温泉の泉質は、何によって決まるのか

日本には、実にさまざまな温泉がある。

海水のように塩辛い温泉もあれば、ほとんど味のない温泉もある。硫黄の匂いが強烈な温泉もあれば、鉄の匂いがする温泉もある。肌に触れるとぬるぬるする温泉、肌がキュッと引き締まるように感じる温泉。温泉に入り慣れてくると、温度だけでなく、こうした違いが気になってくる。

だが、温泉はそもそも水だ。化学式で書けば、どれも基本的にはH₂Oである。それなのに、なぜ土地によってこれほど性質が違うのだろう。

答えは、地下で水がたどってきた出来事にある。

温泉は、地球内部の熱で温められ、地下水の流れに乗って地表まで運ばれてくる。だが、水は地下を移動するあいだ、ただ温められているわけではない。周りの岩石と反応し、さまざまな物質を溶かし込み、ときには溶けていた成分をまた沈殿させながら、少しずつ性質を変えていく。

つまり、温泉の個性を生み出しているのは、熱の出どころや水の出どころだけではない。水が地下で何と出会い、どんな反応を経てきたのか。その歴史が、温泉の泉質を決めている。

この記事では、泉質が決まる仕組みを化学の面から考えてみたい。

1｜水は、岩石を溶かしている

まず知っておきたいのは、自然界の水は、純粋なH₂Oだけでできているわけではないということだ。

僕たちがふだん飲んでいる水にも、カルシウムやマグネシウム、ナトリウムなど、さまざまな成分が溶けている。ミネラルウォーターのラベルに書かれている成分も、多くは水が地中の岩石などに触れるあいだに取り込んだものだ。 温泉でも、基本的には同じことが起きている。

たとえば、石灰岩を考えてみよう。石灰岩は、主に炭酸カルシウムという物質でできている。炭酸カルシウムは、水にそれほど溶けやすくはない。だが、水に二酸化炭素が溶け込んでいると、事情が変わってくる。

雨水は、大気や土の中の二酸化炭素を取り込む。二酸化炭素が水に溶けると、水は弱い酸性になる。この水が石灰岩に触れると、炭酸カルシウムを溶かす反応が起こりやすくなる。その結果、水にはカルシウムイオンと炭酸水素イオンが増えていく。 石灰岩の多い地域で、カルシウムや炭酸水素イオンを含む地下水ができやすいのはこのためだ。

鍾乳洞ができるのも、同じ仕組みによる。長い時間をかけて地下水が石灰岩を溶かすことで空洞が生まれ、石灰岩を溶かした水から炭酸カルシウムがふたたび沈殿して、鍾乳石が育っていく。 同じことが、温泉の地下でも起きている。

では、石灰岩ではなく、花崗岩の中を水が流れたらどうなるだろう。花崗岩には、石英や長石、雲母などの鉱物が含まれている。花崗岩の鉱物は石灰岩とは成分が違い、水との反応の仕方も違う。

たとえば、長石が水と反応して変質すると、ナトリウムやカリウム、カルシウムなどが水に移ることがある。また、ケイ素を含む鉱物との反応によって、水に溶けたシリカの量が変わる。 火山岩や変成岩でも、含まれる鉱物によって、水との反応は違う。

つまり、温泉がどんな岩石の中を通ってきたかによって、水に溶け込む成分は変わってくる。

ただし、石灰岩なら必ずカルシウムの多い温泉、花崗岩なら必ずナトリウムの多い温泉になる、というほど単純ではない。水と岩石の反応には、ほかにも多くの条件が関わっているからだ。

2｜地下では、温度によって化学反応が変わる

温泉がふつうの地下水と違う大きな特徴は、地下で高い温度を経てきたものが多いことだ。

化学反応の多くは、温度が高くなるほど速く進む。岩石の鉱物と水との反応も例外ではない。たとえば、常温の水ではとてもゆっくりしか進まない鉱物の変質が、熱い水に触れると、ずっと速く進むことがある。

