温泉は、なぜ温かいのか

温泉に浸かっていると、ふと不思議に思うことがある。なぜ地面の下から、こんなに温かい水が湧き出してくるのだろう。

人間がお湯を沸かすには、火を使うにせよ電気を使うにせよ、何かのエネルギーが要る。ところが温泉は、誰かが沸かしているわけでもないのに、ときには手を入れられないほど熱い温泉水が、何十年、何百年、あるいはもっと長いあいだ湧き続けている。

理由を尋ねれば、「地下にマグマがあるから」と答える人が多いと思う。

間違いではない。火山の周りには、マグマの熱で温められた温泉がたくさんある。だが、火山のない土地にも温泉はある。 東京の都心でも、地下深くまで井戸を掘れば、数十℃の温泉水が得られることがある。

では、火山のない土地の温泉は、何によって温められているのか。

この疑問をたどっていくと、地球の内部になぜ熱があるのか、地下の水はどう動いているのか、という大きな問いにつながっていく。温泉を知ることは、地球がいまどう活動しているかを知ることでもある。

1｜地球は、46億年前から冷え続けている

まず知っておきたいのは、地球そのものが、内部に膨大な熱を抱えた惑星だということだ。

地球の中心の温度は、およそ5,000〜6,000℃と推定されている。太陽の表面温度に匹敵する温度だ。地下のどこもがそれほど熱いわけではないが、僕たちが歩いている地面の下には、非常に高温の世界が広がっている。

地球がこれほど熱い理由は、大きく二つある。

一つは、地球が生まれたときの熱が、いまも残っていることだ。

約46億年前、太陽系ができる過程で、無数の小さな天体がぶつかり合い、合体を繰り返して地球ができた。天体がぶつかると、運動のエネルギーの一部が熱に変わる。地球ができたころには、衝突に加えて、内部で重い金属が中心へ沈んでいくときにも、大量の熱が生まれた。

地球はこのとき得た熱を、46億年かけて少しずつ宇宙へ逃がしてきた。だが地球は半径約6,400kmもある。内部の熱がすっかり逃げきるには、途方もなく長い時間がかかる。

もう一つは、地球の内部で、いまも新しい熱が生まれていることだ。

地球の岩石には、ウラン、トリウム、カリウムなどの放射性元素がごくわずかに含まれている。これらの元素は、長い時間をかけて別の元素に変わっていく。この変化を放射性崩壊といい、崩壊のときに出るエネルギーが、最終的に熱になる。

岩石1kgに含まれる放射性元素はわずかでも、地球全体では膨大な量になる。しかもウラン238やトリウム232は、半分が崩壊するまでに数十億年以上かかる。地球が生まれて46億年たったいまも、これらの元素は熱を出し続けている。

つまり地球は、生まれたときの熱を少しずつ失いながら、内部で新しい熱もつくり続けている。

ただし、地球の内部が熱いことと、火山があることは、別の話だ。

火山を見ると、地球の内部は熱いのだと実感する。だが、地球の内部が熱いからといって、どこにでもマグマがあるわけではない。

地球の内部の大部分を占めるマントルは、非常に高温だが、基本的には固体の岩石でできている。 長い時間をかければゆっくり変形して流れるが、全体が液体のように溶けているわけではない。

マグマができるのは、温度だけでなく、圧力や水があるかどうかなどの条件がそろって、岩石の一部が溶けたときだけだ。

だから、火山のない地域の地下にも、地球内部の熱は届いている。 温泉を理解するうえで、この点がとても大事になる。

2｜地下は、深くなるほど温かい

地球の内部に熱があるなら、熱は地表に向かって伝わってくるはずだ。実際にそうなっている。

地下は、深くなるほど温度が高くなる。 深さとともに温度が上がる割合を、地質学では「地温勾配」と呼ぶ。

地温勾配は地域によって大きく違うが、日本の火山のない地域では、地下100mにつきおよそ3℃という値が、説明によく使われる。

仮に、地表付近の地温が15℃で、100mごとに3℃ずつ上がる土地を考えてみよう。地下100mなら18℃、500mなら30℃、1,000mなら45℃、2,000mなら75℃になる。

