蔵王温泉実習と変質作用
山形大学理学部地球環境学科
群馬県明和町役場

１．はじめに中 島 和 夫
新 井 絢 子興味深い。山形大学理学部地球環境学科では、源

標高約900mに位置する蔵王温泉は古く最上高泉に比較的簡単にアプローチできることから、以湯とも呼ばれ、強酸性の火山性温泉として昔から前より源泉周辺で野外実習を行っている。ここで知られている。また、源泉周辺は黒色変質、珪化はその概要を紹介し、変質作用の特徴と温泉ので変質、粘土化変質等を蒙っており、酸性温泉とのき方について探っていきたい。

関連でどのような作用が起きているのか、非常に

図１

野外実習 ｢蔵王温泉｣ のコースと源泉の位置
温泉は滑落崖の底部から湧出している。

まず、実習では図１のように①～③の地点を観発の関係が懸念されている。②では二度川源泉察する。①では酢川爆裂火口（今田ほか，1987；

付近で新第三紀の堆積環境（湖沼性堆積物と火東海林・田宮，1990）の崩壊壁の様子、酢川泥流砕流）、蔵王火山がもたらした変質作用などを観の様子と地形的な特徴を観察し（写真１、２）、察する。③では蔵王火山がもたらした変質作用のうさらに地すべり対策の様子を観察する（写真３、ち、粘土化変質と透明石膏の採取などを行う。④で４）。地すべり観察地は鴫の谷地沼の横、大森ゲはアラレ石が産出するが（長澤ほか，1988）、植生にレンデの下に当たり、地すべり災害とリゾート開覆われて観察が困難となったために行っていない。

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写真１

樹氷橋付近から瀧山方向を望む（図１①）

写真２ 樹氷橋から蔵王温泉川を望む
酢川爆裂火口の崩壊壁と流れ山が観察される

写真３ 地すべり対策で掘られた集水井を観察
鴫の谷地沼の横、大森ゲレンデの下に当たり、地すべり災害とリゾート開発の関係が懸念されている。

写真４ 樹氷橋に作られた長さ調節用の鉄板
地すべりにより右側から押されたときに鉄板を外して調節する。

蔵王温泉は、酸性、塩化物、硫酸塩温泉に属し蔵王温泉地域には北から、瀧山変質帯、鳥兜変た典型的な火山性温泉として知られており、総湧質帯、酢川変質帯、祓川変質帯、蔵王沢変質帯、出量が約8，800渥／分と県内最大である（東海林・地蔵（熊野）変質帯がほぼ南北に分布しており（図田宮，1990）。温泉は酢川爆裂火口内の火口底にあ３）、地質構造との関連を示唆している（地質調たる部分に湧出しており（図１，図２）、北から査所, 1989）。温泉が湧出している黄鉄鉱化帯は旧温泉街温泉群、一度川源泉群、二度川温泉群、一度川から三度川にかけて標高950～1，000ｍ付近三度川温泉群と呼ばれる４源泉群がある。爆裂火にある。なお、硫酸酸性の強い温泉水は流下して口内は、珪化帯、粘土化帯、黒色変質化帯などのもなお周囲の岩石に変質を与えており、樹氷橋下変質を被っており、鳥兜変質帯と呼ばれている流域では透明石膏ができる変質を生じている（図（地質調査所，1976）。酸性泉の湧出メカニズム

１③；長澤 ･ 大場，1989）。これらの変質帯につは、マグマ発散物である高温の二酸化イオウや硫いて、地熱資源としての地化学調査や物理探査は化水素を含む火山ガスに、溶存酸素に富む火山噴行われてきたが（地質調査所，1976、1989）、変出物中の地下水が反応し硫酸酸性になって湧出し質帯における詳しい鉱物組み合わせやそれをもたたものと推定されている（田宮・久間木，1985）。

らした成因などの研究は行われていない。中島・― 94 ―

新井（2011）では、蔵王温泉二度川源泉群を詳細は、その成果を抜粋しながら写真とともに全体像に観察し、変質作用の性質を明らかにすることにを探ってみたい。

よって蔵王温泉の成因について言及した。ここで図２

蔵王温泉地域の地質図（今田ほか, 1987に着色）と断面の概念図

図３

蔵王地域における変質帯の分布（地質調査所, 1989)― 95 ―

２．地質概要と露頭観察

砂岩および軽石凝灰岩であるとされる（吉田，

蔵王温泉周辺は先第三紀の花崗岩類を基盤とし1985）。て堆積した新第三紀中新世の緑色凝灰岩類（グ

二度川源泉に向かって谷を入るとまもなく源泉

リーンタフ）が分布している（図２）。調査地の採取場所に到着する（写真５）。この付近では域のグリーンタフは、成沢凝灰岩部層（吉田，変質が強く、岩盤に発達したシリカ脈（写真６，1985）とされ、成沢凝灰岩部層は模式地である山