さらに、温度が変わると、物質がどれだけ水に溶けるかという「溶解度」も変わる。ただし、温度が高いほどあらゆる物質がよく溶けるわけではない。

たとえば、石英のようにシリカを主成分とする鉱物は、ふつう温度が高いほど水に溶けやすくなる。一方、炭酸カルシウムの溶けやすさは、二酸化炭素の圧力や水のpHなどにも強く左右され、温度だけでは説明できない。

溶けやすさの違いは、温泉の成分を考えるうえで大事になる。地下深くで熱い水が岩石からシリカを溶かし込んだとしよう。この水が地表へ上がって冷えると、溶けていたシリカが溶けきれなくなり、細かい粒になったり、沈殿したりすることがある。

一方、炭酸カルシウムを多く含む温泉では、地表に出て二酸化炭素が抜けることで、炭酸カルシウムが沈殿しやすくなる場合がある。

温泉が地下で取り込んだ成分は、いつまでも溶け続けているわけではない。 温度や圧力が変われば、ふたたび固体になることもある。

温泉の湧き出し口や浴槽の縁に、白や褐色の硬い析出物がこびりついているのを見たことがあるだろうか。あれは、地下では水に溶けていた成分が、地表で固体として現れたものかもしれない。 僕たちが温泉で目にしているのは、地下から運ばれてきた物質が、新しい鉱物になっていく光景でもある。

3｜温泉の化学を変える、目に見えないガス

岩石と水の反応を考えるうえで、もう一つ大事なのがガスだ。特に大きな役割を果たすのが、二酸化炭素と、硫黄を含むガスである。

まず、二酸化炭素から考えよう。二酸化炭素が水に溶けると、水は酸性に傾きやすくなる。すると、岩石からカルシウムなどを溶かし出す反応が進みやすくなる場合がある。

地下深くでは水に高い圧力がかかっているので、条件によっては大量の二酸化炭素が水に溶けたままでいられる。 ところが、二酸化炭素を溶かした水が地表に近づいて圧力が下がると、二酸化炭素は水から抜け出しやすくなる。炭酸飲料のふたを開けると泡が出るのと、基本的には同じ現象だ。

しかも、二酸化炭素が抜けると、水の化学的な状態も変わる。たとえば、カルシウムと炭酸水素イオンを多く含む水では、二酸化炭素が抜けるとpHが上がり、炭酸カルシウムが沈殿することがある。 つまり温泉の中では、ガスが抜けることで、溶けていた成分が固体に変わる反応まで起きている。

もう一つ大事なのが、硫化水素だ。硫化水素は、腐った卵のような匂いをもつ気体で、火山地帯の温泉などに含まれることがある。ただし、硫化水素があるからといって、水が必ず強い酸性になるわけではない。

硫化水素は水に溶け、pHによって硫化水素の分子や硫化水素イオンなどになって存在する。一方、硫化水素が酸素と反応して酸化されると、条件によっては硫黄の細かい粒が生まれたり、さらに反応が進んで硫酸ができたりする。 火山の温泉の一部が強い酸性になるのは、こうした硫黄の酸化反応や、マグマから来る酸性の成分などが関係している。

たとえば、秋田県の玉川温泉には、pH1.2ほどという非常に強い酸性の源泉がある。ふつうの雨水や地下水とは、まったく違う化学の世界だ。

ここまで酸性が強くなると、水が岩石を変質させる働きも大きく変わる。ふつうなら溶けにくい鉱物の成分が水に移り、アルミニウムや鉄などが高い濃度で含まれる場合もある。

同じ火山地帯でも、ガスの量や水との反応、地下水との混ざり方によって、温泉の成分は大きく違う。マグマの熱が温泉を温めるだけでなく、火山から来るガスが、温泉の成分そのものを変えている。

