北海道の温泉な らびに火 山についての 同位体化学的調査報告

岡山大学温泉研究所報告 第47^号(1978)55‑67^頁

北海道の温泉な らびに火 山についての 同位体化学的調査報告

松 葉 谷 治 ･酒 井

均 上 田

晃 ･堤 真 岡山大学温泉研究所 熱水地球化学部門

日 下 部

実

東京工業大学 佐 々 木 昭

地 質 調 査 所 (1978年1月21日受付)

I. 序 言

温泉水な らびに火 山噴 気 の起 源 に つ い て,CRAIG (1963)はその水素および酸素の同位体比の関係 か ら天 水起源と結論 したが,その後 これ らの同位休比に関す る 測定結果が蓄積されるにつれて,その多様性が指摘 され てきた (例 え ば,SAKAIandMATSUBAYA,1974 ; W HITE,1974).日本各地の温泉あるいは火山につ いて

も多 くの同位体化学的調査研究がなされている(ⅩusA‑

ⅩABE

e tal .

,1970;日下部ほか,1977;MATSUBAYA

e tal .

,1973;松葉谷ほか,1974,1975a,b ;MATSUO

g Jα

7

.

,1974;水谷 ･浜砂,1972 ;MIZUTANI,1973;

SAKAIandMATSUBAYA,1974,1975).

北海道の温泉な らびに火山は西南北海道 ,中央部の大 雪‑十勝火山列および東部の知床一阿寒火山列に存在す る.これ以外に,石狩炭田地帯あるいは北西部の海岸沿 いに食塩泉あるいは硫黄泉の鉱泉があり,豊富温泉 (と よとみ)のようにやや高温を示す もの もある.西南北海 道の温泉のうち渡島半島のものはグ リー ンタフ累層ある いはそれを含む新第三紀累層を湧出母岩 とし,溶存炭酸 物質に富んだ食塩泉が大部分である.その他の地域の温 泉 は第四紀の火山活動に開通 したものが主である.これ らの温泉の溶存化学成分は太秦 ほか (1959a,b)により はぼ全域にわたり調査されている.また,北海道地下資 源調査所 (1976)により,今 まで報告 されている調査研 究資料が集約整理 されつつある.

本調査では,温泉水の水 ,溶存炭酸物質な らびに溶存 硫酸イオ ン,あるいは火山噴気中の主成分について,水 莱 ,酸素,炭素および硫黄の同位体比を測定す ることを 目的 とした.試料採集は1975年6月15日〜27日間に,渡

島半島の内浦湾沿岸地域 ,ニセコ地 域 ,お よ び登 別 地 域 ,東北海道の知床一阿寒火山列地域な らびに沖里河鉱 泉 (おきりか)および豊富温泉について行 った.また, 恵山,登別 ,ア トサヌプ リおよび知床硫黄山の噴気につ いて調査 した.これ ら調査 した温泉な らびに火山の位置 をその他の主なものと合せて第1図に示す.

本報告では,温泉水の水素および酸素同位休比 ,溶存 炭酸物質の炭素同位体比 ,溶存硫酸イオ ンの硫酸同位体 比 ,な らびに火山噴気の化学組成およびその同位体比 に ついての測定結果を示 し,それにより判明 した事柄を述 べ る.但 し温泉水の溶存硫酸 イオ ンについてはまだ酸素 同位体比の分析が終 ってお らず ,後 日稿を改めて報告す る予定である.また,登別地域の調査は室蘭工業大学室 住正世教授のグル‑プと共同で行われたものであり,彼 らにより火山活動の経年変化を追 って採集 された試料な どの結果 と合せて改めて詳 しく報告す る予定である.

2 .

試科採集法および分析法

試料採集 ,同位休比測定な らびに化学分析は松葉谷ほ か (1975b)に記 した方法により行われた.温泉 水 の水 素同位休比は試料水を金属 ウランで還元 して得 られた水 素について,また酸素同位体比は試料水 と同位休交換平 衡に した二酸化炭素についてそれぞれ質量分析計で測定 された.溶存炭酸物質については,現地で酸化カル シウ ムを加えた後密栓 し持帰 った試料に真空中で希硫政を加 え,生 じた二酸化炭素を定量 した後同位体比の測定に供 した.火山噴気については,噴気を直接冷却凝縮 させた ものを用い水蒸気の水素および酸素同位体比を測定 し, また水酸化ナ トリウム溶液に吸収凝縮 させた ものを化学 成分の分析な らびに各成分の同位体比の測定 に供 した.

56 松葉谷 拾 ･酒 井 均 ･上 田 晃 ･堤 其

Fi g.

1

Lo c al i t yma po fho ts pr l ngSi nHo kka i do.

Fi ue dc i r c l e ss ho w t heho t ‑ a nd mi ner a l s pr l n gSS t udi e d a nd o pe n ci r c l e sot her maj orl l Ot S pr i ngs. Number sc or r e s po nd t ot ho s ei nTa bl e

1.

Al pha bet i c ali nde xt ot hel o c al i t yma p.

Na 血e Number Aka nkoha n

阿寒湖畔

Ame mas uRi ver

鮫川

As a r i ga wa

朝里川

At os a mupur i , ho ts pr i ng

ア トサヌプ T)

Es a n

恵山

Fut a mat a( I wa bur o)

二 股

Ge ns ei ka e n,c ol ds pr i n g

原生花園

Gi nko ny u

鋭婚湯

Go s hi ki

五色

Hor o be t s uRi ver

幌別川

428752520..〜〜〜98934186383飢旭408

I da s hube t s uRi ver

イダシュベ ツ川 78

I ke no yu

弛 ノ湯

I s o ya

磯谷

I wa o be t s u

岩尾別

J o z a nke i

定 山渓

Ka kkumi

川汐

Ea wa y u

川湯

Ko ga ne y u

黄金湯

Ro nb1 1

昆布

La keKus s bar o

屈斜路湖

La keMa s b u

摩周湖

9674.〜95978舶6

88ノ‑91 43 33 92 85

Mea ka n Ni gor i ka wa Ni bus e Ni i mi

Ni s e kO ‑ 0hyu numa

唯阿寒 99 溝川 15‑17

仁伏 94

新見 29‑31 ニセ コ‑大湯沼 36‑39

No bo r i be t s u,Ji go kuda ni

登別 ,地獄谷 49‑68

Obf una( Sbi mo noy u)