もちろん、これは単純にした例だ。実際の地温勾配は地域や深さによって違い、地下水の動きで地温そのものが変わることもある。

それでも、この計算から分かることがある。地下2,000mまで行けば、マグマがなくても、温泉として十分な温度になる土地があるということだ。地下水がその深さにあって、周りの岩石と熱をやりとりしていれば、水も温まる。

気をつけたいのは、地温勾配は「水が地下にもぐれば自動的に温度が上がる」という法則ではないことだ。地温勾配は、地下の温度の分布を表しているにすぎない。水が温まるのは、周りの熱い岩石から熱を受け取るからだ。

地球の内部から地表へ流れ出す熱の量は、地球全体の平均で1平方メートルあたり約0.09ワットと見積もられている。地表に届く日光のエネルギーと比べると、ずっと小さい。

それでも地下に熱い岩石があるのは、岩石が熱を伝える速さに限りがあり、内部の熱が長い時間をかけて少しずつしか地表へ逃げられないからだ。

地表に近いところの温度は太陽や季節の影響を強く受けるが、深くなるにつれて、地球の内部から伝わる熱の影響が大きくなる。火山がなくても温泉が生まれる基本的な理由は、ここにある。

では、地下で温まる水は、どこから来るのだろう。そして、地下深くで温まった水は、どうしてまた地表に出てこられるのだろう。

3｜温泉の水は、もともと雨だった

温泉について意外に知られていないのが、水の出どころだ。多くの温泉の水は、もとは地上に降った雨や雪だった。

雨が降ると、一部は川になって海へ流れ、一部は蒸発し、一部は植物に吸われる。残りの一部が、地面の中へしみ込んでいく。

地下にしみ込んだ水は、土や岩石の小さなすき間や、岩盤の割れ目を通って、少しずつ移動する。

地下水というと、地面の下に大きな空洞があり、水がたまっている光景を思い浮かべるかもしれない。鍾乳洞のように地下を川が流れていることもあるが、一般的な地下水はそうではない。砂や砂利の粒と粒のあいだ、岩石の細かなすき間、岩盤の割れ目に水が入り込み、すき間や割れ目の中を流れている。

ここで大事になるのが、岩石の「透水性」だ。透水性とは、水がどれだけ通りやすいかという性質のことだ。

砂や砂利が積み重なった地層では、粒のあいだを水が動きやすい。一方、緻密な岩石は、そのままでは水をほとんど通さないことがある。だが、緻密な岩石でも割れ目が多ければ、割れ目が水の通り道になる。

地下水の一部は、こうした通り道を伝って、数百m、数千mの深さまで達する。途中で地下水は周りの岩石から熱を受け取り、深くまで動いて熱い岩石と十分に熱をやりとりした水が、やがて温泉になる。

ただし、地下水が地下で過ごす時間は、土地によってまったく違う。比較的短いあいだに地表へ戻る水もあれば、何百年、何千年、あるいはもっと長く地下にとどまる水もある。

アメリカ・アーカンソー州のホットスプリングス国立公園は、火山によらずに自然に湧き出す温泉として知られている。地下深くを巡った水が、地球の熱で温められて地表へ戻ってくる。米国地質調査所の解説によれば、ホットスプリングスで湧く水は、およそ4,000年前に降った雨だと考えられている。

温泉で触れる水は、昨日降った雨とは限らない。人間が生まれるはるか前に地中へしみ込んだ水かもしれない。

なお、すべての温泉が雨や雪だけでできているわけではない。地層の中に閉じ込められた古い海水や、地球の深いところから上がってくる熱い水が混じる温泉もある。水の出どころの違いは、温泉の成分や性質にも深く関わっている。

4｜火山の近くでは、何が起きているのか

では、火山の近くでは何が違うのだろう。

火山の地下では、マグマが比較的浅いところまで上がってきて、周りに非常に熱い岩石があることがある。そのため、ふつうなら何kmも掘らなければ得られない温度が、比較的浅いところに現れる。

火山の近くで温泉ができる仕組みを考えるには、熱の伝わり方を知っておく必要がある。温泉ができるうえで特に大事なのが、「熱伝導」と「対流」だ。

熱伝導は、物そのものが動かなくても、熱が熱いところから冷たいところへ伝わる現象だ。熱い鉄板に金属のスプーンを置くと、だんだん持ち手まで熱くなる。岩石の中でも同じように、熱は熱いところから冷たいところへ伝わっていく。

