温泉の水はどこから来てどこへ行くのか

温泉に浸かっているとき、僕たちは温かさや肌触り、独特の匂いを楽しんでいる。だが、目の前の温泉水がどこから来たのかを考えることは、あまりない。

温泉が温かいのは、地下にしみ込んだ水が、地球の内部の熱を受け取るからだ。だが、ここにはまだ疑問が残る。そもそも地下には、なぜ水があるのか。 地中深くまで入り込んだ水は、どう動き、どうやってまた地表に現れるのか。

実は、温泉の多くは、もとは地上に降った雨や雪だ。山に降った雨が地面にしみ込み、地下を巡り、長い年月をかけて温められ、ふたたび地上に湧き出してくる。

こう書けば簡単だが、途中で水がたどる道のりは、想像をはるかに超えている。地下水は何千年もかけて動くことがあり、地表から数千mの深さに達することもある。さらに温泉のなかには、大昔の海水や、地球のもっと深いところから上がってきた水が関わっているものさえある。

温泉の水の出どころを考えることは、ふだん目にすることのない、地下を巡る水の動きを知ることでもある。

1｜雨は、どこへ行くのか

雨が降ると、地面に落ちた水の一部は川に流れ込み、やがて海へ向かう。一部は蒸発して大気に戻り、植物に吸われた水も、葉から蒸発して大気に戻る。残りの一部が、地面の中へしみ込んでいく。

地表から地下へ水が入り込むことを「浸透」という。浸透した水の一部は、さらに深くまで進んで、地下水を補給する。

意外なのは、地下水がどこにあるかだ。

地面の下に巨大な空洞があり、水がたまっている。地下水と聞いて、そんな光景を思い浮かべる人もいるかもしれない。だが実際には、地下水の多くは、土や砂の粒と粒のあいだや、岩石の小さなすき間や割れ目の中にある。

コップいっぱいに砂を入れてみるとよい。砂がぎっしり詰まっているように見えても、砂粒と砂粒のあいだには小さなすき間が残っている。水を注ぐと、水は砂粒のすき間に入り込んでいく。

地下でも同じことが起きている。砂や礫が積み重なった地層では、粒のあいだに水がある。岩石の内部にも目に見えないほど小さなすき間があることがあり、岩盤に割れ目が入っていれば、割れ目にも水が入り込む。

ただし、水をためることと、水を通すことは同じではない。

粘土には非常に小さなすき間がたくさんあり、水を含むことができる。だが、一つ一つのすき間が小さいので、水は簡単には動けない。一方、砂や砂利の層では、すき間が十分につながっていれば、水は比較的楽に流れる。

水がどれだけ通りやすいかという性質を「透水性」という。そして、地下水をため、井戸や湧き水に水を送り出せる地層や岩盤を「帯水層」と呼ぶ。砂礫層のような積もった土砂だけでなく、割れ目の多い岩盤も帯水層になる。

温泉を考えるうえでは、水をためることと通すことの違いが大事になる。地下にどれほど大量の水があっても、水が動けなければ、地表に湧き出してくることは難しいからだ。

2｜地下には、もうひとつの水の流れがある

地上の川は、高いところから低いところへ流れる。地下水も基本的には、エネルギーの高いところから低いところへ動く。

ただし、地下では少し事情が違う。地下水は、単純に標高の低いほうへ流れるだけではない。水には圧力がかかっていて、圧力も流れを左右する。地下水を動かすのは、水の高さによるエネルギーと、圧力によるエネルギーを合わせたものだ。 水理学では、二つを合わせたエネルギーを水の高さに直して「水頭」と呼ぶ。

難しい言葉だが、井戸を思い浮かべると分かりやすい。水を通す地層まで井戸を掘ると、水が井戸の中を上がってくることがある。深いところにある水でも、十分な圧力がかかっていれば、井戸の中の水位は高くなる。

水を通しにくい地層に上下を挟まれて、圧力がかかった地下水を「被圧地下水」という。被圧地下水に井戸が届くと、水が自然に上がり、条件によっては地表から噴き出すことさえある。 温泉が自分の力で湧き出す「自噴」も、被圧地下水の仕組みで説明できる。

