洞窟の写真には、天井から氷柱のように下がる鍾乳石が写っています。なかには床から上へ伸びる形もあります。氷ができるほど寒い場所とは限らないのに、何が少しずつ積もっているのでしょうか。岩石が水に溶ける過程と、水から鉱物が出てくる過程を順番に見ると理解できます。
洞窟ができることと飾りが育つことは別
石灰岩は炭酸カルシウムを主成分とする岩石です。土の中などで二酸化炭素を含んだ水は、弱い酸性を示すことがあり、石灰岩の一部を少しずつ溶かします。長い時間をかけて割れ目などが広がると、洞窟が形成される場合があります。洞窟は最初から大きな空洞として存在していたとは限りません。
一方、空洞の天井に下がる鍾乳石は、石灰岩が溶けて空洞が広がることと逆向きに進む化学反応を考えるしています。溶けて運ばれたカルシウムなどの成分が、後で再び固体として出てくるのです。洞窟の形成と鍾乳石の形成は同じ水が関係していても、起こっている場所と化学的条件が違います。
水滴が二酸化炭素を失うと鉱物が残る
石灰岩のすき間を通った水には、溶けた炭酸カルシウム由来の成分が含まれることがあります。その水が洞窟の空気に触れて二酸化炭素を放出すると、溶けていられる量が変わり、方解石という鉱物が析出する場合があります。天井に付いた一滴から、ごく小さな結晶が残ることがあるのです。
この変化が何度も繰り返されると、天井から垂れ下がる形がゆっくり育ちます。ただし水が滴れば必ず鍾乳石になるわけではありません。水に溶けた成分、二酸化炭素の条件、温度や湿度などが違えば、結晶が成長しない場合もあります。単に水が凍った氷柱とは、材料も仕組みも違います。
上から下と、下から上の違い
天井から下がる形を鍾乳石、床から上へ伸びる形を石筍と呼びます。天井で鉱物が残れば下向きの成長が起き、滴り落ちた水が床で鉱物を残せば上向きに成長することがあります。長い時間のうちに両者がつながると、石柱のような形になる場合もあります。
どちらも同じ「水滴の成分が析出する」という仕組みですが、鉱物が積もる位置で名前が変わります。形を見分けるときは、地面とつながっているか、天井とつながっているかを確かめてください。ただし洞窟内には流れる水がつくる別の形もあり、すべてを鍾乳石と石筍の二つだけに分けられるわけではありません。
一センチ伸びるのに何年かかる？
鍾乳石の成長速度は場所や時期によって大きく異なります。一センチ伸びるまでにかかる時間を、世界中で同じ数値に決めることはできません。水滴の供給が変われば成長が止まったり、再び始まったりすることもあります。成長速度が一定だと仮定して長さを割り算するだけでは、形成開始の年代を正確に求められません。
たとえば十センチの鍾乳石があったとしても、一本一本の成長履歴が分からなければ、何年でできたかは決まりません。調査では内部の成長層や年代測定など、追加の手段が必要です。鍾乳石の長さから年齢を推理したくなる気持ちは自然ですが、まず「成長が一定」という前提が成り立つかを疑ってみましょう。
地形と水の流れを図で考える
水に溶けるものが、条件の変化で再び固体になるという現象自体は、食塩の結晶などでも考えることができます。ただし食塩の結晶は鍾乳石と同じ化学反応でできるわけではありません。両者の共通点は、溶液から固体が現れるという点に限られます。模型と実際の洞窟を同一視しないことが大切です。
図を描くなら「雨が地面へ入る→石灰岩の成分が水へ溶ける→洞窟へ水が届く→二酸化炭素などの条件が変わる→鉱物が残る」と矢印で結んでみましょう。水の行き先だけでなく、溶けた成分の行き先を別の色で描くと、一つの水滴がなぜ石を育てるのか理解しやすくなります。
鍾乳洞に触れない方がよいのはなぜ？
多くの観光鍾乳洞では、鍾乳石に触れないよう案内されています。ごくゆっくり成長する形成物を傷つけたり、表面に汚れを付けたりすると、元に戻るまで長い時間がかかる場合があります。観察したい気持ちがあっても、手で折ったり持ち帰ったりする必要はありません。
写真を見比べるなら、鍾乳石の先端や石筍の形、水が落ちる位置に注目します。洞窟内の照明による色の違いを鉱物の種類だと即断しないことも重要です。現物に近づかなくても、写真に写る形から「どこで結晶が残ったのか」を推理できます。
流れる水が同じでも育つ形が違う
同じ洞窟でも、天井から一滴ずつ落ちる場所と、壁を薄く流れる場所では、鉱物が付着する形が異なります。天井から落ちる水滴なら鍾乳石や石筍が発達する場合があります。壁を伝って流れる水なら、幕のような形や流れた跡に沿う形になる場合があります。成分が似ていても、水が動く場所と経路によって結果は違うのです。
紙の上に点を打ち、「天井」「壁」「床」の三か所に線を引いてみましょう。同じ一滴がどこを通ったときにどんな場所へ鉱物を残すか、矢印で描いて比べます。水の量だけでなく、接触する場所も変数として加えると、洞窟に多様な形が見られる理由が分かります。
なお、観光洞窟で写真を撮るときは、光の当たり方によって表面の色や凸凹が強調されます。色が違うだけで鉱物の成分が違うと決めつけず、まず形と水の経路を確かめることが大切です。
ゆっくりした変化を一つの流れとして読む
鍾乳石を見るときは、天井から下がる姿だけでなく、上にある土や石灰岩、隙間を通る水、洞窟内の空気までつなげてみましょう。目に見える部分は最後の結果であり、その前にいくつもの条件が積み重なっています。
もし二つの洞窟で鍾乳石の大きさが違っていたら、単純に大きい方が古いとは限りません。水量や溶けた成分、成長した期間が違うかもしれないからです。形は過去を読む手がかりですが、答えそのものではありません。条件を一つずつ調べる姿勢が、鍾乳石の観察を深い学びに変えます。
