結論からいうと、火山の近くに温泉が多いのは、地下にあるマグマや高温の岩石が強い熱源になり、地中へしみ込んだ雨水や地下水を温めやすいからです。 温められた水は周囲より軽くなり、断層や岩盤の割れ目を通って上昇します。その水が地表へ自然に湧き出したり、井戸でくみ上げられたりすると温泉として利用されます。
つまり、火山の近くでは熱源・水・水の通り道がそろいやすいため、温泉ができやすいのです。ただし、温泉は火山の近くにしかないわけではありません。火山がない地域でも、地下深くまでしみ込んだ水が地球内部の熱で温められて温泉になることがあります。
温泉はどこから来る水なのか
環境省は、温泉の多くが雨や雪などの降水を起源とする地下水からできると説明しています。
地表に降った雨や雪の一部は、川へ流れず、土や岩石のすき間から地下へしみ込みます。地下へ入った水は、地層や岩盤の中をゆっくり移動します。
その途中で地下の熱源に近づくと、水の温度が上がります。さらに地下の岩石や火山ガスと反応すると、さまざまな成分を溶かし込むことがあります。
こうして温められ、成分を含むようになった地下水が地表へ戻ってくると、温泉になります。
理由1：火山の地下には強い熱源がある
火山地域の地下には、マグマがたまる場所があります。
JOGMECは、火山地帯の地下数kmから十数kmにマグマだまりがあり、その熱が周囲の岩石や地下水を温めると説明しています。
マグマそのものは非常に高温です。地表からは見えなくても、その熱は周囲の岩盤へ伝わります。
このため火山地域では、地下の比較的浅い場所でも高温になりやすく、地下水を温めるための強い熱源が存在します。
理由2：雨や雪が地下へしみ込み、熱水になる
山に降った雨や雪の一部は地下へ浸透します。
JOGMECによると、火山地域ではその地下水の一部が長い時間をかけてマグマだまりに近い場所まで達し、熱せられて高温の熱水や蒸気になります。
この水は地下で非常に高い温度になることがあります。圧力が高い深い場所では、100℃を超えても液体のままで存在する場合があります。
つまり、温泉の水は「マグマがそのまま水になったもの」ではありません。多くの場合、もともとは地表に降った雨や雪などの水が地下で温められたものです。
理由3：断層や岩の割れ目が温泉の通り道になる
地下で水が温められても、地表まで上がる道がなければ温泉として湧き出しません。
山の地下には、地殻変動や火山活動でできた断層、亀裂、節理などがあります。こうした割れ目は地下水の通り道になります。
温められた水は冷たい地下水より密度が小さくなるため、浮力によって上昇しやすくなります。
USGSも、火山地域では地表の水が地下深くまでしみ込み、マグマ周辺で加熱された後、亀裂や割れ目を通って再び地表へ上昇し、温泉や間欠泉などになると説明しています。
そのため、火山地域で断層や亀裂が多い場所ほど、温泉が湧きやすい条件がそろうことがあります。
理由4：地下に熱水をためる「地熱貯留層」ができることがある
地下の熱水がすぐ地表へ流れ出すとは限りません。
水を通しやすい岩石の層の上に、水を通しにくい岩盤があると、熱水や蒸気が地下にたまることがあります。
JOGMECは、このように高温・高圧の熱水や蒸気がたまった場所を「地熱貯留層」と呼んでいます。
温泉地では、自然に湧き出す水だけでなく、こうした地下の熱水を井戸でくみ上げて利用している場合もあります。
地熱発電も基本的には同じ地下の熱を利用しており、より高温・高圧の蒸気や熱水を取り出して発電に使います。
温泉の成分が場所によって違うのはなぜか
温泉は、温度だけでなく含まれる成分も場所によって違います。
地下水が長い時間かけて岩石の中を通ると、岩石中の成分が水へ溶け込みます。また、火山地域ではマグマから出る火山ガスが地下水へ溶け込むこともあります。
USGSは、火山地域の地下水がマグマの熱やガスの影響を受け、塩化物、硫黄化合物、二酸化炭素などを含むことがあるとしています。
そのため、火山の種類、周囲の岩石、地下水の流れ、火山ガスの量などによって、温泉の色、におい、酸性・アルカリ性、含まれる成分が変わります。
硫黄のにおいがする温泉が火山地帯に多いのはなぜ？
火山地域では、マグマから硫黄を含むガスが放出されることがあります。
このガスが地下水と反応すると、硫化水素などの成分が生じる場合があります。硫化水素には独特のにおいがあります。
そのため、火山の近くの温泉では「硫黄のにおい」を感じることがあります。
ただし、火山地域のすべての温泉が硫黄泉になるわけではありません。地下水がどの岩石やガスと接触したかによって成分は大きく異なります。
温泉の温度が高い場所と低い場所があるのはなぜ？
温泉の温度は、熱源までの距離、地下水が通る深さ、地表まで上がる速さ、途中で混ざる冷たい地下水の量などによって変わります。
熱源に近い場所で高温になった水でも、地表へ上がる途中で冷たい地下水と混ざれば温度は下がります。
逆に、深い場所から比較的速く上昇してくる水は、高温を保ったまま湧き出すことがあります。
