穴があるから、水に溶かされたとは限らない
洞窟と聞くと、石灰岩が水の作用で溶かされてできる鍾乳洞を思い浮かべるかもしれません。しかし溶岩洞では、流れる溶岩の外側が冷えて固まり、その中を流れていた溶岩が抜けることで空洞が残る場合があります。中学入試では、同じ空洞という形でも、でき方を分ける資料として扱えます。穴の見た目だけで、溶解や侵食と決めつけないことが出発点です。
溶岩流の表面は外の空気などに触れ、内部より先に冷えやすくなります。表面の固まった部分が屋根のようになっても、その内側では高温の溶岩が流れ続けることがあります。供給が減ったり流れ出たりして内部の溶岩がなくなると、通り道が空洞として残ります。外側が全部一瞬で冷えた後に、水が内部を削ったという順序ではありません。
三つの時点を並べる
まず流れている状態、次に外側に固い殻ができて内部が流れる状態、最後に内部の一部が抜けた状態を描きます。各時点で固体と流れる部分を別の色にすると、材料がどこへ移ったかが追いやすくなります。空洞は、材料が突然消えてできるのではありません。流出先があるという条件が、形成の説明に必要です。
すべての溶岩流に同じ形の洞窟ができるわけでもありません。流れやすさ、供給の継続、地形などが関わります。写真に管状の空洞があることから、一定の直径で何kmも続いていると推測することはできません。図が模式図なら、実際の複雑な分岐や凹凸を省略している点を意識します。計算で円筒として扱うのも、例題の仮定です。
溶けると融けるを言い換えて確認する
石灰岩が水の中へ成分を移す溶解と、岩石が高温で液体状になる融解は違います。漢字の使い分けだけを覚えるより、「水に溶け込む」「熱で液体になる」と言葉にすると区別できます。溶岩洞の空洞形成では、既に流れていた高温の物質が外へ流出することが重要です。水へ溶け込んで消えたという説明ではありません。
洞窟の壁の岩石の種類も、成因を考える資料です。鍾乳石の有無だけで全てを決めるのではなく、周囲の地質と溶岩流の構造を合わせて判断します。異なる成因の空洞を比較する問題なら、岩石、温度、物質の移動のしかたという三列の表にすると、見た目の似ている部分に引きずられません。
例題1｜空洞の体積を求める
直線状の溶岩洞を、内側の半径2m、長さ10mの円筒として近似します。空洞の体積は何立方mですか。円周率は3.14とし、凹凸は考えません。
答え・解説：125.6立方mです。内側の断面積は2×2×3.14＝12.56平方mなので、12.56×10＝125.6となります。壁の外側の半径を使うと、岩石部分まで含んだ体積を求めてしまいます。ここで求めたのは中の空間の大きさで、洞窟全体の岩石の質量ではありません。実際にこの量の溶岩が全て一度に流出したとまでは、この近似だけでは判断できません。
例題2｜岩石の殻の体積
同じ模型で外側の半径を3m、内側を2m、長さを10mとします。両端のふたを考えない円筒状の岩石部分の体積はいくらですか。
答え・解説：157立方mです。外側の円筒は3×3×3.14×10＝282.6、内側の空洞は125.6なので、差は157です。半径の差1mを使って1×1×3.14×10とする計算は、輪の部分を小さな円柱と取り違えています。断面の輪は大きな円から小さな円を引いて求めます。壁の厚さと空洞の半径が同じ種類の長さでも、体積へ換算する手順は違います。
成因の説明には、材料の行き先を入れる
答案では「表面が冷えて固まり、内部の流動する溶岩が流れ出して空洞が残る」と順序をつなぎます。「冷えたから穴ができた」だけでは、なぜ内部がなくなるのかが説明できません。外側の固化と内部の排出を二つの出来事として書くことがポイントです。空洞の計算でも内側と外側を分けるため、図の読み方と成因の理解がつながります。地学の問題は名称を答えるだけでなく、物質の移動を追うと解きやすくなります。
流出量から形成時間を求める条件
空洞の体積が分かっても、内部が空になるまでの時間は別の情報です。一秒に出る溶岩の体積が一定という条件があれば、空洞に対応する体積を毎秒の流出量で割る模型を考えられます。しかし流出と同時に上流から流入していたら、出た総量と空洞の増加量は一致しません。流れのある通り道では、流入と流出の差が内部に残る量を変えます。
屋根が一部崩れて穴が開いた写真では、その穴を溶岩の噴出口と決めつけないようにします。もともと地下の通り道があり、その上部が失われて見えるようになった可能性があります。洞窟の中が空になった時期と、地表から見える穴ができた時期は異なりえます。形成の段階を増やして整理すると、断面図に描かれた崩れた岩の意味も読めます。
溶岩洞の内部を流れた痕跡が示されている場合、その向きと現在の地表の傾きを照合します。ただし後の地形変化があれば、現在の低い方が必ず当時の流れの下流とは限りません。問題に地形が変わらないという条件があるかを確認します。空洞という完成した形から過去を読むときは、今の姿をそのまま形成時へ戻せる範囲を見極めることが大切です。
洞の長さを地図から求める場合、入口と出口を結ぶ直線距離と、曲がった通路に沿う長さを分けます。通路が曲がっていれば、内部を流れた距離は二地点間の直線より長くなります。断面積に長さを掛ける体積模型でも、どの経路の長さを用いるかを明示します。円筒近似という言葉には、断面が一定という仮定と、通路の長さを確かめるという作業の両方が含まれています。
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