火山がない場所に、なぜ温泉があるのか

温泉といえば、火山を思い浮かべる人が多いだろう。実際、日本を代表する温泉地の多くは、火山の周りにある。 箱根、草津、別府、霧島。どれも火山活動と深く関わる温泉地だ。

だが日本には、火山のない土地にも、たくさんの温泉がある。 東京の都心で地下深くまで掘れば、40℃や50℃を超える温泉水が得られることもある。しかも都心の温泉は、地下にマグマがあるから温かいわけではない。

さらに不思議なのが、兵庫県の有馬温泉だ。

有馬温泉の周りには活火山がない。それなのに、非常に熱い温泉が湧き出している。 源泉によっては90℃を超え、天神泉源では約98℃に達する。

しかも有馬の温泉は塩分がとても濃く、鉄分を多く含んでいる。海から離れた山あいに、なぜこれほど塩辛く、熱い温泉が湧くのだろう。

火山のない土地の温泉は、火山の温泉より単純なものだと思うかもしれない。だが実際には、成り立ちは驚くほどさまざまだ。なかには、火山の温泉以上に複雑で、地球科学の大事な研究対象になっているものさえある。

この記事では、火山のない土地に温泉が生まれる仕組みを考えながら、地球の地下深くで何が起きているのかを探ってみたい。

1｜そもそも、温泉に火山は必要なのか

まず、温泉と火山の関係を整理しておこう。

火山の周りには、地下から上がってきたマグマや、マグマに熱せられた岩石があることがある。地下水が熱い岩石から熱を受け取れば、温泉が生まれる。 火山の温泉の典型的な仕組みだ。

だが、地球の内部には、火山がなくても熱がある。 地球はできたときに蓄えた熱をいまも外へ逃がし続けていて、岩石に含まれる放射性元素が壊れるときにも熱が生まれている。

そのため、地表から地下へ進むほど、ふつうは岩石の温度が高くなる。 深さとともに温度が上がる割合を「地温勾配」という。

地温勾配は地域によって違うが、火山のない地域では、地下100mにつき2〜5℃ほど上がるのが一般的だ。 仮に100mにつき3℃ずつ上がり、地表付近の地温が15℃なら、地下1,000mでは45℃、地下2,000mでは75℃になる。

つまり、地下深くまで行けば、マグマに熱せられなくても、周りの岩石は十分に熱くなっている。 そこに水があって、岩石と熱をやりとりしていれば、温かい地下水ができる。温かい地下水を地表に取り出せば、火山のない土地でも温泉になる。

ここまでは分かりやすい。だが、地温勾配だけで、火山のない土地の温泉をすべて説明できるわけではない。 火山のない土地の温泉には、熱の得方も、水の出どころも違う、いくつもの成り立ちがある。

成り立ちを理解するには、温泉の「熱がどこから来たか」と「水がどこから来たか」を分けて考える必要がある。

たとえば、雨水が地下深くで温められた温泉と、古い海水が地下に閉じ込められて温められた温泉では、熱の出どころは似ていても、水の出どころが違う。反対に、同じ雨水から来た温泉でも、地温勾配で温められたものと、火山の熱で温められたものとでは、熱の出どころが違う。

熱と水の出どころを分けて考えると、温泉の成り立ちがずっと分かりやすくなる。

2｜地下深くにある、温かい水の層

まず考えたいのが、地下深くにある温かい地下水だ。

東京や大阪のような大きな平野の地下には、長い時間をかけて積もった地層が、厚く重なっている。 平野や盆地の地下に、積もった土砂が厚くたまっている地域を「堆積盆地」という。

地層は、砂や泥、礫などが長い時間をかけて積もってできる。地盤が沈んでいく土地では、新しい土砂が次々に運ばれてきて、数百mから数千mもの厚さの地層ができることもある。

