高等学校 地学/地表の変化と堆積物

地殻変動や火山活動、風化、侵食、運搬、堆積などによって、地形が変化しています。地表が急に変わってしまうと、しばしば災害が発生します。
地殻変動や火山活動などによって、むき出しになった岩石や地層は破壊されて、化学変化を起こしたりします。それを風化といいます。風化によって、岩石は細かく砕かれた粒子(砕屑物)となり、成分の一部も溶け出します。
物理的風化(機械的風化)とは、地層や岩盤が物理的な作用によって破壊される現象です。温度が変化すると、岩石を構成する鉱物が伸びたり縮んだりします。膨張の速度は鉱物によって違うので、岩石には小さな罅割れが出来ます。その罅割れに入り込んだ水が凍ると、さらに罅割れが大きくなります。その結果、罅割れが大きくなり、岩石はさらに破壊されます。海水に溶けている塩類(硫酸ナトリウム、炭酸カルシウムなど)が結晶化して成長する場合があり、これを塩類風化と呼びます。また、生物的風化では、植物の根によって罅割れを広げます。
化学的風化とは、岩石が雨水や地下水と反応して、一部の鉱物が流出したり、他の鉱物に変化したりする現象をいいます。
石灰岩や花崗岩に含まれるカリ長石は、二酸化炭素の溶けた水と反応して化学的風化が進みます。熱帯地方では、カリ長石が化学的に分解してカオリンとなり、これが水と反応して水酸化アルミニウムになります。アルミニウムの原料となるボーキサイトの主成分は水酸化アルミニウムです。
以上から、化学的風化は温暖湿潤な熱帯・亜熱帯に多く、物理的風化は乾燥・寒冷で温度変化の激しい場所によく見られます。
水は、大気、海洋、陸を循環しながらその状態を変化させています。太陽放射エネルギーを吸収して海面から蒸発した水の一部は、雨や雪として地上に降り、海面より高い位置にあるため再び海へ流れます。この時、流水による侵食作用・運搬作用・堆積作用がはたらき、地表は多様な姿に変化しています。陸上で作られ、運搬した砕屑物の多くは海底にたどり着き、地層を作ります。
川底を削る下方侵食と川幅を広げる側方侵食は、どちらも河川侵食の1つです。侵食の強さは流速の2乗に関係するため、川が運ぶ最大の岩石の破片の大きさは流速の6乗にほぼ比例します。流水作用は、流水の速さと粒子の大きさの関係で決まります。流水によって運ばれた小さな岩片は、時間とともに砕かれたり、すり減ったりして、小さな砕屑物へと変化します。流速が遅くなると、河川の運搬能力は急速に下がり、堆積作用がはたらきます。
河川の縦断面図は、源流部から河口までの様子を示しています。縦断面図のうち、横軸は河口からの水平距離、縦軸は川底の高さです。一般に、河川の縦断面は下に凸の形をしており、中流域付近で河床の傾斜が大きく変化する地点があります。河川が流れる地域の地形や地質によって、下に凸になる度合いは変わります。
地形の傾斜が大きい上流部では、下方浸食が強く働き、川底も低くなっています。傾斜の変化が大きい中流部付近では、流速が大きく下がり、運搬力も弱まり、砂利や砂などの大粒の砕屑物が堆積します。一方、傾斜が緩やかな下流部では堆積が進み、平坦化が進みます。このように、流域ごとに水の流れも変わるため、河川の断面図は緩やかな曲線を描くように変化していきます。
大陸の河川と比べると、地殻変動の激しい日本の河川では、上流の山岳地帯から下流の平野部や河口部までの距離が短くなっています。また、これらの河川の縦断面は非常に急な勾配となっています。
険しい山地や斜面では、河川は速く流れ、土砂を浸食して運搬します。その結果、谷底が深くなると、V字谷になり、谷底に土砂が堆積すると谷底平野になります。
