融解の回数と圧縮強度低下率の結果であり，Kavak 凝灰岩が顕著に低下している．以上，カッパドキア凝灰岩は飽和した状態での乾湿繰り返し，凍結融解が岩石の崩壊に相当影

20(4) 開口部での割れの進行(5) 地下室での岩塊の崩落(6) 岩盤の柱の細りやせん断

2.7 谷壁や岩盤内空間の安定性評価
2.7.1 代表的空間の簡易力学モデル
岩盤内の地下空間や岩塔の安定性を検討するため

30

405060

足元が浸食を受ける谷壁の安定

岩壁の足元が浸食された場合について，モデル計

0算によって岩盤に引張力が働く領域を確認した．

52.7.3 開口部の割れ目の安定性評価

10

強度低下率(％)(3) 座屈による(板状の)割れ

2.7.2

乾湿繰り返し回数
10(2) 岩塊の転倒や湾曲などの変形に解析に用いるモデル化を検討した．

響することがわかる．

0(1) 不連続面沿いの滑落，急崖からの崩落モデル計算によって，開口部の岩盤に割れ目が発15生することを示す引張力の分布領域を確認した．

20

2.8 経験に基づく保全と安全対策
カッパドキアには何万人もの人が訪れているが，特に半地下部の崩壊が危険を及ぼしており，どう崩

25
Kavak tuff

30

Kavak tuff

35

Zelve tuff

40

Fall-out product of the Kavak tuff

図－5.1

壊を防ぎ，文化遺産を守り，安全を確保するかが大きな課題である．

カッパドキア凝灰岩の乾湿繰り返しとカッパドキアでは，ハード対策とソフト対策があ1)に加筆・修正

り，前者は文化的価値を損なうことなく岩盤を支持，Reprinted by permission from Springer Nature.
License Number 4775810715701

補強する対策である．例えば，入り口の開口部では圧縮強度の関係天井を支える鋼製枠を設置する方法がある．岩塊の崩落を防ぐために，周囲と馴染みやすい木製の梁を使う一般的な伝統的方法もある．ロックボルトは岩と思われる．一般の観光客であっても，その地形や盤の崩落を防ぐために普通に行われる工法であるが，地質の見方，価値等を知って見るかどうかで，ただカッパドキア凝灰岩は軟質で風化しやすいため通常

きれいというだけでなく印象に残る程度も格段に違のものでは，その効果が疑問である．また，ボルトってくると思われる．そういった面においても応用は錆びやすいし，硬さや性質が岩盤と大きく異なっ地質学が注目される領域があるように思われるので，ている．この点で，周りの岩盤を傷めないで挿入す

普通の旅行者が行く海外の観光地などを訪れた際に，るカーボンファイバー製のロックボルトの適用をも会員が得た知識や印象をまとめて平易なガイドにすっと研究する必要がある．

ることも学会として有意義になるかもしれない．

大気に直接さらされるカッパドキア凝灰岩の崩壊については，ショットクリートを吹き付ける工法が引用文献

浸食防止になる．特殊なセメントに凝灰岩を粉砕し

1) Ulusay, R., Aydan, О. (2018) : Geo-engineeringて混ぜたものを使った例があるが，未だ景観が変化

aspects on the structural stability and protection

してしまうという問題がある．この他に開口部の安of historical man-made rock structures: An

定を改善するために，劣化した柱の圧縮強度を増す

overview of Cappadocia Region (Turkey) in the

方法がある．これには柱を鋼製柱で囲む方法や無塩

UNESCO’s World Heritage List. Bull Eng Geol

化物コンクリートを使う方法が提案されている 6)．

Environ, 77, pp.457-488.

水の浸潤は風化を促進し岩盤の強度低下を招くので，

2) Topal, T., Doyuran, V. (1995) : Effect of

可能であれば不透水性の透明なシートを被せる等がdiscontinuities on the development of fairy

考えられる．

chimnys in the Cappadocian region(central

現在，カッパドキアでの大きな地質工学的問題は，Anatolia- Turkey). Turk J Earth Sci 4, pp. 49-54.

周囲を破壊し人命に係る岩盤の崩落であり，調査に3) Gulyaz, ME. (2012) : Goreme National Park andよってその危険性を評価し，不安定と判断される岩the rock sites of Cappadocia. Repablic of Turkey

塊は爆破を用いないで除去する必要がある．それにMinistry of Culture and Tourism, General

加えて落石防護柵や防護ネットの設置も行われていDirectorate of Libraries and Publications 3354b,

る．また，崖にある古い住居では非常に被りが薄い

Handbook Series, Ankara.

ところに部屋が隣り合って存在することがあり，そ4) Toprak, V. (1998) : Vent distribution and itsの場合には空間を岩塊で埋めてしまう方法がある．

relation to regional tectonics, Cappadocian

ソフト対策としては，崩壊の危険性が高い半地下volcanics, Turkey. J Volcanol Geotherm Res, 85,空間の場合にはフェンスで直下への立ち入りを禁止

pp.55-67.にしている．最近起きた教会跡の空間の岩盤崩壊で

5) Temel, A., Gundogdu, MN., Gourgaud, A., Le

は，前方への岩塊の転落を抑えられなかったものの

Pennec, JL. (1998) : Ignimbrites of Cappadocia

幸運にも人的被害がなかった．最近の建設工事や維(central

持管理の場面において行われるモニタリングは，岩geochemistry. J Volcanol Geotherm Res, 88, pp.

盤工学的な要素を含む総合的な技術である．現在，

447-471.

Anatolia,Turkey):peterology

andAE や電気抵抗，クラック幅，浸食量，気象条件等を

6) Aydan, О. (2017) : Rock Reinforcement and Rock含む先進的な多機能モニタリングシステムを開発しSupport. ISRM Book Series, CRC Press, Taylorているところである 7)．

& Francis Group, London.
7) Ulusay, R., Aydan, О., Genis, M., Tanao, H.

3．あとがき(2013) : Stability assessment of Avanos congress

カッパドキアに限らず，世界には景勝地や大規模centre (Cappaadocia, Turkey) in soft tuffs

な史跡などが有名な名所や観光地になっているとこ

through

ろが多くあり，それらには必ずと言ってよいほど地

engineering methods. Rock Mech rock Eng, 46,

形や地質的な背景が関わっている．人との関わりとpp. 1303-1321.

いう点において，その地質的価値や歴史だけでなく，人の活動とどう関係してきたかも理解することができるのは応用地質学に携わる技術者ならではのもの

anintegrated

schemeofrock