地下にマグマがあれば、周りの岩石が熱せられ、熱はさらに外側の岩石へ広がっていく。地下水は、温められた岩石に触れて熱を受け取る。

対流は、水や気体そのものが動くことで熱が運ばれる現象だ。鍋に水を入れて下から温めると、温まった水は膨らんで、周りの冷たい水より軽くなる。浮力で温かい水が上がり、冷たい水が下がる流れが生まれる。

地下でも似たことが起きる。地下水が熱い岩石に温められると、周りの冷たい地下水より軽くなり、条件がそろえば上がっていく。地下水の流れによって、地下深くの熱が、地表に近いところまで効率よく運ばれる。

実際の火山の温泉では、マグマから分かれた熱いガスや熱水が上がってきて、地下水に熱や成分を与えることもある。マグマが地下水を直接温めるだけでなく、マグマに温められた岩石や、マグマから上がってきた熱いガスや熱水を通して、熱が伝わることもある。

こうして火山の周りでは、地下の広い範囲に熱い水や蒸気が広がる。地質学では、熱い水や蒸気が広がった地下の一帯を「地熱系」と呼ぶ。火山の温泉は、マグマの上に水がたまっているのではなく、地下で熱と水が動き続けるなかで生まれている。

5｜温まった水は、なぜ地表へ上がってくるのか

地下深くで水が温まることは分かった。だが、温まった水が地下にとどまったままなら、温泉には入れない。温泉になるには、水が地表まで上がってこなければならない。

地下の水は、どうやって重力に逆らって上がってくるのだろう。

答えの一つは、先ほどの浮力だ。温まった水は、周りの冷たい水より軽くなり、上向きの力を受ける。

しかし、温かい水は軽いから自然に地表まで上がってくる、と考えるだけでは足りない。 地下水の流れを決めるのは浮力だけではない。地下の水圧や、水がしみ込む土地と湧き出す土地の高さの差も大きく関わる。

たとえば、高い山に降った雨が地下にしみ込み、離れた低地で湧き出す場合を考えてみよう。地下水は、水圧の高いところから低いところへ流れる。 山の高いところでしみ込んだ地下水が、地中を深く巡ったあと、谷底のような低いところへ向かって流れるのは自然なことだ。流れの途中で温められれば、自然に湧き出す温泉になる。

このとき決定的に大事なのが、岩盤の割れ目や断層だ。

地中の岩石は、どこでも自由に水を通すわけではない。水を通しにくい岩盤が広がっていれば、地下水は簡単には動けない。ところが、断層や破砕帯と呼ばれる、岩石が割れたり砕けたりしたところには、水の通り道ができていることがある。 割れ目が地下深くから地表近くまでつながり、水を押し上げるだけの圧力の差があれば、温められた地下水は割れ目を通って地表に現れる。

反対に、地下に十分な熱と水があっても、地表まで通じる割れ目がなければ、温泉は自然には湧かない。その場合でも、温泉水のある地層や割れ目まで井戸を掘れば、地下の圧力で噴き出させたり、ポンプで汲み上げたりして、温泉を取り出せることがある。温泉が生まれるには、熱と水だけでなく、水を地表まで運ぶ割れ目や地層が要る。

では、上がってくる途中で温泉水は冷めないのだろうか。実は、冷めることもある。 上がる途中で周りの岩石に熱が逃げたり、冷たい地下水と混ざったりすれば、温度は下がる。一方、流れが速ければ、冷めきる前に地表に着く。通り道の周りの岩石まで熱くなっていれば、熱は逃げにくい。

源泉の温度は、地下でどれだけ熱せられたかだけでは決まらない。 どんな通り道を、どのくらいの速さで、どんな水と混ざりながら上がってきたかによっても変わる。同じ火山の周りでも、ある温泉は熱く、別の温泉はぬるいのには、地下での水の流れ方の違いが関わっている。

また、地下では100℃を超える水が、液体のまま存在していることもある。水は100℃で沸騰すると思われがちだが、100℃で沸騰するのは大気圧に近い条件での話だ。圧力の高い地下深くでは、沸騰する温度も高くなる。 そのため、高温・高圧の地下水が上がってきて圧力が下がると、途中で一部が急に蒸気に変わることがある。温泉地の噴気や間欠泉は、圧力と沸騰の関係で説明できる。