河川が山地から平野のような平坦な土地へ出てくる地域では、地形の傾斜が急に小さくなります。そのため、流れが悪くなり、運搬も遅くなり、礫や砂のような大きな砕屑物が集まって扇状地を作ります。
平野部の河川は、側面の侵食によって曲がりくねっています。洪水時には、砂や泥が堆積して氾濫原になります。河口では流れが緩やかになり、土砂が堆積して三角州になります。
河川の中流から下流の比較的平坦な地域では、川底にある土砂を削って運搬するよりも川を広げ、土砂が堆積しやすくなります。しかし、海面が上がったり、地盤が嵩上げしたりすると、海面との標高差が拡大します。しばらくの間、川の流速が大きくなります。川底にある土砂を削って、運びやすくなり、川底が階段状に削られると、河岸段丘が出来ます。
日本列島のように地殻変動が激しい地域では、河川が土砂を侵食して、運んで、堆積させるので、地形の変化に大きな影響を与えています。
潮の流れによって河口から運ばれてきた土砂の一部が海岸近くに堆積すると、砂嘴(嘴状の陸地)が出来上がります。砂嘴が成長した地形は砂州とよばれ、砂州と海岸の間には潟(ラグーン)が出来ます。
岩石海岸に波が当たると、岩が砕けて崖(海食崖)になります。海岸近くの土地が高くなると、海底に沈んでいた部分が再び地表に上がってきます。この浮き出た部分を、再び波によって削り取ります。これを海食台(波食台)といいます。以上のような流れが繰り返されると、海岸段丘が出来ます。
大陸棚とは、海岸から沖に向けて小さな傾斜で平らな場所をいいます。大陸棚は、海岸から水深200mくらいまで傾き0.06度( 1 1000 {\displaystyle {\tfrac {1}{1000}}} の勾配)以下の起伏の少ない平坦面から出来ています。南極海では水深約400mの深さまであります。大陸棚の幅は平均で約80kmですが、北極海では400km以上ある場所もあります。大陸棚は、約1万8000年前の最終氷期で海面が現在より約120m低下した時に出来た海岸近くの広い平地と考えられています。大陸棚の端から水深数千メートルの海底まで、大陸斜面と呼ばれる急斜面があります。大陸棚の傾斜より3〜6度( 5 100 {\displaystyle {\tfrac {5}{100}}} 〜 10 100 {\displaystyle {\tfrac {10}{100}}} の傾斜)ほど急な斜面になっています。大陸斜面下部の深海底には、陸源砕屑物が非常に厚く堆積して出来た海底扇状地があります。
海岸付近の海底に沈殿した細かい砂や泥は、大陸棚に移動して再堆積します。大陸棚末端や大陸斜面上部にしか堆積しない土砂は、不安定な状態にあり、地震などで海底地すべりや海底土石流が発生するきっかけとなります。また、この時、水と混じった砂が高密度に流れ、時速100kmで大陸斜面を移動する場合もあります。これを混濁流(乱泥流)といいます。タービダイトとは、混濁流によって形成された岩石層をいいます。タービダイトでは、級化構造、クロスラミナ(斜方葉理)など、様々な種類の堆積構造が見られます。級化構造とは、堆積物が粒径の大きいものから小さいものへと積み重なった構造をいいます。
堆積物重力流とは、海底地滑りや海底土石流、濁流など、重力の作用で下へ下へと移動する流れをいいます。堆積物重力流は、大陸の斜面を侵食して、深い海底谷を作り出します。また、陸上から大陸斜面下の深海底に大量の瓦礫を運んでしまいます。
水深数千メートル以上の深海底には、陸上の砕屑物がほとんどありません。深海底によく堆積するのは、放散虫の殻や珪質軟泥です。堆積速度は非常に遅く、1000年に数ミリ程度しか堆積しません。珪質軟泥が固まってチャートになります。深海底には、風に運ばれてきた非常に細かい火山灰や風化生成物もあります。