７）や岩石が酸化溶脱していく様子（写真８）を形市成沢付近では灰色ないし暗灰色および淡緑色観察することができる。の凝灰岩ないし凝灰角礫岩からなり、一部は礫質

写真５

源泉付近で概要の説明

写真６

写真７ 露頭③ 白い細脈（シリカ脈）が発達している

写真８

露頭③の様子（源泉の横） 頭③で、変質岩の酸化溶脱の様子がわか露る。右に行くほど溶脱が進む。

この付近は変質によって、初生的な岩石構造を（写真９～14）、火砕流などの高温の火山噴出物残さないところもあるが、角礫組織を残した凝灰が山体斜面を流れ下り、植物を巻き込みながら湖岩もある。また、二度川中腹部の大きな露頭（図に到達して堆積したとみられる。

４④）では植物化石を含む泥岩泥質岩が見られる

さらに上流へ行くと、同様に変質帯が広がってので、湖成層であることがわかる。さらに、泥岩いる（写真15，16）。すべて新第三紀の凝灰岩類層の間には層理の乱れた軽石質凝灰岩があり、そが熱水変質により、黄鉄鉱化と珪化作用を受けての中に炭化した木片が多く含まれていることからいる。

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図４

二度川源泉付近のルートマップ

写真９ 露頭④の様子
下に凝灰岩層があり、上に泥岩層が乗っている。

写真10 露頭④ 新第三紀の露頭
湖の堆積物（黒色）に凝灰岩（白色）が火砕流となって流れ込んでいる

写真11 上の泥岩層を望む
最上位の泥岩層はほぼ水平に堆積しており、静かな環境で堆積したものと思われる。

写真12― 97 ―

 灰岩層の中には小さな木炭片が多く見ら凝れる

写真13

時にはこのような大きな木炭片も見つかる

写真15

上流の源泉から露頭⑤と⑥を概観する。

写真14

 の泥岩層中には葉の化石があり、湖の堆上積物であることが分かる。

写真16 露頭⑥のクローズアップ
パミスなどが白く斑状に変質している。

写真18 源泉を覆う石垣に付着している硫酸塩鉱物
写真17

源泉横の露頭における変質の様子― 98 ―

４．EPMAによる観察

３．熱水変質
源泉横の露頭（図４③，写真17）では、熱水変変質岩の断面をEPMAにより元素濃度マッピ質の順番や様子がよく分かる。岩盤の内部では黒ングを行ったところ、図５、６のような結果と色になっていることが多い。これは微細な黄鉄鉱なった。黒色部の中でFeとSが同じところで高濃が生じているためで、蔵王火山の火山性ガスによ度を示す部分は黄鉄鉱であり（図５，FeとS）、り新第三紀の凝灰岩類が変質（黄鉄鉱化）したも褐色部でFeだけ高濃度部は酸化鉄（XRDではほのであろう。露頭サンプルをXRD（粉末回折Ｘ

とんど検出されないので、非晶質の酸化・水酸化線）やEPMA（電子線マイクロプローブ）で観鉄であると考えられる）である。マッピングの下察した結果、さらに、シリカの白脈、褐色部分の部でFeとＳが共に無くなっている部分は白色部

シリカ＋アルミナ変質と赤茶色の酸化鉄の変質がに相当しており、この部分では第２段階の変質作見られる。岩体内部の黄鉄鉱化変質は恐らく酢川用によりFeとＳ元素の溶脱が生じていると考え爆裂火口ができたときの酸性ガスの影響であり、られる。

それ以外の白脈や褐色部分は地表付近に露出してその他の元素で見れば（図６）、Siは黒色部と酸性の温泉や大気に触れて生じたものと思われる褐色部の境界部分、あるいは白色部に多くなってので、それぞれを区別して議論する。

いる。褐色部分では酸化鉄が多いため、相対的にSiが少なくなっているものと解釈できる。Alは黒⑴ 第１段階の変質作用（火山性ガスにより、黒色部と褐色部の境界部付近のやや黒色部側に多く色変質部の形成）なっている。Tiは内部、外部共にそれほど変化が露頭の内部で観察される黒色変質部を形成したない。これはすでに酸化チタン（ルチルなど）と作用である。露頭表面が白色～褐色であってもして黒色部の変質段階で生じたものが、酸化変質内部には黒色部が観察されることが多い（写真ではほとんど分解・移動しないために留まってい17）。ほかに、白色シリカが不規則に散在した斑るのであろう。
Ca、Mg、Naは黒色部にわずか認められるが、状、鉱染組織（写真16）とよばれるものもこの変褐色部～白色部ではほとんど無くなっている。す質作用に含まれる。