4｜なぜ、海から離れた土地に塩辛い温泉があるのか

温泉の成分のなかで、比較的分かりやすいのが塩分だろう。塩化物イオンを多く含む温泉は、塩辛い味がすることがある。なかには、海水に匹敵するほど濃い塩分を含む温泉もある。

では、塩分はどこから来たのだろう。出どころの一つは、海水だ。 かつて海底だった土地の地層には、古い海水が残っていることがある。こうした化石海水が地下水と混ざれば、塩化物イオンの多い温泉ができる。海岸の近くでは、いまの海水が地下に入り込むこともある。

だが、塩化物イオンの出どころは海水だけではない。 火山活動にともなう熱水や、地球の深いところから上がってくる水にも、塩素を含むものがある。さらに、地下に塩の鉱物があれば、鉱物が溶けて塩分が増えることもある。

したがって、塩化物イオンが多いというだけでは、海水から来たとは言い切れない。 塩分の出どころを調べるために、地球化学者は塩化物イオンとほかの成分の割合を比べる。

たとえば、臭化物イオンという成分がある。臭素は海水にも含まれていて、塩素と臭素の比率が、水の出どころや地下で経てきた変化を推定する手がかりになる。 いまの海水、化石海水、岩塩が溶けてできた水、地球の深いところから来た水などでは、塩素と臭素の関係が違うことがある。

もちろん、塩素と臭素の割合だけですべてが分かるわけではない。ほかの化学成分や同位体の割合も調べる必要がある。それでも、温泉の成分を詳しく分析すれば、温泉水がどんな歴史をもっているのかを推定できる。 同じ「塩化物泉」と呼ばれる温泉にも、それぞれ違う成り立ちが隠れている。

5｜岩石は、成分を溶かすだけではない

ここまでは、水が岩石から成分を溶かし込む話をしてきた。だが、地下で起きているのはそれだけではない。水に溶けた成分が、岩石の成分と入れ替わることもある。

たとえば、粘土鉱物の表面には、ナトリウムやカルシウムなどのイオンがくっついていることがある。そこに地下水が流れてくると、水に含まれるイオンと、鉱物の表面にくっついているイオンが入れ替わる場合がある。 これを「陽イオン交換」という。

たとえば、カルシウムを多く含む地下水が、ナトリウムをくっつけた粘土鉱物に触れると、水の中のカルシウムの一部が鉱物の側へ移り、代わりにナトリウムが水へ出ていくことがある。この反応が進めば、もとはカルシウムの多い水でも、だんだんナトリウムの割合が高くなっていく。

つまり、温泉にナトリウムが多いからといって、ナトリウムの多い岩石が大量に溶けたとは限らない。 もともと水に含まれていた成分が、地下を移動するあいだに入れ替わることもある。

温泉の成分は、水が通ってきた岩石の成分をそのまま映しているわけではない。 岩石と水のあいだでは、溶解、沈殿、イオン交換など、さまざまな化学反応が起きている。そうした反応の結果として、僕たちが温泉分析書で目にする成分の組み合わせが生まれている。

6｜温泉は、長く地下にいれば濃くなるのか

ここまでの話を聞くと、一つ疑問が生まれるかもしれない。地下水が長い時間をかけて岩石と反応するなら、地下にいる時間が長いほど、温泉の成分は濃くなるのではないか。 直感的には、そう考えたくなる。

だが、実際には必ずしもそうではない。水に溶け込める物質の量には、温度や圧力、水の成分によって決まる限界がある。 ある鉱物について、水がそれ以上ほとんど溶かせなくなった状態を、化学平衡に達しているという。

ある鉱物が十分に溶け込んだ水は、同じ条件のままなら、鉱物と長く触れていても、濃度が大きく増え続けることはない。 反対に、水の温度やpHが変わったり、別の水と混ざったりすれば、いったん平衡に近づいた反応がまた進む場合もある。

