草津白根山から放出される揮発性成分量
平林順一・水橋

東京工業大学

正英

火山流体研究センター

The discharge rate of volatiles from Kusatu-Shirane volcano, Japan
J. Hirabayashi, and S. Mizuhashi
Tokyo Institute of Technology, Volcanic Fluid Research Center

１． はじめに群馬県北西部に位置する草津白根山山頂には，湖底から火山ガスおよび熱水が噴出している強酸性の火口湖「湯釜」があり，山頂周辺には活発な噴気活動や高温で強酸性の温泉活動が存在する．特に，東麓の草津温泉の活動は，少なくとも 800 年以上継続している．このように，熱水系が発達した草津白根山では，マグマからの揮発性物質は噴気ガス，温泉水，河川水，土壌ガスなど多様な形態で放出されている．
揮発性物質放出量を正確に見積もることは，熱水系の構造や火山活動の消長を考える上で非常に重要である．これまで，火山ガスとして放出される揮発性物質量（鈴木，2000，2002），温泉水として放出される揮発性物質量（水橋，2002），また山頂域の地表面から放出される二酸化炭素量（齋藤，2004）などが明らかにさている．
草津白根山周辺の温泉は，地中に浸透した雨水が，多孔質の殺生溶岩を透水層とし，その下に伏在する緻密質な青葉溶岩を不透水層として，伏流水として東方へ流下する過程で，中腹の殺生河原噴気地帯を通過する際に，マグマからの火山ガスと接触し，熱と化学成分を与えられて高温で強酸性の温泉水として湧出すると言われてきた(倉沢・角田，1985)．最近の研究では，マグマから上昇した火山ガスが地下浅所で地下水と接触・凝縮した後，気液分離し，その高温で強酸性の液相部分が流下する過程で地下水の付加，周辺岩石との中和反応、火山ガスとの再接触などを経て湧出すると考えられている（平林，1999，大場ほか，2000，Ohwada，2003）．一般的に，火山ガス成分のうち，HClは水に溶解し塩化物イオンに，SO2は自己酸化還元反応で硫酸イオンとなる．したがって，温泉水や河川水に溶存する化学成分のうち，塩化物イオン（Cl−）と硫酸イオン（SO42−）はマグマ由来のHClとSO2起源と考えることができる．本報告では，草津白根山から温泉水および河川水として放出されるCl−とSO42−の放出量についてまとめた．

２．調査地点
第 1 図に調査した草津白根山一帯で調査した温泉および河川を示し，第 2a 図に西麓の万座温泉地区の拡大を，第 2b 図に東麓の草津温泉地域の拡大を示した.
草津白根山東山麓には，香草温泉，常布温泉，万代鉱温泉，草津温泉，群馬鉄山温泉など多くの酸性温泉が点在する．香草温泉は，山頂の東約 2 km に位置し，毒水沢の河岸数ヶ所から湧出している．香草温泉から約 1.3 km 方の大沢川と毒水沢の合流地点近くには常布温泉があり，河第1図

草津白根山周辺の温泉および河川

第 2b 図第 2a 図

西麓の万座地域拡大図

東麓の草津温泉地域拡大図

岸から少量の温泉が湧出し，そのやや下流に常布の滝がある．香草温泉から常布温泉間の河岸および常布の滝周辺数ヶ所からも酸性の湧水が滲み出している．草津温泉は，山頂の南東約 7 km,標高 1100〜1200 m に位置し，草津湯畑を中心にその上流の西の河原から下流の煮川の湯に至る東
西約 1 km の範囲に十数ヶ所の源泉が分布している．草津温泉の西方約 2 km は，草津白根山周辺で最も湧出量が多く，高温で強酸性の万代鉱温泉がある．また，山頂から約約 4 km 東方には，かって沈殿褐鉄鉱鉱床を作った群馬鉄山穴地獄湧水がある．一方，山頂から 2 km 西麓の万座地域には，万座湯畑温泉，万座空噴温泉，奥万座温泉，橘温泉などが存在する．このほか，山頂の北側斜面には，噴気ガスとともに湧出する小規模な温泉がある．
草津白根山周辺の多くの酸性河川は，大きく白砂川水系，万座川水系，白根山南麓水系の 3 つに大別され，いずれも最終的に吾妻川に流入する．白砂川水系は，草津白根山東麓斜面を流下す
る長笹川，大沢川とその支流の毒水沢，谷沢川とその支流の入道沢，殺生沢ならびに湯川，小雨川などで構成されている．このうち，大沢川は芳ヶ平付近を源流として南東方に流下し，常布の滝の手前で南側から毒水沢と合流する．毒水沢は湯釜，水釜の東側付近に端を発し，途中，香草温泉の温泉水が流れ込んでいる．また，この合流地点付近で，常布温泉の温泉水が河川に流れ込んでいる．谷沢川は草津白根山山頂直下の庄右衛門の滝を源流とし，入道沢，殺生河原をそれぞれ源頭とする支流が合流した河川である. 湯川は天狗山山麓に端を発し，万代鉱温泉，湯畑などの草津町内の諸源泉に加えて，町内の廃湯が流れ込んでいる．これら東側の 3 河川は石灰中和され，湯の湖を経由して白砂川に流れ込んでいる．
草津白根山西麓および西南麓を流下する万座川は大苦湯沢，奥万座川，白根沢，松尾川などが合流し，万座川水系を形成している．万座川は万座湯畑をはじめ各源泉の影響を受けた水質を示している．奥万座川は上流域の硫化水素を大量に含む奥万座源泉，万座空噴およびこの付近に分布する噴気孔の影響を受けた河川である．
草津白根山南麓に端を発する白根山南麓水系の遅沢川，赤川，今井川などは直接吾妻川に流入する河川で，遅沢川は支流として厳洞沢川を，またその支流として赤仁田沢を持つ．これらの河川は流域に存在する白根硫黄鉱山廃坑の坑内水の影響を受けているものが多いが，自然湧出する温泉水の流入はなく，草津白根山の火山活動の直接的な影響は少ない．