なわち、これらの元素は第１段階の変質作用で大⑵ 第２段階の変質作用（地表付近で酸化・酸性部分が溶解し、第２段階においてもさらに溶出し化により褐色～白色変質皮殻の形成）たと思われる。このように溶け出した元素成分

源泉の露頭付近では、凝灰岩の大部分が褐色～は、温泉水や酢川河川水に流出し、さらには地下白色に変質しているが内部では黒色部も見られ水として周辺地層中に染み渡っていく。

る。このことから、酸化的かつ酸性の温泉水ない以上から、二度川における変質作用では、アルし地下水によって、黒色変質岩が二次的に酸化・カリ元素・アルカリ土類元素の大部分の溶脱及び溶脱されてできたものと予想される。褐色部がよ黄鉄鉱の形成（第１段階の変質作用）やFeとＳり内側に、白色部が表面に分布していることから元素の溶脱（第２段階の変質作用）が生じている（図５）、白色部は褐色部よりもさらに変質が進ことが分かる。

んだものといえる。

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図５

変質岩断面のEPMAによる元素濃度マッピング

図６ 変
 質岩断面のEPMAによる元素濃度マッピン
グ（つづき）

５．変質作用と温泉の形成露頭観察により、二度川の変質は大きく２段階にわたって起きていたことが分かった。第１段階の変質は地下において、緑色であったグリーンタフが黄鉄鉱を形成し、黒色化になる変質である。
これは蔵王火山の形成によって、約100万年以降に酸性の火山ガスが噴出したことに関連する（図７）。続いて第２段階は、酢川爆裂火口ができた後、地表へ露出してから黄鉄鉱を構成している元素も溶脱し、白色化する変質である。これが生じた時期は約５万年前とされる（阿子島・山野井、1985）。
⑴

第１段階の変質作用

第１段階の変質作用により、新第三紀火山岩中
図７ 蔵王火山と温泉形成のモデル図
上：約100万年前に蔵王火山の活動が始まり、火山性ガスにより岩石が変質した（黄鉄鉱化；第１段階の変質）。下：約5万年前に大きな火山性爆発によって生じた爆裂火口が大気や雨水に触れることにより酸化変質が進んで蔵王温泉を生んだ。の磁鉄鉱などが黄鉄鉱へ変質した。第１段階の変質作用が生じた環境はS-H-O系のpH-Eh図（図８B）で照らし合わせると、ちょうどH2Sの優勢領域であることから、この変質作用には蔵王火山に含まれるH2Sガスの影響を強く受けたと考えられる。

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この変質作用は、例えば次のように表すことが<266kcal>できる。

⑵
FeS + 3/2H O + 19/4O → Fe（OH） + 2SO +Fe3O4 + 6H2S → 3FeS2 + 4H2O + 4H + 4e+〔磁鉄鉱〕

FeS2 + H2O + 7/2O2 → Fe2+ + 2HSO4－〔黄鉄鉱〕<64kcal>

2

⑴

224e3

24〔水酸化第二鉄（赤さび）〕<426kcal>⑶すなわち、グリーンタフに火山ガス中のH2Sが加わると⑴式は右に進み、黄鉄鉱ができると共に蔵王温泉の成分として、HSO4－ とSO4－ が多量pHが下がる（Ｈ+イオンが多くなる）。このとき、に 含 ま れ て お り（HSO4－：1，282mg/kg；SO4－：グリーンタフ中の長石・沸石・シリカらの構成元

1，189mg/kg；東海林・田宮，1990）、上記の考察素であるアルカリ・アルカリ土類元素の多くも溶と調和的である。すなわち、地下で黄鉄鉱の酸化脱が生じたのであろう。なお、反応式の後ろにあ分解によって生じた酸性流体によって変質作用る<64 kcal/mol>とは、この反応が左から右へ進（白色化、褐色化）が起こり、かつ源泉の成分をんだ場合、64kcalの発熱反応であることを示す。

規定していると考えられる。なお、反応⑵⑶は全て発熱反応である。

⑵

第２段階の変質作用

もちろん、地下深部からの火山性のガスの硫化さらに、地表付近に露出したあと、温泉水など水素が酸化されると次のようになる。の酸性水による影響をうけ、地下において形成さ

H2S + 2O2 →2H+ + SO42- <126kcal>⑷

れた黄鉄鉱を構成していたFeとＳ元素も溶脱していき、全体的に白色化し、脆弱な岩石になる第これも発熱反応である。

２段階の変質作用が生じた。
第２段階の変質作用では、第１段階の変質作用が生じた環境下から、さらに酸化的・酸性的環境下へ変化し、黄鉄鉱が分解してFeがイオンとなって溶脱したと考えられる。大気の影響で酸化され、Feがイオンとして存在する
図８の「第２段階」の領域へ環境が移行したことにより、変質が生じたと考えられる（図８Fe2+またはHm）。
第２段階の変質作用が生じた環境下において優勢なＳ種
はHSO4－ あるいはSO42－ であることから、この変質作用には二度川源泉群における泉質に大きな影響を与えていると考えられる。このときには次のような反応が起こったのであろう。