地層のなかには、水を通しやすい砂礫層もあれば、水を通しにくい泥岩の層もある。水を通しやすい地層に地下水があり、上下を水の通りにくい地層に挟まれていれば、地下水は圧力を受けたまま蓄えられることがある。

その地層が地下深くにあれば、地下水は周りの岩石から熱を受け取って温かくなる。 深い地層にある温水や熱水を、地熱資源として見るときには「深層熱水」と呼ぶ。

大事なのは、深層熱水には、必ずしもマグマが要らないということだ。地下深くの温度が高く、地下水を蓄える地層がある。この二つの条件がそろえば、温泉ができる。

ただし、深層熱水が自然に地表へ湧き出すとは限らない。地表までつながる水の通り道がなければ、温かい地下水は深い地層の中にとどまったままだ。その場合は、地下まで井戸を掘って、水を取り出す必要がある。

いま都市で使われている温泉の多くは、深い地下水を汲み上げてできている。

ここに、自然に湧き出す温泉と、人が地下を掘って取り出す温泉の違いがある。もっとも、二つを天然か人工かで分けて考えるのは正しくない。地下にある温泉水そのものは、どちらも自然の地質の条件によってできたものだからだ。

違うのは、温泉水が自然の通り道を通って地表に現れているのか、人が新しい通り道を掘って取り出しているのか、という点だ。自然に湧くか、掘って取り出すかの違いは、温泉の湧出量や、いつまで使い続けられるかを考えるうえでも大事になる。

3｜地下に閉じ込められた、大昔の海水

火山のない地域の温泉には、非常に塩分の濃いものがある。

海の近くなら、海水が地下にしみ込んだのではないかと想像できる。だが、内陸にある温泉でも、海水に似た成分を大量に含んでいることがある。 なぜだろう。

理由の一つが「化石海水」だ。

地球の歴史のなかで、いまの陸地が、かつては海底だったという土地は珍しくない。 たとえば、いまの平野をつくっている地層のなかには、海底に積もった泥や砂からできたものがある。海底で地層ができたとき、泥や砂のすき間には海水があった。

やがて新しい土砂が上に積み重なり、地層は地下深くへ埋もれていく。その過程で、海水の一部が地層のすき間に取り残されることがある。 地層のすき間に取り残された海水を、化石海水と呼ぶ。

名前からすると、大昔の海水がそのまま閉じ込められているように思えるかもしれない。だが、実際にはそれほど単純ではない。

地層が埋もれていくと、上に積み重なった土砂の重さで圧力がかかる。土砂のすき間が狭くなり、水が押し出されることもある。 この現象を「圧密」という。

また地下では、温度や圧力が変わるにつれて、鉱物と水のあいだで化学反応が進む。 海水に含まれていた成分が減ったり、岩石から新しい成分が溶け込んだりする。さらに、あとからしみ込んできた雨水の地下水と混ざることもある。

つまり化石海水は、昔の海水がそのまま保存されたものというより、古い海水から始まり、長い時間をかけて地下で変わってきた地下水だと考えたほうがよい。化石海水が地球の熱で温められれば、塩分を多く含む温泉になることがある。

化石海水から来た温泉だからといって、いまの海水と同じ成分になるとは限らない。 地下での反応によって、塩化物イオンだけでなく、ヨウ素やホウ素、アンモニウムなどが特に多くなることもある。

だから、塩辛い温泉を見つけたとき、「海水が混ざっている」と考えるだけでは足りない。 塩分はいまの海水から来たのか、大昔の海水から来たのか。それとも、地球の深いところから来た別の水が関わっているのか。塩分の出どころを調べることで、温泉の成り立ちが分かる。

4｜有馬温泉という、奇妙な温泉

ここで、有馬温泉に戻ろう。

有馬温泉が地質学的にとても面白いのは、周りに活火山がないのに、非常に熱く、塩分の濃い温泉が湧き出していることだ。

有馬を代表する金泉は、鉄分と塩分を豊富に含んでいる。湧き出した直後の金泉は透明でも、空気に触れると鉄が酸化して、赤褐色に変わっていく。 金泉の独特の茶褐色は、地下から運ばれてきた鉄が、地表で新しい化学反応を起こしてできた色だ。

