洞穴学

洞穴学とは

洞穴学（どうけつがく、英: speleology）は、洞穴やカルスト地形の生成過程、構造、物理的特性、歴史、そこに生息する生物、そして時間経過による変化などを科学的に研究する学問です。洞窟学（どうくつがく）とも呼ばれます。

洞穴学は、化学、生物学、地質学、地形学、気象学、地図学、水文学、古生物学、考古学など、様々な分野の知識を統合し、洞穴という複雑な系を包括的に理解しようとする学際的な領域です。洞穴学の発展は、スポーツや探検としてのケイビングの発展と密接に結びついており、両者は実地調査において共通の手法を用います。

歴史

19世紀中盤以前、洞穴は他の科学分野に貢献するだけの存在とみなされ、研究は地理学、地質学、考古学といったより大きな分野の一部として扱われていました。洞穴研究が独立した学問として注目されるようになったのは、「洞穴学の父」と呼ばれるフランスの Édouard-Alfred Martel（エドゥアール＝アルフレッド・マルテル, 1859年 - 1938年）の登場以降です。Martelは洞穴の調査研究を幅広く行い、洞穴学の概念を確立しました。1895年には、世界初の洞穴学組織であるSociété de Spéléologie（洞穴学会）を設立しました。

日本では、1975年に日本洞窟学会が発足しました。その後、1995年に日本ケイビング協会（1960年発足；前身は1956年発足の四国ケイビングクラブ）と日本洞窟協会（1978年発足）が統合され、現在の体制に至っています。日本洞窟学会には、学会誌の編集委員会をはじめ、洞窟測量・記録、洞窟救助、ウェブサイト編集、大会記録、ケイビング・ジャーナル編集の6つの委員会があります。

ケイビング組織としては、山口県秋吉台において、1962年から山口ケイビングクラブが活動を続けています。

洞穴の地学

成因と分類

洞穴の生成には、石灰岩などの溶解や侵食、火山活動など、様々な要因が関わっています。これらの要因に応じて、洞穴は様々な形状や特徴を持ちます。

水文学

洞穴内を流れる地下水は、その流路形状や降雨に対する反応（流量、水質、水温の変化）など、多くの点で地表を流れる川に似ており、「地下川」とも表現されます。地下水系の調査では、地下水がどこから来てどこへ流れていくのかを把握することが重要です。かつては籾殻を上流のポノールに流し込むなどしていましたが、現代では食塩や染料、蛍光物質、同位体などを用いた、より科学的な手法が用いられています。日本ではフルオレッセインソーダがよく使われますが、生活排水による汚染を考慮した環境アセスメントも必要です。

鉱物学

洞穴内には、鍾乳石や石筍などの様々な鉱物が形成されます。これらは地下水に溶け込んだ鉱物が、洞穴内で再沈殿することで生成されます。これらの鉱物の組成や生成過程を研究することで、洞穴の形成史や環境変化を理解することができます。

鍾乳石の年代測定

鍾乳石の年代を測定することで、洞穴の形成時期や過去の気候変動などを知ることができます。鍾乳石は、炭酸カルシウムが層状に沈殿して成長するため、その層を調べることで年代を推定できます。

古生物学

洞穴からは、しばしば哺乳動物の化石が発見されます。これは、縦穴が大型動物にとって落とし穴のような役割を果たすためです。特に石灰洞内の地下水は石灰分に富み、化石が風化しにくく保存に適しているため、過去に生息していた生物群を明らかにする重要な資料となります。日本では、栃木県葛生、広島県帝釈台、山口県秋吉台、沖縄県などの石灰洞から発見された化石の研究が進んでいます。

気象学

洞穴内の気流、気温、湿度、洞内霧などが研究対象となります。地中温度は、一般的に深さ-50cmで日変化が、-10mで年変化が消失するとされますが、カルスト地帯の洞穴では、外部気温の影響がより深い場所まで及ぶことがあります。これは、洞窟系や割れ目を通じて外気が流入出したり、雨水が浸透したりするためです。また、冬季に冷たい空気が大量に流れ込む洞穴では、夏でも氷点下が維持され、氷の装飾が見られることもあります。このような洞穴は「氷洞（氷穴）」と呼ばれます。