6｜温泉は、地下にある巨大な湯船ではない

ここまでの話から、温泉のよくあるイメージは少し修正が必要になる。

地下に巨大な湯船のようなものがあり、温められた温泉水が地表へあふれ出している。そんな光景を思い浮かべていた人もいるかもしれない。だが、実際の温泉の多くは、もっと動きのある現象だ。

雨や雪が地下へしみ込み、岩石のすき間や割れ目を通って動く。地下深くで熱を受け取った水が、圧力の差や浮力によって、別の通り道を上がってくる。途中で冷たい地下水と混ざり、周りの岩石と熱をやりとりしながら地表へ向かう。こうした水の動きが、地下の広い範囲で起きている。

もちろん、地下には水を多くため込む地層もあり、熱い水や蒸気が集まるところもある。地熱発電で使われる「地熱貯留層」がその例だ。だが、地熱貯留層も、大きな地下の空洞とは限らない。 岩石のすき間や割れ目に、熱い水や蒸気が入り込んでいることが多い。

温泉は、地下のどこかにたまった温泉水を汲み出したものというより、地下を動き続ける水が、地球内部の熱を地表へ運んでくる現象だ。

7｜火山のない東京にも、温泉がある

ここまで分かると、火山のない土地に温泉があることも、不思議ではなくなる。

東京の都心には、深さ1,000〜1,500m、あるいはもっと深くまで掘って温泉水を取り出す施設がある。東京の地下には、長い時間をかけて積み重なった地層が広がっていて、深い地層にも地球内部の熱が伝わっている。

地温勾配が100mにつき3℃なら、地下1,500mは地表付近より45℃も高い。その深さに地下水があれば、周りの岩石から熱を受け取っている。地下水のある深さまで井戸を掘って水を取り出せれば、温泉として使える。火山の温泉とは熱の来かたが違うが、地球内部の熱を使っている点では同じだ。

ただし、忘れてはならないことがある。地下に熱があることと、温泉を長く取り出し続けられることは、別の話だ。

地下にどれだけ水がたまっているか。周りから新しい水がどれだけ補われるか。汲み上げで地下の水圧がどれだけ下がるか。冷たい地下水が流れ込んで、温泉の温度が変わらないか。こうした条件によって、温泉を使える量や期間は変わる。

地球内部の熱は長いあいだ存在し続けるが、一つ一つの源泉が無制限に使えるわけではない。温泉が湧き続けるには、地下で水と熱の巡りが保たれている必要がある。温泉は、自然がいくらでも与えてくれる資源ではない。

8｜温泉に浸かるということ

最初の問いに戻ろう。温泉は、なぜ温かいのか。

地球が内部に熱を蓄えていて、地球の熱で温められた地下の水が、岩石のすき間や断層を通って地表へ運ばれてくるからだ。

火山があれば、マグマによって比較的浅い地下にも強い熱が届く。火山がなくても、地下深くには地球内部の熱が伝わっている。どちらの場合も、水が熱を受け取り、地表まで運んでくることで、僕たちは温泉に入ることができる。

考えてみれば、ずいぶん不思議なことだ。温泉で感じる温かさのもとには、地球が46億年前に生まれたときの熱や、いまも岩石の中で生まれ続けている熱がある。熱を運んできた水は、何百年、何千年も前に地上に降った雨だったかもしれない。

しかも、熱と水の組み合わせは、土地によって違う。地下にどんな岩石があるのか。どのくらい深くまで水が巡っているのか。どんな断層や割れ目があるのか。近くに火山があるのか。地下の水がどれだけの時間をかけて動いてきたのか。こうした違いによって、温泉の温度も、湧き出し方も変わる。

さらに、水は地下を巡るあいだに、岩石からさまざまな成分を溶かし込む。透明な温泉、白く濁った温泉、鉄の匂いがする温泉、硫黄の匂いがする温泉。温泉ごとの違いにも、地下で起きている物理や化学の現象が関わっている。

同じ温泉は、二つとない。土地の地質と、地球内部の熱と、水が地下で過ごした長い時間が重なって、一つ一つの温泉が生まれている。

温泉に浸かるということは、地球の内部で起きている出来事に、直接触れることなのだ。

次に温泉に入るときは、目の前の温泉水が地表に出てくるまでに、地下でどんな通り道をたどってきたのかを想像してみてほしい。