OI l f unaRi ver Ol muma Oki r i ka Os ha ma nbe Rai de n‑ As a hi

大船 (下 ノ湯)

7

大船川 8

大沼 12‑14 沖里河 69‑71 長万部 22 電雷一朝 日 26,27

Ra i de n( Mi ur aya)

電雷 (み うら屋)28

Sbi bet s uRi ver

士別川 83

Sbi ka be

鹿部 10

,l l Shi r a iRi ver

白井川

4 8 Sbi r et o ko,I wo ya ma

知床 ,硫黄 山 74‑77

Shi r i be t s uRi ver

尻

別

川 (蘭越) 32

( 氏a nkos hi )

To bet s u

(

I c l l i i ka n)

当別 (襟飴)

Toy ot omi ･ 1

豊富

Ut or o( Mi dor i s o)

芋登 呂 (緑荘)

Wa kot o

和琴

Yac hi ga s hi r a

谷地頭

Yuno kawa( RO ‑ go)

湯 ノ川

Yl l nO S a WaRi ve r

湯 ノ沢川

Yur a ppuRi ver

遊楽部

( Ya kumo)

37

97728296124721

それぞれの同位体比は次式で示 され る8値 ,すなわち ある標準試料か らの千分率偏差 (‰)で表 わされ る.

B X‑仁富農 賢軒 ‑ 1 )×103

ここでⅩは

D,1 8 0,1 3 C

あるいは

3 4

･

S

を

,R

試料 および R標準試料 はそれぞれ試料な らびに標準試料の同 位体比

( D/ H,1 8 0/ 1 6 0,1 3 C/ 1 2 C,3 4 S/ 3 2 S)

を 表 わ す.標 準試料は水素 と酸素 は

SMOW

,炭素は

PDB

,硫黄 は

Ca nyo nDi a bl o

である.測定の精度 は水素で

j =2%

O, 酸素 ,炭素および硫黄で

士0. 2 %

Oである.

3.結果および考察

温泉水 についての測定結果を第 1表 に示す,この中に は,1973年1月に 日本鉱業豊羽鉱業所 より提供 された定 山渓 ,黄金湯な らびに朝里川 (あさり)の温泉 について の結果 も含 まれている.また,調査地域の河川水 ,湖沼 水な どの地表水の結果 も示 されている.火山噴気につい ての測定結果を第2表 に示す .

北海道の温泉な らびに火山についての同位体化学的調査報告 57

Table1 Stableisotqpicratiosand contentsofchlorideand totaldissolved carbonate in hot sprlngS

and surfacewatersfrom Hokkaido.

stable isotope ratios

No.★ LoCality

i YachigaBhira 2 Yunokawa(R0‑gO)

3 EBan,hot sprirLg in a area 4 Esan‑Harada

5 Esan‑Zshida

6 Rakkuzni(Xakkumi一〇nsen liotel) 7 0hfuna(Shimonoyu)

8 0hfuna River 9 Isoya

10 Shikabe(TsurunOYu)

ll ditto (ToranOYu)

12 0hnum (TomenOyu) 13 dit.to(SanSui) 14 Lake OhntLma

15 Nigorikawa(Shineikan)

16 ditto tShinsenkan)

17 ditto ,ground water

18 Ginkonyu(No.1)

19 ditto (No.2)

20 ditto (No.3)

21 Yurappu River(Yakumo) 22 05hamanbe

23 Futamata(ェwaburo)

24 ditto (Ⅹumanoyu)

25 ditto (TanSanSen)

26 Raiden‑A8ahi

27 ditto ′ stream

28 Raiden(Hiuraya) 29 Niimi(Hotel Niini‑1) 30 ditto(Hotel Niimi‑2) 31 ditto,ground Water 32 ShiribetBu River(Rankoshi) 33 Konbu(Koikawa)

34 ditto(homijidani) 35 ditto.ground water 36 NisekO‑Ohyunuma(No･1)

37 ditto (No.2)

38 dltto (no.3)

39 ditt

o

, stream

40 Goshiki

41 Asarigawa(Onsen Center)

42 ditto (Yum to Hotel)

43 Roganeyu

44 JoZ:ankei(Norinso)

45 ditto (Tsukini Bridge)

46 ditto (Takayama Bridge)

47 YunoSaWa River 48 Shirai River

Temp. pH OC

H20 SO4 ‡CO2

6 D 6180 634s S13C

7230]4且つl′bL4124‑′○

︻52lll′0520

5ュ83

8123117193215641479592382835⊥20647966482⊥200125739LL77808090ュl⊥049087798879ll1222⊥l⊥100⊥⊥1222⊥l⊥22⊥⊥⊥ュ⊥⊥⊥⊥l⊥⊥l⊥⊥⊥l⊥l⊥⊥⊥l⊥l⊥工l⊥⊥l⊥ll十llllIll︼llll︻‑llllll一lll︻l‑lllIll‑lIl一lllIllI

t6563028542079LL142743234847621350⊥7⊥233⊥7638

ュ 0

3556′o99963224LrL39864rllつ一3540ノ7白U7CIU6622⊥208317Ln⊥9979工65tLICOlU3Ln4‑566′○′067′○′b65′06′066LOLn555′b′077777677′○′07′0677877777llIll一一一llllllllIllIIll︼lllIl一lll︼llIl︼llll‑lIll