同じ火山の周辺でも、源泉ごとに温度が違うのは、地下の流路がそれぞれ異なるためです。
火山が活動していなくても温泉は残ることがある
現在噴火していない火山の周辺にも温泉があります。
その理由は、地下のマグマや高温岩体がすぐに冷え切るわけではないからです。
USGSは、若い火山地域では、現在活動中のマグマだけでなく、比較的最近固まった高温のマグマ体も地下水を温める熱源になると説明しています。
火山活動が弱まった後でも地下には長く熱が残るため、温泉や噴気活動が続く場合があります。
温泉が多いから近くに活火山があるとは限らない
温泉と火山は深く関係していますが、「温泉がある＝近くに活火山がある」とは限りません。
環境省は、温泉を大きく火山性温泉と非火山性温泉に分けています。
火山性温泉は、火山地域で地下水がマグマだまりの熱によって温められたものです。
一方、非火山性温泉は、火山活動とは直接関係せず、地下深くの地温や古い海水などによって形成されます。
そのため、平野部や火山から遠い都市にも温泉は存在します。
火山がない東京にも温泉があるのはなぜ？
産総研・地質調査総合センターは、関東平野南部のような非火山地域でも、地下深くへ行くほど地温が上がるため温泉ができると説明しています。
地下では一般に深くなるほど温度が高くなります。地質調査総合センターは、関東平野南部では平均すると100m深くなるごとに約3℃地温が上昇する例を示しています。
地下1,000m、2,000mと深く掘れば、火山がなくても高温の地下水に達することがあります。
つまり温泉には、火山のマグマを主な熱源とするものと、地球内部から伝わる通常の地熱で温められるものがあるのです。
海外の火山地域でも同じ仕組みが見られる
アメリカのイエローストーンは、火山と温泉の関係を観察できる代表的な地域です。
USGSによると、雨や雪として地表に降った水が地下へ浸透し、マグマが存在する地域の上を循環する間に加熱されます。
温められた熱水は周囲の冷たい地下水より軽いため上昇し、地表に温泉や間欠泉として現れます。
この仕組みは、日本の火山地域にある多くの温泉と基本的に共通しています。
温泉と噴気・間欠泉は何が違うのか
地下の熱水がどのように地表へ出るかによって、見える現象は変わります。
- 温泉：温められた地下水が継続的に湧き出す
- 噴気：地下から主に水蒸気や火山ガスが噴き出す
- 間欠泉：地下の熱水が一定の間隔で急激に沸騰し、噴き上がる
これらは別々の現象ですが、地下に熱源と水があるという点では共通しています。
火山の近くならどこでも温泉が湧くわけではない
火山の近くに強い熱源があっても、温泉が必ずできるわけではありません。
温泉が成立するには、少なくとも次の条件が必要です。
- 地下水を温める十分な熱源がある
- 雨や雪などから供給される水がある
- 水が地下深くまで入り込める岩盤や割れ目がある
- 温められた水が地表方向へ戻れる通り道がある
熱源があっても水が少なければ温泉はできにくく、水があっても割れ目がなければ地表へ湧き出しにくくなります。
つまり火山の近くに温泉が多いのは、火山の熱だけでなく、地下水と地質構造が組み合わさっているからです。
温泉は火山活動の変化を反映することもある
火山周辺の温泉では、地下の状態が変わると温度や湧出量、化学成分が変化することがあります。
USGSは、火山地域の水の化学組成を観測することで、地下のマグマや火山ガスの変化を知る手がかりになる場合があるとしています。
ただし、温泉の変化は降雨量、地下水位、くみ上げ量などでも起こります。
そのため、温泉の温度や成分が変わっただけで噴火の前兆だと判断することはできず、地震や地殻変動、火山ガスなど他の観測と合わせて評価する必要があります。
火山の近くに温泉ができる仕組みを順番に整理すると
- 山に雨や雪が降る
- 一部の水が岩盤の割れ目から地下へしみ込む
- 地下のマグマだまりや高温岩体の近くで水が温められる
- 水が岩石や火山ガスの成分を溶かし込む
- 温められた水が浮力や地下圧力によって上昇する
- 断層や亀裂を通って地表へ達する
- 自然湧出または井戸による揚湯で温泉として利用される
まとめ
火山の近くに温泉が多い最大の理由は、地下のマグマや高温岩体が強い熱源となり、そこへしみ込んだ地下水を効率よく温められるからです。
- 温泉の水の多くは雨や雪などが地下へしみ込んだもの
- 火山地域ではマグマだまりが地下水を強く温める
- 温められた水は断層や岩盤の割れ目を通って上昇する
- 地下に熱水がたまる地熱貯留層ができることもある
- 岩石や火山ガスとの反応で温泉ごとに成分が変わる
- 現在噴火していなくても、地下に熱が残っていれば温泉は続くことがある
- 火山がない場所でも、深い地下の地熱によって温泉はできる
つまり火山と温泉は、「地下の熱を水が地表まで運ぶ」という仕組みでつながっています。火山の近くでは熱源が浅く強いため、この仕組みが成立しやすく、温泉地が多く見られるのです。
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