火山洞穴学

火山地帯の洞穴では、溶岩が強い磁気を帯びていたり、火山性ガスが滞留していたりするため、通常の洞穴調査とは異なる手法や技術が必要になります。そのため、火山洞穴学という独立した分野が設けられています。

洞穴の生物学

洞穴には、独自の生物相が存在します。洞穴の生態系は、地表の生態系と明確に区別できない場合も多いですが、一般的に、洞穴が深くなるほど、その独自性は強まります。

洞穴環境の分類

洞穴環境は、以下の3つに分類されます。

地中性 (Endogean): 地表と繋がりのある、岩の割れ目や土壌中の空間。
半地下性 (Parahypogean): 洞穴入り口付近の、わずかに光が届く場所。
地下性 (Hypogean): 地表から隔離された、真の洞穴環境。日光をエネルギー源としない独自の生態系が発達しています。

洞穴生物の分類

洞穴生物は、以下の3つに分類されます。

真洞穴性動物 (Troglobites): 洞穴にしか生息できない動物。例：化学合成独立栄養生物（細菌）、一部の扁形動物、トビムシ、メキシコメナシウオなど。
好洞穴性動物 (Troglophiles): 洞穴内外の両方で生息できる動物。例：カマドウマ、ヤスデ、カニムシ、クモなど。
周期性洞穴動物 (Trogloxenes): 洞穴を生活の一部に利用するが、基本的には地表で生活する動物。例：コウモリ、アナツバメ、アブラヨタカ、ホラアナグマなど。

洞穴の生態系は、主に外界からのエネルギーに依存しています。地下水の流れによって運ばれる有機物の破片や、周期性洞穴動物の糞などが栄養源となります。

洞穴の地図

洞穴の詳細かつ正確な地図を作成することは、洞穴学における重要な活動の一つです。洞穴地図は、洞穴の長さ、深さ、容量を比較したり、洞穴の形成過程を解明する手がかりとなったり、今後の研究やケイビングにおけるルート探索に活用されたりします。

洞穴地図作成では、まず洞穴入り口などの固定点を基点とし、方位磁針やクリノメーター、光波測距儀などの機器を用いて、連続的な測量を行います。測量データとともに、洞穴の形状や地質、水流などの情報も記録されます。これらのデータをもとに、地図製作者が線図を作成し、更なる調査を通じて詳細な地図を完成させます。洞穴地図は、平面図と断面図の2次元で表現されることが一般的ですが、近年ではコンピュータを用いた3次元表現も活用されています。ケイビング愛好者の中には、技術の一つとして洞穴地図の作成を行う者もいます。

洞穴地図の正確度は、測定技術や方法によって異なります。英国洞穴調査学会は、洞穴地図の正確度を6段階に分類しており、最も一般的な正確度はGrade Fiveとされています。これは、手持ちの測定機器を使用し、精度が10センチ以下の巻尺を使ったものを指します。

洞穴地図作成に使われる機器は日々進化を続けていますが、地下での利用を考慮した機器はまだ開発途上です。

測量ソフトウェアの問題

洞穴の中心線に沿って測量すると、誤差が蓄積し、第二の入り口やループが発見された際に不整合が生じることがあります。そのため、測量ソフトウェアが広く活用されています。

洞穴は調査が進むにつれて新たな発見があるため、地図を完成させるのは困難な場合があります。紙の地図は、数年ごとに書き直されたり、一部は正確だが他は修正が必要として描かれたりします。

その他の領域

洞穴学者は、考古学者と協力して、地下遺跡、トンネル、下水道、水道などの調査を行うことがあります。例えば、古代ローマの下水道システム「クロアカ・マキシマ」などが調査対象となります。

オランダのマーストリヒトには、1500年頃から続く泥灰岩採掘坑道があり、その総延長は200kmにも及びます。この坑道からは、鉱夫たちによって壁面に描かれた絵や彫像など、数多くの遺物が発見されています。

日本では、宇都宮地方に江戸時代から掘られた大谷石の地下採掘場が数多く存在し、巨大な空間を形成しています。1989年には、古い空洞の崩落によって、直径100m、深さ30mの陥没が発生しました。


これらの研究を通じて、洞穴学は地球の歴史、生命の進化、そして人類の活動について、新たな視点を提供しています。

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