8′b8CO10⊥5800′b42770(8374′bQUつ︼286′0′○′06LAILILBIIlIIII1l] ⊥⊥10560139151JlIl3L21‑76l白UIL8‑2211111つー22211+++++++++++++++ 32ll32⊥l︻⊥4‑7l⊥ll2‑11IlIIJJIIIJ 43ll75⊥⊥534122

7OLJ1ハ∪500l⊥4312‑l01⊥JIlII

つ一43′b 3001l⊥07l⊥45⊥l1>

′otL147‑6030′OLIlIIl一一lIlllIlIl一

70一4l‑l4lIlIIl︼lll‑︼l

13

2 >450

8ll5l‑llllIllIl⊥

58 _松葉谷 治 ･酒 井 均 ･上 田 晃 ･堤 真

stable isotope ratios

H20 SO4 ∑C

6 D 6180 634S 61

Locality

Noboribetsu,Jigokudani(mud pot)

ditt

o

, ditt

o

(Kikko)

Temp. ptl oC bollln9 1.8

97 3.6

H8N竺‑.Z,⁚二.‑Sl

凸ノ0123456789012345′078q′O,I1234567890⊥2345′0780ノ0⊥2345′b78q一45LL'SI/1LLT5LLT55Ln′06′0666666′077777777778COh88888COCE)89990ノ9qノ990.一dノ ditto,ditt

o

(Takinoya)dltto.di.tt

o

lⅥ0.5)

Noboribetsu,ditto,stream ditt

o

,LakeOhyunuma‑i.0n**dltt

o

.ditto,19mdltt

o

.ditto.19.5m

53 5.6

85 6.4

8

▲ Hl 8 2 2 5 2 9 つ ー 4▲ q 12 ditto,ditto,25m(i)‑dltt

o

,dltto.25m(2)‑ditt

o

,ditt0‑2.19m48‑dltto.dltto,19.5m69‑dltto.ditt

0

‑3,0m46‑dltto,dlttO,inflow‑1115.6ditto,ditt

o

.inflow‑2175.6ditto,ditto′outflow432.8ditt

o

.Okunoyu765.4dltto.ditto.inflow135.2ditto,Taishojigoku864.6ditto,sparbesideL.Ohyunumaboiling5.6

0klrlka(Hatonoyu‑1) dltto(Hatonoyu‑2)

ditto , stream

Toyotomi‑1 dltto ‑2

Shiretoko =woyama, hot spring

ditt

o

,工wonosawal1

ditt

o

.工wonosawa‑2

Shiretoko, cold spring Zdashubetsu River

工waobetslユ(Hotel Ch土nohate) Zwabetsu , stream

Horobetsu River Utoro(Hidoriso) Shlbetsu River

Genseikaen,cold spring I,ate Mashu

Atsanupuri, hot spring(E‑2)

dltto . hot spring(W‑1)

Rawayu(Yunokaku Hotel‑i) ditto(Yunokaku Hotel‑2)

ditt

o

ditto(Daimaru) Lake Russharo Amemasu River Nibuse 工kenoyu Wakoto

Tobetsu(Zchiikan) Akankohan

Meakan(Nakano)

辛 Numberscorrespond to those in Fig.1.

** Depth from lakewatersurface

6 rl J 5 5

′ b 4 4 4･ 43444′b54LL'534′b7 73477 77CO80)7 7 7 853467′b 767777777 1 I l l I l I l l [LllL I I lLI IlI lllII I I ll l l l I I lI I I I I l【ll l 1 [ [[

8Ln′OCOou⊥37924‑954445479CO⊥22qノ87OU4つJつん050′b0ll⊥600ノ52920′00350′b28Lt7944321434q一94′Oqノつ山4COlつ山0000022⊥2⊥0⊥37⊥⊥988q′CE)⊥⊥0⊥⊥l11⊥⊥⊥⊥⊥⊥l⊥l⊥⊥l⊥⊥⊥l⊥l1IlIlll‑一llIlIlll‑︼+lI‑l一ll一lIlIIlllIl‑lllll‑‑llIlll

77LnlUq一1575⊥901⊥54一′055727･5467⊥93⊥60LL72つ▲88′027⊥9⊥753376′08 +3.1+7.6+6.5+4.3

1 5 2 人 U 9′ 0 7qノ 49 l l 4 3 4 l L 4 4 4 5 1 0

‑

‑

‑l L L 1 5 1 1l q ノ ー 2 2 2 +⊥ + + + 十 十 + + + +

45922831717ll‑3LnCOI77Lll417182⊥⊥⊥⊥⊥+ll++++++ 6︻︼5lIl 0︻ユーIllIllIl 0.290.083.910.01

2.61 >1500

Ch l･ ュ ー r l l l O l 3 l

4llllIllllll‑5lll3

42ユーl00ILL8IIILLtIl000

5lIIIIIIlIIIJっんlll

北海道の温泉な らびに火山についての同位体化学的調査報告

5 9

Table2 Isotopicratiosandchemicalcompositionsoffumarolicgasesfrom Hokkaido.

Zsotopic ratios, ○/ . ｡ Chemical composition

.

% V/v

･O･ Locality T等 p･ S

D

H之｡ 6180｡2｡ 63‑S∑s SHs｡2S 63‑s

s ｡ 2

HCI Total‑S H2S

S o l

Esan,A ditto′B

Noboribetsu,Ohyunuma Shiretoko zvoyaTRa Atosanupuri,E‑1

ditto .E‑2 dltto .W‑1

⊥+l︼l一︻l

67352A76⊥511388▲一335945′b

0.27 0.01 0.52 0.03 0.14 0.03 0.24 0.01 0.21 0.01

No.

Table3 IsotopicratiosandC卜 andHCO3 COntentSOfhotsprlngSfrom Hazamaarea,Ohita.

Locality 等 ･ 6DH20 618oH20

6

1

3

C∑co

2

C1･ppm★ HCO･ppm'

1 Nishiohita

2 Furu

9 0

3 Tsukano

4 NinomlYa‑i

5 ditt0 ‑2

6 MitsugaコIri

7 tJeda

8 Ebige

9 Jowaen

1O 比yoken

l l ditto,stream

*Persomalcommunicationfrom Dr.T .Noda.