だが、もっと不思議なのは、温度と塩分だ。有馬には90℃を超える源泉があるが、有馬は火山地帯ではない。

地温勾配だけで考えれば、地下深くの熱い水が上がってきた可能性はある。だが、それだけでは、有馬の温泉がなぜ非常に濃い塩分を含み、ほかの温泉と違う化学的な特徴をもつのかを十分に説明できない。

そこで地球科学者たちは、有馬の温泉水に含まれる成分を詳しく調べてきた。大事な手がかりになったのが、水素と酸素の同位体の割合だった。

同位体とは、同じ元素でありながら重さが違うもののことだ。雨水や海水、地球の深いところから来た水では、水素や酸素の同位体の割合に違いが出ることがある。

有馬の塩分の濃い温泉水は、ふつうの雨水から来た地下水とは違う同位体の割合を示している。 しかも、その一部は、マグマに関係する水と似ていた。

そのため、かつては有馬の地下に未知のマグマがあるのではないか、という可能性も考えられた。だが、周りの火山活動や地下の様子を考えると、マグマがあるという説明には無理があった。

では、マグマがないのに、なぜマグマに関係する水と似た特徴が現れるのだろう。ここから、話は地球のさらに深いところへ進んでいく。

5｜プレートは、水を地球の内部へ運んでいる

日本列島は、いくつものプレートが複雑に接するところにある。そのうち、太平洋プレートやフィリピン海プレートといった海のプレートは、日本列島の下へ沈み込んでいる。

プレートとは、地球の表面を覆う硬い岩盤のことだ。海のプレートは、海底の地殻と、その下にあるマントルのいちばん上の部分からできている。

海のプレートは、ただの岩石の塊として動いているわけではない。海底の岩石は海水と化学反応して、水を含む鉱物に変わることがある。 さらに海底には泥などが積もっていて、泥の中にも水を含む鉱物がある。

ここでいう水を含む鉱物とは、岩石がただ濡れているという意味ではない。たとえば粘土鉱物や蛇紋石には、水素や酸素が、鉱物の結晶そのものに組み込まれているものがある。 スポンジに水がしみ込んでいるのとは違い、水から来た成分そのものが、鉱物をつくる一部になっているのだ。

水を含む鉱物がプレートと一緒に地下へ沈み込むと、温度と圧力が上がっていく。そして、ある条件に達すると、それまで安定していた鉱物が別の鉱物に変わり、結晶に含まれていた水が放出される。 この反応を「脱水反応」という。

脱水反応で放出された水は、周りの岩石のすき間や割れ目を通って移動することがある。一部はマントルの岩石を溶けやすくして、マグマができるのに関わる。 日本列島に火山がたくさんある理由の一つが、この仕組みだ。

だが、脱水反応で生まれた水が、すべてマグマになるわけではない。マグマをつくることなく、水のまま地球の内部を上がってくるものもあると考えられている。

その一部は地殻の中へ入り込み、地下水と混ざりながら地表にたどり着くことがある。地下深くから上がってくる、こうした水を「深部流体」と呼ぶ。

6｜有馬の温泉は、プレートから来た水なのか

有馬温泉の成り立ちを理解するうえで大事なのが、まさに深部流体だ。

有馬型の温泉水がもつ独特の成分や同位体の割合を説明する有力な考え方は、沈み込む海のプレートから放出された水が関わっている、というものだ。 つまり有馬の温泉には、地上からしみ込んだ雨水だけでなく、プレートの脱水反応で生まれた水が混ざっていると考えられている。