３．温泉水、河川水の流量測定法および化学組成の分析法
3.1 流量測定法
温泉・湧水の流出量の測定は，主に一定容積の桝を満たすのに要する時間を測定し湧出量を算出する桝受法を用いた． 2〜4 回の測定を行いその平均値をもって湧出量とした．また，河川流量測定は広井電気式流速計を用い，河川の断面を 3〜7 に区分し，それぞれの区間の流量を流速と断面積から計算により求めた．河川流量の測定は，河床の状態の悪いところ，水流が急激または緩慢でないところ，逆流，留水などの生じないところを選び，また降雨の影響を考慮し，降雨のあった日の翌日，翌々日を避けた．また，同じ地域の河川については，同じ日に調査を行った．
3.2 温泉水および河川水の化学分析
水温，pHは現地で試料採取時に測定した．また，pHが 2.5 以上の試料については，Fe2+を定量するために現地でα，α’-ジピリジルを用いて固定した．

Na+，K+は，原子吸光分析法で，Ca2+，Mg2+，全鉄，Al3+，MnO2，SiO2はICP発光分光分析法で，Fe2+はα，α’-ジピリジル吸光光度法で定量した．また，Cl−，SO42−はイオンクロマトグラフ法で分析した．
湧出量の多い温泉水については，温泉水中に溶存するH2S濃度を，約 1ℓの測定チャンバーに一定量の温泉水を入れ，6NHCl溶液を約 5mℓ加えて温泉水に溶存しているH2Sをチャンバー内の気相に分離させた後，検知管で濃度を測定して求めた．

４． 結果
草津白根山周辺の温泉水の化学組成，湧出量などを第 1 表に，火山性湧水の化学組成を第 2 表に，天水の化学組成を第 3 表に，河川水の化学組成および流量を第 4 表にそれぞれ示した．草津
白根山周辺の温泉水の湧出量は，17,000 ℓ/minである．このうち，万代鉱温泉の湧出量は 9,270 ℓ/minで全体の約 55 %を占めている．また，これに草津温泉の湧出量を加えると 15,000 ℓ/minとなり，両温泉の湧出量は草津白根山周辺の全温泉湧出量の 88 %となる．各温泉の湧出量と化学組成から草津白根山周辺の温泉として放出されるCl−量は 16 ton/day，SO42−量は 34 ton/dayである．万代鉱温泉と草津町内の温泉を合わせた，Cl放出量は 15.4 ton/dayで全体の約 96 %，SO42−放出量は30.4 ton/dayで全体の約 89 %を占めている．草津白根山周辺の温泉水中に含まれる硫黄の化学種は，SO42−が大部分であるが，H2Sが溶存する源泉もある．主な源泉の温泉水中に溶存H2S濃度と湧出量から求めたH2S総放出量は約 0.19 ton/dayと少なく，温泉水として放出される硫黄化学種としてはSO42−のみとして取り扱っても問題はないと言える.
草津白根山周辺に分布する酸性河川は主に温泉水が流れ込むことによって形成される．しかし，河川の河岸や河床から深部の熱水の影響を受けた地下水が河川へ流入している可能性もあり，
2002 年 8 月から 9 月にかけて，草津白根山一帯の河川の水質および河川流量の測定を行い，温泉水および河川水として放出される揮発性物質量を見積もった．
草津白根山一帯の河川は，Cl−濃度が 25 mg/ℓ以上の河川と 5 mg/ℓ以下の河川に大別される．また，半谷，小倉(1995)は，日本の河川の平均的なCl−濃度は 5〜10 mg/ℓ程度であり，それ以上の濃度の河川水は，人的な影響か火山活動の影響を受けていると指摘している．そこで，Cl−濃度が10 mg/ℓ以上の河川を草津白根山の火山活動の影響を受けた河川とした．それぞれの河川において流量と河川水の化学組成から，草津白根山周辺で河川水として放出されるCl−とSO42−量は，それぞれ約 27 ton/day，約 70 ton/dayとなり，温泉水として放出されるCl−量 16 ton/day，SO42−量 34ton/dayに比べて，Cl−は約 1.7 倍，SO42−は 2 倍となる（水橋，2004）．この結果は，火山活動として放出される揮発性物質量の見積もりには，温泉水とともに河川水として放出される揮発性成分量は無視できないことを示している．
草津白根山周辺からの温泉水および河川水としてのCl−の放出源は，次の 3 ヵ所に大別される．
放出量がもっとも多いのは，万代鉱温泉や草津町内の温泉水が流れ込む湯川で（約 15 ton/day），次いで草津白根山東麓の大沢川（約 6 ton/day）と元山川（約 4 ton/day） である．本白根山東麓の湯川以外の河川では，河川水として放出されているCl−，SO42−は温泉水のそれの倍以上に達する．
したがって，これらの河川では揮発性物質の放出は温泉水ではなく主に河岸や河床などから流出している地下水の寄与が大きい．また，同一地域で比較した場合，Cl−放出量の増加率に比べて