Table4 IsotopicratiosofCaCO3depositsfrom somehot‑sprlngSatOshimaPeninsula.

613C 618o

No･ Locality (o/｡｡) (｡/｡｡)

Shlkabe(Tsurunoyu) + Ginkonyu

Futamata(工wabur0) + ditto .ancient deposit

‑13.4

‑10.7

‑19.2

‑ll.5

‑20.8

‑15.8

Table5 IsotopicratiosofatmosphericmoistureaboveLake Ohyunuma,Noboribetsu.

･o･ L｡cality 諾 cg発 言 (06,号｡' (so;:?, Center oflake,5 cm above the surface 16 .3 ‑136.8 ‑21.4

dltto . 1 cm dltt0 ‑158.8

Leeside shore , 5 cm ditt

0

‑142.4

dlttO , 4 cm ditto 12.4 ‑166.3 ‑22.1 250m inland from the shore,70m above grnd. 12.4 ‑158.8 122.i Windside shore, i.5m ditt

o

l1.4 ‑168.0 ‑22.

0

6 0

松葉谷 治 ･酒 井 均 ･上 田 晃 ･堤 真 3.1渡島半島地域

この地域の温泉水の8D値 と8]80値の関係を第2図 に,又8D値 とCl一濃 度 の 関係を第3図に示す.川汲 (かっくみ),政事,鹿部および大沼は天水の関係 と一致 した関係を示すが,谷地頭 (やちが しら),湯 の川,大 船 ,滝川,銀婚湯 ,長万部および二股は天水に比べて18

0 を濃縮 した関係を示す.谷地頭は8D値 も天水 よりも プラス側にずれており,また濁川にもわずかに同様なず れが見 られ る.なお,恵山地域については西南北海道北 部の火山性温泉 と一緒に後に考察す る.

本州のグ リー ンタフ地域に湧出す る温泉は著者 らによ りグ リー ンタフ型温泉 として分類 され,水の同位体比は その地域の天水の値 と類似 しており,天水がグ l)‑ ンタ フ中を循環す るさいに加温 されるとともにその中の可溶 性成分を溶出 してきた ものと考え られてい る(MATSU･ BAYA

g fα

7

.

,1973;SAXAIandMATSUBAYA,1974).

しか し,新潟県瀬波温泉のように循環中の天水が周囲の 岩石と酸素同位休交換を起 し,818

0

倍だ けが2‑3

% ｡

プラス側にずれている場合 もある (阿部 ･飯島,1975).

一方 ,秋田県森岳温泉あるいは秋 田県 と青森県の県境の 矢立 ,湯の沢などの一群の温泉のよ うに,8D値 とCl一 濃度の関係が海水 と天水の混合 したものであることを示

し,グ リー ンタフ累層中に取込まれた当時の海水が地表 水で薄め られた ものと考え られ るものもある.また,君羊 馬具の八塩 ,磯部の温泉 ,鉱泉で も同様な関係が見 られ る.これ らの温泉水の818

0

値は しば しば海水 と天水の

6‑

8

0

,

%｡

‑1 2 ‑

8

混合比か ら期待 される値 よりも180に富んでおり,海水 が熱水化 し周囲の岩石 と同位体交換を起 した結果 と考え られ る(SAXAIandMATSUBAYA,1974;松葉谷ほか , 1975a).

今回調査 した温泉 のうち,同位体比が天水の値 と一致 する川汲,政部 ,鹿部および大沼はグ リー ンタフ型 とみ な して良いように思われ る.一方 ,同位体比が天水の値 か らずれているものの うち,8D値が天水の値 とほ ぼ 同 じ温泉は砺波温泉と同様にグ リ‑ ンタフ型の温泉が周囲 の岩石 と酸素同位体交換を起 したものではないかと考え られる.しか し,瀬波温泉や本州のグ リー ンタフ型温泉 のC1‑濃度は高 くて2g//であるが,湯の川 ,二股,長 万部などのCl‑濃度は4‑5g/Jと2倍以上 で あ る.特 に長万部では泉源によっては10g/J以上 のCl‑濃 度 を 有 し (北海道地下資源調査所,1976),単にダ リ‑ ンタフ 累層中の塩類を溶出 してきたとしてほ高す ぎるようにも 思われ る.CRAIG(1963)は,ほぼ中性のNaCl型の火 山性熱水はその地域の天水 と類似 した∂D値 を 有 し,

8

18

0

値のみがプラス側にずれていることを指 摘 し,天 水起源の水が熱水化 し周囲の岩石 と酸素同位体交換を起 した結果であると説明 している. したがって ,これ らの 温泉 も火山性熱水を起源 とす る可能性 も考え られ る.ち しそうだとす ると,太秦 ほか,(1959a)が溶存化学成分 樽に臭素 ,ヨウ素 ,ホウ素 , リチウムなどの微量成分に 関する知見か ら火山性熟水起源であるとしていることと 一致す る.

‑ 4

Y ノ a c h i g a

^shJra

Nigorjkawa

Fig.2 8Dversus8180plotfortheNaCl‑typehotspringsandsurfacewatersfrom Oshima PeninsulaandOkirikawa.

北海道の温泉な らびに火山についての同位体化学的調査報告

2 4 6 8

1 0

C l

^,g′l

Fig.3 8DversusCl plotforNigorikawa,Yachigashira,andothersfrom OshimaPeninsula,Okirikawa,andToyotomi.

大分県挟間町周辺に渡島半島の食塩泉 と類似 した一群 の温泉が演出 している (吉川はか

,1 9 7 6).