海底でできた岩石が、プレートと一緒に地下深くへ沈み込む。岩石が高温・高圧のもとで変わり、水を放出する。放出された水の一部が、地殻の割れ目や断層などを通って上がり、地下水と混ざりながら、やがて温泉として地表に現れる。地球規模で物質が巡る動きが、有馬温泉の成り立ちに関わっているのだ。

もちろん、地下数十kmの深さから水がどんな道筋をたどり、どのくらいの時間をかけて地表に届いたのか、すべてが明らかになっているわけではない。

また、有馬の温泉がすべてプレートから放出された水でできているという意味でもない。地表近くからしみ込んだ地下水との混ざり合いや、地下での化学反応も考える必要がある。

それでも、有馬型の温泉水にプレートから来た深部流体が関わっているという考えは、水素と酸素の同位体の割合、塩分、ヘリウムなどの分析を通じて、研究成果を積み重ねてきた。 産業技術総合研究所は深部流体の研究を進めていて、2024年には地質標本館で「プレートテクトニクスがつくる なぞの温泉『深部流体』」という特別展も開いている。

深部流体が関わっていると考えられる温泉は、有馬以外の地域でも見つかっている。 かつては、火山のない土地の熱く塩辛い温泉を、どう説明すればよいのか分からないこともあった。だが、地球内部での水の巡りについての研究が進んで、こうした温泉をプレートの沈み込みと結びつけて考えられるようになってきた。温泉の研究が、地球の内部で物質がどう巡っているかを理解する手がかりになっている。

7｜温泉を調べると、地下の見えない世界が分かる

地下深くから水が上がってくると聞いても、実際にその様子を観察するのは難しい。 地球の内部を自由に掘り進めることはできないし、地下数十kmの水の流れを直接見ることもできない。

では、科学者たちは何を手がかりに、地下で起きていることを考えているのだろう。大事な手がかりの一つが、温泉水に含まれる成分だ。

たとえば、ヘリウムには、ヘリウム3とヘリウム4という同位体がある。ヘリウム4は、地殻の岩石に含まれるウランやトリウムなどが壊れるときに生まれる。 一方、ヘリウム3は地球の内部に古くからある成分と関係が深く、マントルから来た水やガスを調べる大事な手がかりになる。

そのため、温泉水に溶けたヘリウム3とヘリウム4の割合を調べると、地下のどのあたりからガスが来ているのかを推定できる。

ただし、ヘリウムの同位体の割合だけで、水そのものの出どころが決まるわけではない。水とガスは、通ってきた道や出どころが違う場合もある。いくつもの分析結果を組み合わせて考える必要がある。

水素と酸素の同位体の割合、塩素や臭素などの元素の割合、ヘリウムの同位体の割合。どれもが、地下で起きた出来事について違う情報をもっている。 科学者たちは、これらの情報を組み合わせて、直接見ることのできない地球の内部を推理している。温泉水は、地球の内部から届いた化学の手紙のようなものだ。

こうした研究は、いまも進んでいる。2026年に公表された関東山地北縁部の温泉水の研究では、水質や希ガスの同位体を組み合わせた分析によって、広い地域でプレートから来た水が混ざっている可能性が示された。 一方、海で積もった堆積岩が厚く分布する高崎市や安中市、富岡市の周りでは、化石海水や、堆積物が変わるときに生まれた水が大きな役割を果たしていると考えられている。

この研究から分かるのは、火山のない土地の温泉は、一つの成り立ちでは説明できないということだ。近くにある温泉どうしでも、水の出どころや、地下でたどってきた過程が違うことがある。一つの温泉に、出どころの違う水が混ざっていることもある。温泉の成り立ちは、僕たちが想像する以上に複雑だ。

8｜火山の温泉と火山のない土地の温泉は、何が違うのか

ここまで見てきたように、火山のない土地にも温泉はある。だが、温泉がある理由は一つではない。

地下深くまで巡った雨水が、地球の熱で温められる場合がある。地層の中に残された古い海水が、地下の熱を受け取って温泉になる場合もある。そして、プレートの沈み込みで生まれた深部流体が、地下水と混ざりながら地表に現れる場合もある。