深海底のほとんどは平らですが、海嶺という巨大山脈や海底火山列などの起伏があります。多くの海山はホットスポットとして始まり、その上に石灰岩を載せています。
海嶺で新しく出来た玄武岩質岩石の海洋底(海洋地殻)の表面に、珪質軟泥がゆっくりと堆積し、チャートとなります。大陸に近づくにつれて、陸上の火山灰や粘土が風に運ばれて堆積するようになり、珪質泥岩となります。海溝に近づくにつれて、陸からの砕屑物が重なります。これを海洋プレート層序といいます。
これまで学習した一般的な地形以外にも、地球上には様々な種類の地形が見られます。特殊な地形は、高緯度地域、山岳地帯、乾燥地帯、海面下に沈む島などで作られています。
沿岸流と波によって、海底の砂が海岸に押し寄せます。その砂は、北西からの強い風によって内陸に移動します。これを長期間にわたって繰り返すと、砂丘になります。砂丘の砂はよく磨かれ、粒の大きさも全て同じになります。また、圧倒的に硬くて壊れにくい石英粒も増えます。
一方、砂漠は乾燥していて、水分も蒸発しやすい土地に出来ます。
緯度が高く、山が多い場所では、夏でも気温が低いため、雪が積もって氷になります。長い年月をかけて氷は厚くなり、ゆっくりと移動して氷河となります。南極やグリーンランドには、氷床(大陸氷河)という厚い氷河があります。ヒマラヤやアルプスなどの山岳地帯の氷河は山岳氷河(谷氷河)といいます。氷河は固体ですが、1年に数十〜数百メートルの速さで下に向かって流れます。
氷河の侵食作用や運搬作用は、水よりもはるかに強力です。氷河は、カール(圏谷)やスプーンで削ったようなU字谷をつくります。氷河は岩盤を削り、直線状の引っかき傷(擦痕)を残します。氷河の両側や末端には、様々な形や大きさの礫が堆積して、モレーン(氷堆石)とよばれる小丘をつくります。
造礁性珊瑚は、熱帯・亜熱帯の浅瀬で成長し、珊瑚礁を作ります。裾礁とは、海岸からまっすぐ伸びている珊瑚礁をいいます。地殻変動や海面変動で島が沈むと、珊瑚礁は陸から離れ、島を取り囲むように成長します。これを堡礁といいます。島がどんどん沈み、陸地が海中に沈むと、珊瑚礁は水面近くにドーナツ状に残ります。これを環礁といいます。礁湖とは、湾の中で珊瑚礁によって海から隔てられている部分をいいます。
地質や地質現象に由来する地表の変化は、災害を引き起こします。これを地質災害といいます。地質災害には、開発によって起こる地質関連の災害も含まれます。地質災害には、地震や火山などのほか、斜面崩壊や地盤沈下など、地盤に起因する災害(地盤災害)があります。
地震が起きると、斜面が崩れたり、たくさんの土砂が移動したり、流れ出したりして、人々の生活に被害をもたらします。地盤の液状化は、沖積層やかつて農耕に使われていた土地など、水を多く含んだ柔らかい地盤が地震で揺れた時に起こります。沖積層とは、河床、氾濫原、低湿地、扇状地、河口などの河川堆積物の名称です。これらの堆積物は、現在の河川の作用によって作られました。また、砂のような土砂を多く含んだ水が地表の割れ目から上がってくる噴砂も起こります。
火山が噴火すると、火山砕屑物が降り積もり、その周辺地域に被害をもたらします。斜面などに大量に堆積した火山砕屑物は、大雨や雪解け水と混ざり合って土石流や火山泥流となって、下流の地域に大きな被害をもたらします。
日本列島は、火山灰や花崗岩の層が崩れ、真砂や真砂土と呼ばれる柔らかい堆積物で出来ている地域が各地に見られます。このような場所で、地震で地面が揺れたり、大雨が降ったりすると、土砂災害が起こります。斜面災害は、山の崖のような斜面で岩や土が動いて発生します。日本の国土の 3 4 {\displaystyle {\tfrac {3}{4}}} は山で、山の斜面の近くには多くの人が住んでいます。毎年、斜面災害は多くの被害をもたらしています。