九州大学温泉 治療学研究所野田徹郎博士の依頼により,これ らの温泉 水の水素および酸素同位体比を測定 した結果 ,第3表に 示すように,SD値は天水の値 とほぼ同 じで あ り8 180 倍だけがプラス側にずれ,二股,銀婚湯などと同様な傾 向を示 している.この一群の温泉の起源については,普 だはっきりしたことは判明 していないが,一部は中生代 の花間岩類あるいはその貫入により変成 した古生層を湧 出母岩 とし,その活動 と何 らかの関連があるのではない かと考え られている (野田徹郎私信

,1 9 7 7 ).

この点 は 有馬の高食塩泉 と類似 している(松葉谷ほか

,1 9 7 4) .

8D値 と8180値の両方が天水の値か らずれてい る谷 地頭および滝川について

8D

倍 とC1‑濃度の関 係 を見 ると,第3図に示すように,濁川の2源泉は天水 と海水 の値を結ぶ線によ く一致 している.このことは淘川が海 水 と天水の混合 したものであることを示 している.恐 ら

く,森岳や矢立,湯の沢 と同様に第三紀の化石海水を含

6 1

んでいるものと考え られ る.これ らの8180値は海水 と 天水の混合比か ら期待 され る値よりも高 く,岩石 との酸 素同位体交換が進行 していることを示 している.一方 , 谷地頭 も海水 と天水の混合線にはぼ一 致 して い るが, Ci濃度が海水 と天水の混合で決め られ て い る とす る と,8D値は約‑32‰ になるはずであり,実際の測定値は これより約

5

%o低い.Mg十十/Na+比は

0. 0 8

(太秦 は か

1 9 5 9a)

で海水

( 0. 1 2 9)

に比べてそれほど小 さくないこ と,あるいは海岸近 くに湧出 していることを考え合せ る と,谷地頭は熱水に現在の海水が混入 しているものと考 え られ る.この場合 ,始源熱水の

8D

が 天 水 と同 じで

8180だけがプラス側にずれていると仮定 し,

∂Dニー6 2

%0,818

0‑‑6

.4%O

,C1 ‑‑3. 2 g/

Zとす ると,谷地 頭の 8DとC1 の関係を うま く説明す ることができる.

溶存炭酸物質の

81 3 C

は濃度の低いものを除 くと

‑4. 5

‑‑1.0%Oの範囲に入 り,温泉水あるいは火山噴 気 中 の 二酸化炭素 に広 く見 られ る値 (‑10‑0%o)の範 囲 に入 っている.これ らの温泉水か ら沈積 した炭酸カルシウム

6 2

_{松葉谷 冶 ･酒 井 均 ･上 田 晃 ･堤 真} の∂13Cは第4表に示すように‑0.9‑+2.9‰の範囲に

入 り,温泉水中の溶存炭酸物質より2‑ 7%o高 くなって いる.これは溶存重炭酸 イオ ンが二酸化炭素 と炭酸イオ ンに分解す るさいに,遊離 した二酸化炭素に軽い同位体 が濃縮 され,炭酸カル シウムとして沈積 した炭酸イオ ン に重い同位体が濃縮 され ることによる.例えば湯の川の 場合,遊離 した二酸化炭素は‑9.2%｡であり,沈積 した 炭酸カル シウム (十2.0%o)とは逆に溶存炭 酸 物 質 (‑

2 . 3% o )

に対 して6.9%o低 くなっている.

以上述べてきたように,現段階では渡島半 島の

Na Cl

塑温泉の起源についてはっきりした結論をだす ことは無 理である.しか し,同位体比 および化学組成が類似 した ものが広い範囲に演出 していること,あるいはこれ らの 温泉の大部分が新第三紀の海成ない し汽水成の堆積層か ら演出 していることを考えると,本州のグ リー ンタフ型 温泉 と同様に天水起源の水がこれ らの堆積層中の海塩を 溶出 して きたものと考えるのが妥当のように思われ る.

この考えは濁川が化石海水を含んでいることとも矛盾 し ない.180が濃縮 されている原因については先に高温で の水 と岩石の反応をあげたが,低温における炭酸塩物質 との反応 も可能性がある.即 ちこれ らの温泉水 ･鉱泉類 は溶存炭酸物質に富み,しば しば石灰華の堆積が見 られ ることか ら判断 して,地下に炭酸塩鉱物があり,それ と の問での低温での酸素同位体交換が進行 しているという 見方 も可能である,個 々の地域についてのさらに詳 しい 調査 ,あるいは溶存硫酸イオ ンの硫黄な らびに酸素同位

体比の研究により問題が解明されることが期待 され る.

3.2 火山性温泉

西南北海道および知床一阿寒地域の火山性温泉につい て,温泉水のSD値 と8180倍の関係を それ ぞ れ 第4図 および第5図に示す.また,恵山,登別 ,知床硫黄山な らびにア トサヌプ リの火山噴気の結果 もこれ らの図に示 す.西南北海道では,ニセコ地域 ,定山渓 ,黄金湯な ら びに朝里川の温泉はその地域の天水 と類似 した同位体比 を有 し,天水起源と考え られ る.一方 ,恵山地域な らび に登別地域の温泉水および噴気の8I)値 と8180値は そ の地域の天水の値を一端 として勾配約

2. 6

で重い同位体 を濃縮す る方向に並んでい る.知床一阿寒地域で も,ア トサヌプ リの噴気および噴湯な らびに川湯温泉が同様に 重い同位体を濃縮 している.これ ら以外のものはすべて 天水起源の関係を示 している.

火山性の硫酸 々性泉が このような勾配約3で重い同位 体を濃縮す る傾向はCRAIG(1963)により指摘 され ,日 本各地の硫酸 々性 泉 (SAI(AIandMATSUBAYA,1974) あるいは火山噴気 (日下部ほか,1977)で も見 られ る.

CRAIG (1963)は蒸発のさいの水素 と酸素の同位体効果 の差によりこのような関係が生 じることを 指 摘 して い る.一方 ,日下部ほか (1977)は熱水 と岩石の相互作用 により酸素同位休の交換が起 ると同時に,含水鉱物 と熱 水の問で水素同位体交換 も起 り,その結果 このような関 係が生 じると推察 している.