図８ Fe-S-O-H系の安定関係（Brookins, 1988原図）
2+
第１段階の変質で黄鉄鉱の黒色変質部が第２段階で溶脱(Fe )または酸化鉄2(Hm, 赤鉄鉱）となって沈殿する。そのときにHSO4-やSO4 イオンが安定であることが分かる。

― 101 ―

６．天然の実験室としての蔵王温泉426kcalの熱が発生する。これは、ご飯では約250

なお、この実習では蔵王火山や蔵王温泉にまつｇ、食パンでは約160ｇ、カップ麺約100ｇに相当

わるさまざまな地質や変質とともに、いろいろなする。20℃の水１リットルを蔵王温泉の平均的なイオウ種を観察する。二度川源泉では、岩盤内部湯温である50℃に加熱するためには30kcal必要なに発達した黄鉄鉱（FeS2）、自然イオウ（S）、源ので、例えば反応⑶の場合は8．5ｇの黄鉄鉱（お泉の採取小屋の石垣に見られた鉄明礬など（硫酸よそ1．2cmのサイコロに相当）が酸化分解すると塩鉱物；写真18）、源泉に塩化バリウムを滴下し発生する熱量に等しい。もちろん黄鉄鉱ができて24て硫酸バリウムの白濁が生じる硫酸イオン（SO ）、それがさらに酸化分解されるだけではなく、火山それから目で見ることはできないが臭いで感じる

ガス中のH2Sが直接酸化されて硫酸イオンになる硫化水素（H2S）や二酸化イオウ（SO2）である。

だけでも発熱される（反応４）。このような化学

それから図１ポイント③の透明石膏の露頭ではも反応が複雑に絡み合って、蔵王温泉の熱を発生さちろん透明石膏（CaSO4・2H2O）を観察する。

せていると考えられる。

これらのさまざまなイオウ種を価数の順に並べて

なお、湯量が多いことについては、爆裂火口内みると図９のようになる。最も還元的なのは硫化の低地からお湯が出ていることを考慮すると、山水素で、火山体深部から大気の影響が少ない中で体崩壊に伴って大きな窪地ができているのでその噴出していると思われる。またその影響で生じた部分の水頭圧が低く、地下水が集中して流れ込ん黄鉄鉱も還元的なイオウを持っている。これらがでいると推定できる。地下水はカルデラ内に降っ酸化的な地表水や大気に触れて、さまざまなイオた雨だけではなく、地蔵岳～熊野岳の尾根近くにウ種に形を変えて沈殿している。このように蔵王

降った雨も引き寄せることになり、大量の地下水

温泉周辺ではイオウ種の変化を見るだけでも火山は爆裂火口内に集中することが可能であろう。地作用、変質作用を探ることができ、天然の実験室下水がゆっくりと変質帯の内部を流れるときに硫としても面白い教材を提供している。

化水素や黄鉄鉱を酸化させ、たっぷりのSO42-成分を含んだ酸性温泉に変化して湧出すると想像している。
なお、近隣諸県で大きな地震が起きたり、大雨で源泉周辺の土砂が崩れたりした後には源泉の湯温が上昇すると聞いた。これは地震によって変質帯内部に亀裂が入ったり、新たな黄鉄鉱を含んだ露頭が露出することによって酸化反応が進んで湯温が上昇すると考えて矛盾がない。

図９

蔵王温泉周辺で見られるイオウ種

引用文献
阿子島功・山野井徹（1985）蔵王火山西麓の酢川

７．おわりに泥流の発生年代．東北地理，37，159－165.

上記のように、地下内部で起きている黄鉄鉱をBrookins, D. G.（1988）Eh-pH Diagrams for形成する第１段階の変質作用（反応⑴）、地表付Geochemistry，Springer-Verlag，17，81，

近で起きている第２段階の変質作用（反応⑵⑶）176p．の全ての反応で発熱反応であることが分かる。

地質調査所（1976）全国地熱基礎調査報告書，No．24蔵王，180 p.

黄鉄鉱の分子量は約120g/molであり、比重が約5．
0ｇ/姶であるから、約24姶（一辺が2．9cmのサイコロ

地質調査所（1989）日本の主要地熱地域の地質と大）の黄鉄鉱が酸化されると、反応⑶の場合は温泉・変質帯分布．地調報告、第270号、253－― 102 ―

267.
今田

中島和夫・新井絢子（2011）蔵王温泉二度川源泉
群における変質作用．山形応用地質、第31号、正・大場与志男・土肥浩巳・玉井ます美

63－68.

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山形－川崎，２－４．