また、地下水が同じところに長くとどまっていても、周りの岩石が溶けにくいものなら、成分はそれほど増えないかもしれない。一方、二酸化炭素を多く含む水が溶けやすい鉱物に触れれば、比較的短い時間でも大量の成分を取り込むことがある。

つまり、温泉の成分の濃さは、地下で過ごした時間だけで決まるわけではない。 岩石の種類、温度、圧力、ガス、化学平衡、地下水どうしの混ざり合い。こうした条件の組み合わせで、温泉の成分は決まっていく。

さらに、成分が濃いことと、入って気持ちがよいことは、別の話だ。 温泉の成分分析は、温泉水がどんな化学的な性質をもっているかを示している。だが、体がどう感じるかには、温度やpH、肌の状態、入浴の環境など、ほかにも多くの条件が関わる。濃度の数字だけで温泉の良し悪しを判断するのは、科学的にも十分とはいえない。

7｜同じ温泉地なのに、なぜ源泉ごとに違うのか

最後に、温泉好きなら一度は感じたことのある疑問を考えてみたい。同じ温泉地にあるのに、源泉によって性質がまったく違うことがある。

ある源泉は無色透明で、別の源泉は白く濁っている。ある源泉は硫黄の匂いが強いのに、すぐ近くの源泉にはほとんど匂いがない。温度やpHが違うことも珍しくない。なぜ、こうした違いが生まれるのだろう。

理由の一つは、地下水が通ってきた道筋の違いだ。 同じ温泉地の地下でも、すべての水が同じところを通っているわけではない。深いところまで巡ってきた水もあれば、比較的浅い地下を動いてきた水もある。触れてきた岩石も、温度や圧力も、地下で過ごした時間も違うかもしれない。

さらに、地下のどこかで、熱い熱水と冷たい地下水が混ざり合うこともある。 たとえば、同じ熱い熱水から来た源泉でも、ある源泉では浅い地下水があまり混ざらず、別の源泉では大量の地下水が混ざっているとしよう。そうなれば、湧き出す温度が違ってくるだけでなく、溶けている成分の濃さやpHも変わる。火山地帯なら、マグマから来るガスがどれだけ混ざるかという違いも加わる。

こうした複雑な流れの結果、地表では数百mしか離れていない源泉が、まったく違う成分を示すこともある。

つまり、温泉地の地下に、一つの大きな湯船があるわけではない。 地下には、温度や成分の違う水がいくつも流れていて、ときには混ざり合いながら動いている。その一部が、それぞれの源泉として地表に現れている。

8｜温泉の成分は、地球が残した記録である

温泉の成分を考えるとき、僕たちはつい、何がどれだけ含まれているかという数字に目を向けてしまう。だが、温泉分析書の数字には、濃度以上の意味がある。

カルシウムが多ければ、どんな岩石と反応したのだろうと考えられる。炭酸水素イオンが多ければ、二酸化炭素が関わる反応を想像できる。塩化物イオンが多ければ、古い海水や、地球の深いところから来た水の可能性を考えられる。硫黄を含む成分が多ければ、火山ガスや、地下で酸素がどれだけあったかを考える手がかりになる。

もちろん、一つの成分だけで、温泉の成り立ちを言い切ることはできない。だが、いくつもの成分を組み合わせて考えていけば、地下で起きていた出来事が少しずつ見えてくる。

温泉の泉質は、水にたまたまついた特徴ではない。泉質には、土地の岩石、地下水の流れ、地球内部の熱、ガス、そして長い時間のなかで積み重なった化学反応が関わっている。

温泉分析書は、温泉水が地球の内部で経てきた歴史を読み解くための記録なのだ。

だから、温泉に入ったとき、少しだけ成分を気にしてみてほしい。ナトリウムやカルシウムが多いのはなぜなのか。炭酸水素イオンや硫酸イオンはどこから来たのか。なぜこの温泉には、独特の匂いや色があるのか。そうした疑問をもつだけで、湯船の中から見える世界は大きく変わる。