恵山には西田ほか(1974)によりA(北側 ,大地獄)

Fig.4 8Dversus8180plotforvolcanichotsprings,fumarolicsteams.andsurface watersfrom thesout壬lWeSternHokkaido.

北海道の温泉な らびに火山についての同位休化学的調査報告

6

18

0

,

%｡

‑1 5

‑10 ‑5

0

Fig.58Dversus818

0

plotforfumarolicsteams,hotsprlngS,andsurface watersfrom Shiretoko‑Akanvolcanicarea.

とB(南側,小地獄)と区別 された2ヶ所の噴気地帯が ある.今回は,各地域で1ヶ所づつ噴気を採集 した･B 地域で採集 した噴気孔のそばに小 さな噴湯が見 られ,こ れ も採集 した.この

B

地域の噴気 と噴湯の同位休比を比 較す ると,噴湯 の ほ うがSD値 で26.1%C,818

0

倍で

6. 3

%o重い同位体を濃縮 しており,地下で水蒸気 が 気 一 液分離 したさいの気相 と液相であることを示 している･

この同位体分別は噴気孔温度 (185oC)における気 一液 平衡の時の値 (8D=6.3%0,8180‑218%O,BoTTINGA

andCRAIG(1968))に比べ ると2‑ 4倍大 きく多 段 階 の分離が起 っているかあるいは非平衡な分別が起 ってい ると推定 され る.噴気 と噴湯のCl濃度を比較す ると, 噴湯が4.68g/∫,噴気が0.51g/Jと噴湯のほうが 約10倍 高 く,気一液分離のさいにHClの大部分が液相に入 る

ことを示 している.A地域の噴気 もB地域のものと同様 に低いCl濃度(0.log/∫)を示 し,地表には噴湯は見 られないが ,地下ですでに気一液分離を起 していること を示 している.気一液分離を起す前の水蒸気の同位体比 は気相と液相の値の問に入 るはずである.したが って, 恵山の始源水蒸気はA地域の噴気よりもさらに重い同位 休を濃縮 していると考え られ る.恵山の噴気のC卜 濃度 は過去においては約3g/∫(西田ほか,1974)あるいは約 log/∫(日下部はか,1977)であったと報告 されており, 今回の調査で見 られた気一液分離は当時は起 っていなか

ったと考え られ る.

恵山原田は恵山中復より湧出す る酸性泉で噴気 と同 じ

6 3

起源を有す るものと推定 され る.A13+イオ ンあるいは K+イオ ンを多 く含み (太秦ほか,1959a),岩石 との反 応が進んでいることを示 している.恵山 御 崎 はNaCl‑ CaSO4型の化学組成で (太秦ほか,1959a),恵山 の火 山活動に直接関係す ると見 るよりはグ リー ンタフ型に属 す ると考えたほうが良いようである.

登別地域では大湯沼周辺 および地獄谷の2ヶ所に盛ん な熱水活動が見 られ る.大湯沼の水は成層 しており,症 層が約120oCの中性NaCl型の熱水 ,上層が約45oCの 硫酸 々性の熱水である (室住はか,1966).今回 の調 査 では,この底層のNaCl型熱水を採集す ることを目的と したが,19m以浅ほ硫酸 々性の熱水で,それ以深には溶 融状態の硫黄があり,それより下に採水器を下すことが できなか った.第1表のNo.58とNo.59はこの溶融硫黄 を採水器で汲み上げ冷却国籍 させたさいにその内部に残 った水であり,Cl濃度 も室住 ほか (1966)の値よりも 10倍 も大 きく,底層水その ものであるかどうかは明 らか でない.一方上層では,底層の熱水および天水の流入 と 上層の熱水の流出および蒸発の問で水の量 ,溶存成分 , 同位体あるいは熟についての収支が釣合 っていると考え られ る.底層の熟水に関す る情報が得 られないので,こ の収支 について議論を進めることはできないが,蒸発の さいの同位体効果を推定する目的で大浜沼の上 および周 辺の空気中の水蒸気の同位体比を測定 した結果 ,第5表 に示すように大場沼の中央 および風下の岸での水面より 各 々5cm上では水蒸気量が増加 し,同位体比 も高 く,大

6 4

松葉谷 拾 ･酒 井 均 ･上 田 晃 ･堤 真 湯沼か ら蒸発 している水蒸気の影響が現われている.

地獄谷では,上位に硫酸 々性泉 ,下位に

Na C

l型中性 泉が湧出しており,地下で熱水が気 一液分離を起 したさ いの気相が硫酸 々性の熱水 ,液層が

Na C

l型の熱水であ ると考え られている (室住,1961).

Na C

l型の5号泉 と

Na C

l型 と硫酸 々性型の混合 した ものと考え られる亀甲 (きっこう)の同位体比を比較すると,亀甲のほうが重 い同位体を濃縮 しており,気一液分離の関係を示 してい ない.しか し,後述の川湯温泉の場合のように分離 した 液相がその後地下水で薄め られることもあり,この同位 体比の関係だけか らは気一液分離を否定できない.ただ し,気一波分離の結果だとす ると,その場合の同位体効 果を恵山,ア トサヌプ リあるいは知床硫黄山で見 られ る のと同程度 と仮定すると,5号泉は地表水で3‑ 5倍薄 め られていることになり,本来の液 相 は10g/J以 上 の

Cl ‑

濃度を持 っていたことになり,大正地獄などに比べ てはるかに高 くなる.

日当山下の大湯沼の岸 に弱い噴気がある.これは大湯 沼の水面か ら噴出しており,大湯沼の上層の熱水 と気‑

液平衡にあるのではないかと期待 された.気一液分離の さいの同位体効果を恵山,ア トサヌプ リおよび知床硫黄 山のものの平均値 (8D‑22.5‰ ,8180‑5.0‰)を 用 い,この蒸気 と分離 した液相の同位体比を推定す ると,

8D

‑‑29.2%0,8 180==+2.8‰ となり,大湯沼 の表 層 水 とは気一液分離の関係にないことを示 している.この 値は大正地獄 と類似 しており,そのような熱水か ら分離

した水蒸気ではないかと考え られる.