では、地下の水に圧力をかけているのは何か。大きな要因の一つが、地形の高低差だ。

たとえば、標高1,000mの山に降った雨が地下にしみ込み、水を通す地層が標高の低い谷まで続いているとしよう。山の側で補給された地下水は、水頭の差によって谷のほうへ流れる。 途中で地層が地下深くにもぐり込み、ふたたび地表近くに出てくるなら、水も地下深くを通って移動する。

つまり、水が地下深くにもぐったあと、ふたたび上がってくるのは、不思議なことではない。 地形と、地下の圧力のかかり方によって、水は深くもぐってまた上がるように流れる。

もちろん、地下の水がすべて同じように動くわけではない。地表近くを短い距離だけ動く地下水もあれば、深い地層を通って遠くまで動く地下水もある。

3｜温泉の水は、何千年も旅をしている

地下水の流れが分かると、次に気になるのは速さだ。

地上の川なら、流れを目で見ることができる。だが、地下水の多くはとてもゆっくり動いている。米国地質調査所によれば、地下水が1日に約30cm動けば、地下水としては速いほうだ。 条件によっては、1年にわずか30cmほどしか動かないこともある。

そのため、地下水が地表からしみ込み、ふたたび地上に現れるまでには、何十年、何百年、あるいは何千年もかかることがある。

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には、火山とは直接関係のない、自然に湧き出す温泉がある。この地域では、山に降った雨が岩盤のすき間や割れ目から地下にしみ込み、深いところまで動く。途中で周りの岩石から熱を受け取り、地下の割れ目を通ってふたたび地表に現れる。

湧き出している温泉水の大部分は、およそ4,400年前に地下にしみ込んだ水だと推定されている。 4,400年前といえば、古代エジプトでピラミッドがつくられていた時代に近い。

ただし、4,400年という数字は、一つ一つの水の分子がきっちり4,400年かけて動いてきたという意味ではない。地下では、違う時代にしみ込んだ水が混ざり合うことがある。実際、ホットスプリングスの温泉でも、古い水に比較的新しい地下水が少し混ざっていることが分かっている。地下水の年代は、混ざり合いも考えに入れて推定される。

それでも、温泉の水が、僕たちの日常とはまったく違う長さの時間を地下で過ごしてきたことは確かだ。

4｜水の年齢は、どうやって調べるのか

地下水が4,400年前のものだと、どうして分かるのだろう。

地下水に製造年月日が書かれているわけではない。それでも科学者は、水に含まれるさまざまな物質を調べて、水がどこから来たのか、いつ地下に入ったのかを推定している。

大事な手がかりになるのが「同位体」だ。水は水素と酸素からできているが、水素にも酸素にも、重さの違う種類がある。ふつうの水素より少し重い重水素や、ふつうの酸素16より重い酸素18などだ。同じ元素でありながら重さが違うものを、同位体という。

水に含まれる重水素や酸素18の割合は、雨や雪ができる過程で変わる。そのため、雨や雪の同位体の割合には、気温や標高、季節、雨のもとになった水蒸気がどこから運ばれてきたかが表れる。

ある温泉水の水素と酸素の同位体の割合が、温泉のある地域の雨水や地下水とよく似ていれば、温泉水のおもな出どころは雨水だと考えられる。反対に、ふつうの雨水と大きく違う値なら、海水や、地球の深いところから来た水が混ざっている可能性を考えることになる。

ただし、水素や酸素の同位体の割合だけでは、水が地下にしみ込んだ年代までは分からない。そこで、時間とともに減っていく放射性の同位体も使う。

水素の放射性同位体であるトリチウムは、約12.3年で半分に減る。地下水のトリチウムを調べると、比較的新しい水が含まれているかどうかが分かる。

もっと古い地下水を調べるときは、炭素14などを使う。炭素14は約5,730年で半分になるので、数千年から数万年という時間を測る手がかりになる。 厳密には、炭素14は水の分子そのものではなく、水に溶けた炭素の成分を調べている。地下で岩石から炭素が加わると年代の推定がずれるので、さまざまな補正が必要になる。

いくつもの同位体や化学成分を組み合わせて調べることで、地下水がどんな道筋をたどってきたのかを、少しずつ復元できる。 目には見えない水の動きを、水に残った化学的な手がかりから読み解く。僕は、ここに地球科学の面白さがよく表れていると思う。