一方、火山の温泉では、マグマや、マグマが冷えて固まった熱い岩石が、地下水に強い熱を与えることがある。さらに、マグマから放出されたガスや熱水が、温泉の成分に影響することもある。

つまり、火山の温泉と火山のない土地の温泉の違いは、近くに火山があるかどうかという地理の問題だけではない。 熱がどこから来たのか。水はどこから来たのか。どんな岩石の中を通り、どんな化学反応を経てきたのか。熱と水と岩石の組み合わせで、温泉の性質が決まっていく。

気をつけたいのは、火山の温泉か火山のない土地の温泉かという分け方は、硫黄泉や塩化物泉といった泉質の分け方とは別のものだということだ。

火山の温泉だから必ず硫黄泉になるわけではないし、火山のない土地の温泉だから成分が薄いわけでもない。火山のない土地で、非常に濃い塩化物泉が生まれることもある。

日本の温泉法では、地下から湧き出す水などについて、温度が25℃以上であるか、決められた成分を一定量含んでいれば温泉になる。つまり、法律上の温泉という分け方は、その水がどんな地質の過程でできたかを示すものではない。

だから、泉質名だけを見ても、温泉の成り立ちまでは分からない。同じナトリウム－塩化物泉でも、古い海水から来たもの、雨水が岩石と反応するあいだに塩分を得たもの、深部流体が関わっているものなど、違う歴史をもっている可能性がある。

逆に、同じ火山の地下の熱水から生まれた温泉でも、地下水との混ざり方や化学反応の違いによって、違う泉質になることがある。

泉質は、温泉がいまどんな成分をもっているかを表したものだ。一方、温泉の成因は、温泉水がどこから来て、どうやってできたのかという歴史を説明するものだ。泉質と成因を区別できるようになると、温泉の見え方は大きく変わる。

9｜温泉から、日本列島の地下を想像する

温泉は、火山の恵みだとよく言われる。確かに、日本列島にはたくさんの火山があり、火山の周りに豊かな温泉がある。

だが、温泉を火山だけで理解しようとすると、見落としてしまうものがある。

火山のない土地にも、地球内部の熱はある。地下には何千年もかけて動く水があり、古い海水が地層の中に残っていることもある。そして日本列島の地下では、海のプレートが沈み込むことで、地球の内部へ水が運ばれ、ふたたび放出されている。

どれも、僕たちが地表から直接見ることのできない出来事だ。だが温泉は、地下の出来事の一部を地表まで運んできてくれる。

有馬温泉の熱くて塩辛い温泉も、ただ成分の濃い珍しい温泉というだけではない。成り立ちを理解すると、はるか沖合の海底から日本列島の地下へ沈み込むプレートの動きにまで、想像が広がっていく。

東京の地下深くから汲み上げられる温泉にも、別の面白さがある。目の前に火山が見えなくても、足元には長い時間をかけて積み重なった地層があり、地球内部の熱で温められた水がある。

温泉の成り立ちを知ることは、目の前の温泉の向こうに、その土地の地質と地球の歴史を見ることだ。

火山のない地域にも温泉があるという事実は、温泉の楽しみ方を大きく広げてくれる。 温泉地を訪れたとき、周りに火山が見えないからといって、その温泉が地質学的に平凡だとは限らない。むしろ、熱がどこから来て、水がどんな道筋をたどってきたのか分かりにくいからこそ、面白い温泉もある。

温泉の面白さは、一つの温泉の中に、どれほど多くの地球の出来事が隠れているかにある。

次に温泉へ行ったときは、温泉地の地質についても少し調べてみてほしい。近くに火山はあるだろうか。どんな岩石や地層が広がっているのだろう。その温泉は自然に湧き出しているのか、それとも深い地下から汲み上げているのか。それだけでも、これまで見えなかったものが、少しずつ見えてくるはずだ。