以上のように登別地域の熱水は多様な起源を有 してい るように思われ る.特に

C

l の起源に興味が持たれ る.

日本の火山の噴気あるいはそれにともなう酸性泉では, 今回の恵山あるいはア トサヌプ リ,あるいは薩摩硫黄島 (松葉谷はか,1975b)などで見 られるように

Cl

は

HCl

の形で噴出 しており,登別地域のように始めか ら

NaCl

として噴山 しているものは異なった起源を有 しているの ではないかと思われ る.

知床一阿塞火山地域では,第5図に示すように,ア ト サヌプ リの噴気 ,噴湯な らびに川湯温泉以外 はすべて天 水起源と考え られ る.知床硫黄山の中腹の噴気地帯の噴 湯およびそこか ら流出す る硫黄の沢の熱水はこの地域の 天水 と類似 した同位体比を有す るが,噴気はそれよりも

8D

で17.8‰,818

0

で4.0‰低い値を有 してい る.この ことは天水起源の熱水が気一液分離を起 し,しか もその さいに気相の量比が少ないため液相の同位休比が本来の 熱水の値 ,すなわち天水の値 とほとん ど同 じになってい ることを示 している.

ア トサヌプ リの噴気地帯は山体の北斜面に並ぶ2列の

谷に沿 っている.東側の谷の上部

(E‑ 1 )

,下部

(E‑ 2)

および西側の谷の中部

( W‑

1)の噴気孔か ら噴気を採集 した.

E‑ 2

およびW‑1の噴気孔のそばには噴湯があ り, それ らも採集 した.これ らの同位体比はいずれ も恵山の 場合 と同様に天水に比べて重い同位休を濃縮 している.

また

,E‑ 2

およびW‑1について噴気 と噴 湯 を比 較 す る と,両方 とも噴湯のほうに

8D

で21.8‑24.4%0

,

8180

で4.2‑5.8‰重い同位体が濃縮 されており,気一液分離 を起 していることを示 している.一方

,C

卜 濃度につい てみると,恵山で見 られたのとは異なり,噴気だけでな く噴湯にもほとんど Cl が含まれていない.

福富はか(1956)はア トサヌプ リおよび川場地域の地 温の分布か らア トサヌプ リの始源熱水が気一液分離を起 し,その液相が川湯に向って流れて くる途 中 で地 下 水 により様 々な割合で希釈 されたと考 え,液 相 の 温 度 を 106‑150

° C,C

卜 濃度を2.9‑4.2g/Jと推定 している.

この場合 ,分離 した気相はほとんど

HC

lを含んで い な いと推定 され る.この気相が上昇 し再び気一液分離を起 したとすると,その気相 と液相が今回我 々が採集 した噴 気 と噴湯であると考え られ ,噴湯

にHC

lがほとん ど含 まれていないことが うま く説明され る.

川堤の温泉水が最初の気一液分離のさいの液相 と地下 水の混合 したものとして,次式のような混合のさいの同 位体比および温度の釣合いの式か ら液相の温度および混 合の割合を求 めることができる.

f

･

Be

+

(1‑i)8S‑ Sk (1)

f ･ t e

+

( 1‑f )t s‑ t k

(2)

ここで

,8e,8S,8k

あるいは

t e,t s,t k

はそれ ぞ れ 液 相,地下水および川湯温泉の同位体比あるいは温度であ り,fは川湯温泉中の液相の割合である.令 ,噴 湯 を と もなっていない噴気孔

E‑ 1

の噴気が最初に分離 した気相 その ものと仮定す ると,液相の同位体比 は次 式 で求 ま る.

8e ‑S E‑1+ 1000(α‑1) (3)

ここで,SE̲1は噴気

E1 1

の同位体比

,α

は分離のさいの 同位体分配係数である.

川湯温泉の平均値 として,温度は47oC

, SD

は‑71.O形P, 8180は‑8.9%β,地下水の値として,温度は10oC(福富

ほか,1956),同位休比は

鮫

川 (あめます)の値 (

SI )≡

ー75.5‰,8180=ヨー11.2%o),そ して気一液 分 離 の温 度を混合 した液相の温度

( t e)

と同 じ と し,ま た 分 離 が平衡状態で起 った と して のBoTTINGAandCRAIG

(1968)により与え られた分配係数の温度変化の式を用 い,8Dおよび8180についてそれぞれ式(1),(2),(8)杏

北海道の温泉な らびに火山についての同位体化学的調査報告 解 くと

,8D

の場合液相の温度が230●C,混合の割合が17

% ,又818

0

の場合190oCと21%と求 め られ る.川湯温 泉の

C

l 濃度を0.8g/Jとすると,この液相の

C

1‑濃度 は

∂D

の場合4.7g/

/ ,

∂18

0

の場合3.8g/Jとなり,福富 はか(1956)の推定値と良 く一致す る.

この2段階の気一液分離のモデルはア トサヌプ リの噴 気 ,噴湯および川湯温泉の同位体比な らびに

C

l 濃度を うま く説明することができる. しか し,分離す る前の熱 水その ものの起源については答えを与えていない.ア ト サヌプ リの姶源熱水を恵山あるいは登別 と比較 してみる と,同位体比 も

Cl

濃度 も良 く似ており,何 か 共 通 し た要因で規制 されているのではないかと思われ る.日下 部 ほか (1977)が指摘 しているように,これ らの同位体 比は岩石 と水の相互作用による酸素同位休交換および水 素同位体交換 (含水鉱物 との間で)により規制 されてい ることも考え られ る.

Cl ‑

濃度については,薩摩硫 黄島 の噴気のように約20g/lのもの もあり,恵山も過去には log/J程度であったこ と もあ り (日下 部 はか,1977)

C

1‑の起源 も大変興味ある問題である.