5｜水は地下を旅するうちに、変わっていく

地下水が地中を動くとき、起きているのは移動だけではない。水は、通り道にある岩石と少しずつ反応している。

水は、さまざまな物質を溶かすことのできる液体だ。地下水が岩石に触れると、岩石をつくる鉱物の一部が溶け出したり、水と鉱物が反応して別の鉱物ができたりする。

たとえば、石灰岩のある地域では、水に溶けた二酸化炭素が石灰岩を溶かし、カルシウムや炭酸水素イオンを含む地下水ができる。

火山岩のある地域では、長石や火山ガラスなどが水と反応し、ナトリウムやカリウム、ケイ素などが地下水に移っていく。

どの成分がどれだけ溶け出すかは、岩石の種類だけでは決まらない。水の温度、酸性・アルカリ性の度合い、二酸化炭素などのガスの量、地下にいた時間なども関係する。

つまり、温泉の成分には、地下で水が置かれてきた環境が表れている。

温泉には、ナトリウムやカルシウム、塩化物イオン、炭酸水素イオン、硫酸イオンなど、さまざまな成分が溶けている。僕たちはこれらの成分をもとに温泉を泉質に分けているが、一つ一つの成分には、地下で起きた出来事の跡が残っている。

温泉分析書は、どんな物質が含まれているかを並べた一覧にとどまらない。地下で水がどんな道筋をたどってきたのかを推理するための手がかりでもある。

ただし、岩石に長く触れていた水ほど、必ず成分が濃くなるわけではない。鉱物が溶ける量には限りがあり、温度や圧力が変われば、いったん溶けた成分がまた沈殿することもある。別の水と混ざって薄まることもある。温泉の個性は、地下にいた時間の長さだけでは決まらない。

6｜すべての温泉が、雨水からできているわけではない

ここまでは、雨や雪から始まる地下水の話をしてきた。だが、雨水だけでは説明できない温泉もある。

一つは、大昔の海水が地層の中に閉じ込められ、温泉として汲み上げられる場合だ。日本列島の平野や盆地の地下には、海だった時代に積もった地層がたくさんある。海で積もった地層のすき間には、海水から来た水が残っていることがある。地層に閉じ込められた大昔の海水を、「化石海水」と呼ぶ。

ただし、何百万年も前の海水が、そのままの成分で残っているとは限らない。地層が深く埋もれていくあいだに岩石と反応して成分が変わり、あとからしみ込んだ地下水と混ざることもある。そのため、化石海水から来た温泉は、いまの海水とは違う成分をもつことがある。

さらに、地球のもっと深いところから上がってくる水が、温泉に関わることもある。

日本列島の下では、海のプレートが陸のプレートの下に沈み込んでいる。沈み込むプレートには水を含んだ鉱物があり、地下深くで温度と圧力が上がると、鉱物から水が放出される。 放出された水の一部は地球の内部を上がってきて、地下水と混ざることがあると考えられている。

雨水が地下にしみ込む、ふつうの水の巡りとは、まったく規模の違う話だ。海底で岩石に取り込まれた水が、プレートと一緒に地球の深くまで運ばれ、地下深くで放出され、一部が地表に戻ってくる。温泉の水をたどっていくと、地球の内部で起きている物質の巡りにまで行き着く。

7｜温泉は、水の長い旅の一場面である

こうして考えると、温泉はただの地下水ではなく、地球を巡る水の動きの一部に見えてくる。

空から降った雨が地面にしみ込む。地下の岩石のすき間を通り、長い時間をかけて動く。途中で熱を受け取り、さまざまな鉱物と反応して、成分を変えていく。そして、地層のつながりや割れ目、地下の圧力によって、ふたたび地表に現れる。

だが、地表に出たところで水の旅が終わるわけではない。湧き出した温泉は、川に流れ込むかもしれない。地面にしみ込んで、また地下水になるかもしれない。蒸発して大気に戻り、いつかまた雨や雪として降るかもしれない。僕たちが温泉に入っているのは、途方もなく長い水の巡りの、ほんの一瞬だ。

温泉というと、つい湯船の中だけを見てしまう。だが、温泉を理解するには、雨が降る山々、地下に広がる地層、岩石の割れ目、地球内部の熱、そして何百年、何千年という時間まで考える必要がある。

温泉の水は、湧き出す土地の地下で起きてきた出来事を運んでくる。 だから、同じように見える透明な温泉でも、成り立ちはまったく違うことがある。