斜面災害の多くは、崖崩れ(急傾斜地崩壊)、土石流、地滑りの3つに分類されます。崖崩れは30度以上の急斜面で起こり、大量の雨や地震による揺れで地盤がゆるみ、一瞬にして崩れ落ちます。地盤の動きが急激で、あっという間に起こるので、避難の目安がつかめません。土石流は、崖や谷の底に溜まった土砂が、長時間続く大雨や集中的に降る雨によって水と混ざり合い、一気に下流に流されて発生します。動きが早く、破壊力も大きいため、大きな災害をもたらします。また、地滑りは、粘土層や帯水層によって地盤が滑りやすくなり、緩やかな斜面を土砂が滑り落ちる現象です。動きはゆっくりですが、広い範囲が一度に動くため、災害が大きくなり、その影響が長く続きます。
平野部に広がる沖積層には、土砂の粒子と粒子の間に多くの水を蓄えた層があります。この層から、ボーリングして地面の重さ(圧力)を利用すると、地下水を取り出せます。工業地帯で地下水の必要性が高まり、地下水を汲み上げ過ぎると、水を保持していた土砂粒子の間が小さくなり、地層が締まって、地面が沈み、周囲より低くなってしまいます。これを地盤沈下といいます。地盤沈下すると、建物が傾き、水害が起こりやすくなります。
岩石が時間の経過とともに細かく砕けた砕屑物(砂利、砂、泥)、火山の噴火によって噴出した火山砕屑物(火山岩塊、火山礫、火山灰)、生物の遺骸(貝殻、殻など)、化学的に堆積した堆積物などが含まれます。堆積岩とは、堆積物が固まって岩石になった状態を指します。緩い堆積物が圧密作用・膠結作用(セメンテーション)を経て、硬い堆積岩に変化します。この過程を続成作用といいます。
下の表は、堆積岩を堆積物の種類とその成因によってグループ分けした表です。堆積岩の種類は、それがどのような場所でつくられたかを示しています。
岩石を砕いた状態を砕屑物、砕屑物から作られた岩石を砕屑岩といいます。岩石を構成する破片の大きさによって、礫岩、砂岩、泥岩などと呼ばれます。一般に、粒径が細かく均一なものほど、岩屑が供給源から遠くへ、長く移動する傾向があります。地層に含まれる砕屑物の多くは、海洋大陸棚、大陸斜面、その底にある深海底に堆積しました。陸上では、侵食と移動が最も重要なプロセスなので、河道や湖のような場所で堆積が起こり、砕屑岩が作られます。
火山砕屑岩は、火山が噴火した後に残ったマグマの破片から作られる岩石です。火山砕屑岩は、砕屑岩と同じように、出来た粒子の大きさによって、凝灰角礫岩、火山礫凝灰岩、凝灰岩の3種類に分類されます。火山砕屑岩は、火山がどのようなマグマで出来ていて、どのように噴火しているのかを知るために役立ちます。
生物岩とは、主に生物の死骸で出来た堆積岩をいいます。石灰岩を支えているのは、フズリナ(紡錘虫)などの有孔虫や貝殻、珊瑚などで、炭酸カルシウムを主成分としています。熱帯から亜熱帯の温かく浅い海では、珊瑚礁の石灰岩が出来ました。
チャートの多くは、深海の堆積物の底に残された二酸化珪素からなる放散虫の殻で出来ています。珪藻土では、植物プランクトンの一種(珪藻類)が集まっています。
地殻変動によって、海が内陸に取り残されてしまう場合もあります。海水が蒸発する時、海水の一部が化学的に結合し、化学岩とよばれる岩石をつくります。塩化ナトリウムが主成分の岩塩や石膏(主成分は硫酸カルシウムと水)がその代表的な例です。また、石灰岩やチャートの一部もこのようにして出来たと考えられています。
啓林館教科書の記述がかなり大人向けで、読みやすい文章に直しにくかったので、以下のホームページも参照しています。