摩周湖および屈斜路湖は院川に比べてDと180を濃縮 しており

,8D

と818

0

が勾配約5の関係を 示 す.(第5 図)これは湖水 の讃発のさいの同位体効果 によるもので あり,鹿児島県指宿の池 田湖など流出河川のない湖に見

られる(SAKAIandM ATUBAYA,1975).屈 斜 路 湖 の

湖岸に湧出す る和琴 ,仁伏あるいは池の温の同位体比は 鮭川のものとほぼ同 じであり,屈斜路湖の水がこれ らの 温泉に混入 していないことを示 している.

3.3沖里河および豊富

沖里河は深川市の南部に湧出す る炭酸物質に富んだ食 塩泉である.

2

起源およ び沢 水 の

8D

と818

0

お よび

8D

と

C

l一濃度はそれぞれ直線関係を示す (第

2

図,第 3図),しか し

8D

と

C

卜 の関係は沢水 と海水の混 合線 よりはるかに小 さい勾配を示す.地下に高塩濃度の塩水 がありそれが地表水で薄め られた ものと考え られるとし て もこの塩水は海水 とはかな り異なった化学的,同位体 的性質を示す ものと思われ る,か りにこ の塩 水 の

C1

濃度が海水 と同 じ19g/Jとす ると第2,3図か ら

∂D

‑

‑17‰,8180‑+12‰ となる

.8D

値が標準海水の0‰ に 対 して17%oLか離れていないことか らす ると,この塩水 は元来海水起源のものか もしれない.即 ち石狩層群の堆 積時に取 り込まれた海水が変質 したものと考えることが できる.18

0

の濃縮程度は本州のグ リー ンタフ地域で化 石海水を含んでいると考え られている矢立 ,湯の沢ある いは八塩 ,磯部 とほぼ同じである.矢立 ,湯の沢の場合 は熱水活動による周囲の岩石 との酸素同位体交換の結果 と考え られ る(SAXAIandM ATSUBAYA,1974;松葉

65 谷ほか,1975a).沖里河の場合 ,熱水活動によるのでは な く,低温での炭酸塩鉱物 との酸素同位体交換によるも のと思われる.

豊富は少量の石油を含んでおり,池田塩水が熟せ られ た ものと考え られ る.しか し

,8D

と

C

卜 の関係はこの 地域の天水 と海水の混合の関係か ら外れ て お り,(第3 図) しか も818

0

も沖里河に比べてさらに高い.また, 2起源の同位体比には若干の差があるにもかかわ らず , 両者のC卜 濃度にはほとん ど差がない.これ らの こと か ら考えて,たとえ海水起源として も,その同位体比あ るいは

C

卜 濃度は何か未知な機構によって規 制 されて いると考え られ る.

4.ま と め

渡島半島の内浦湾沿いに湧出す る

Na C

l型 温 泉 は水 の6Dおよび818

0

がその地域の天水 とほぼ同じもので ある.これ らの溶存塩類の起源は本州のグ ))‑ ンタフ塑 温泉 と同様に第三紀海成層中の海塩 と考え られる.第2 は

8D

はその地域の天水 と類似 してい るが

,

818

0

はそ れよりも2‑ 3‰高いものである.これ らは第1グル‑

プと同様に天水が第三紀海成層中の海塩を溶出してきた ものであり,しか もそれ らの累層中の炭酸塩鉱物 と低温 で酸素同位体交換を起 しているものと考え られ る.しか し,本州のグ リー ンタフ地域の温泉ではこのような酸素 同位体交換を示す ものは稀であること,あるいは塩濃度 が本州のグ リー ンタフ型温泉に比べて2倍以上 ,時には 数倍 も高いことを考えると,火山性の

Na C

l型熱水など 他の起源の可能性 も考え られ る.第

3

は

8D

と618

0

が 天水 よりも高い値のもので,谷地頭 と濁川である.谷地 頭は第2グループの熱水が現在の海水 と混合 しているも のと考え られ る.濁川は 8D,8180および

C

1‑の関係 か ら海水起源の水 と天水の混合 したものと推定 され ,忠

らく第三紀の化石海水を含んでいると考え られ る.

第四紀の火山に開通 した温泉あるいは火山噴気につい ては,今回調査 した西南北海道な らびに知床一阿寒火山 列地域では恵山,登別およびア トサヌプ リ以外はすべて 天水起源である.恵山,登別およびア トサヌプ リの始源 熱水はそれぞれの地域の天水 よりも重い同位休を濃縮 し ており,8Dニー30‑‑50‰,8180‑‑1‑+3‰の範囲 に入 ると推定 され る.しか し,これ らの熱水の起源ある いはその同位体比を規制 している機構を明 らかにするこ とはできなか った.

恵山,登別 ,ア トサヌプ リあるいは知床硫黄山の噴気 とその近 くの噴湯の間では,噴湯のほうに重い同位体が 濃縮 されており,気一液分離の結果 と考え られ る.これ らの同位体分別 の程度は

SD

で18‑26‰,8180で4‑

66 松葉谷 治 ･酒 井 均 ･上 田 晃 ･堤 真 6%Oであり,噴気孔温度 (99㌧ 185●C)での平衡値 と同

程度か若干大 きい.分別の程度の大 きいのは多段階の分 別の結果かあるいは非平衡状態での分別が起 っているこ とによると思われ る.この気一液分 離 の さ い,HClは ほとんど液相に入 り,気相に比べて約10倍に濃 縮 され る.

謝辞 温泉水 ,火山ガス試料の採取については多数の方 の卸好意に負 う所が多い.特に室蘭工業大学の室住正世 教授には登別温泉の調査に協力 して頂いた.又同位体比 分析の大部分 と原稿作製は岡山大学温泉 研 究 所 野 儀 多 鶴恵,真嶋里美両氏による.これ らの方 に謝 意 を表 し ます.

文 献

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