第１表

第2表

草津白根山周辺の温泉水の湧出量および化学組成

草津白根山周辺の火山性湧水の化学組成

第3表

天水の化学組成

第4表

主な河川の流量と化学組成

SO42−放出量の増加率の方がより大きい．これは，土壌からの水溶性付着成分の溶出や振子沢湧水(S55)，山頂域の融雪水(M85)のようなSO42−/Cl−比の高い水の混入に起因すると考えられる．
一方，草津白根山西麓の万座温泉地域では万座川と奥万座川を合わせてもCl−放出量は約 1.4
ton/dayと少なく，草津白根山では温泉水および河川水として放出される揮発性成分の大部分は東山麓から放出されている．
草津白根山のような積雪地域では，
12 月から翌年の 2 月ころまでの積雪期に河川流量は減少し，3 月から 5 月までの融雪期に河川流量が増加する一般的な傾向がある．河川流量の増減とともに揮発性物質放出量も変動すると考えられ，東麓の矢沢川と西麓の奥万座川において 2002 年 11 月から 2003 年 10 月までの間，月に 1〜3 回の水質調査および河川流量測定を行った．
谷沢川および奥万座川の河川流量は，融雪期の始まる 4 月頃から増加しはじめ，5 月に最大となる．その後河川流量は減少し始め，積雪期の始まる 11 月から 3 月にかけて著しく流量が少なくなる（第 3 図）．矢沢川におけるCl−流下量およびSO42−流下量は河川水の流量変化と対応して増減する．一方，奥万座川のSO42−流下量も矢沢川と同様に河川流量の季節変化に応じて増減するが，Cl−流下量の季節変化は明瞭ではない（第 4a図，第 4b図）．しかし，両河川ともにSO42−/ Cl−比のは融雪期に大きく，積雪期に小さく，河川流量と同様の変化を示す（第 5 図）.このことは，河川流量が少ない時期には，熱水リザーバーの寄与を受けた深部のSO42−/Cl−比の低い水の寄与が大きく，逆に河川流量が増加する時期は，熱水リザーバーとは接触していない表層付近を流下するSO42−/Cl−比の高い水の寄与が大きいためであると考えられる．また，2002 年 11 月から 2003
年 10 月までの両河川における河川流量，揮発性物質流下量，SO42−/Cl−比の年平均値を求めると，いずれも 2002 年 8 月に行った調査の値と良く一致している．このことから，先に述べた草津白根山周辺の河川水として放出されるCl−: 27 ton/day，SO42−: 70 ton/dayは妥当な値であると言える．

30000
谷沢川
奥万座川

25000

河川流量(l/min)

20000

15000

10000

5000

0
2002/08/01

2002/11/01

第3図

2003/02/01

2003/05/01

2003/08/01

矢沢川および奥万座川の流量の季節変化

121.8

谷沢川
奥万座川

谷沢川
奥万座川

1.6

10

SO42−流下量 (ton/day)Cl−流下量(ton/day)

1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.486

42
0.20.02002/08/01

第 4a図02002/11/01

2003/02/01

2003/05/01

2003/08/01

2003/11/01

矢沢川，奥万座川のCl−流下量

2002/08/01

2002/11/01

第 4ba図2003/02/01

2003/05/01

2003/08/01

2003/11/01

矢沢川，奥万座川のSO42流下量

５．まとめ
１．草津白根山周辺の温泉水として放出されるCl− およびSO42− 量は，それぞれ 16 ton/day，34ton/dayである．また，硫黄化学種として温泉水に含まれるH2S量は無視できる.
２．草津白根山周辺の酸性河川は，温泉水および河岸，河床から流入する火山性湧水から成り，河川水として放出されるCl−量は約 27 ton/day，SO42−量は約 70 ton/dayとなり，温泉水のみの両成分の放出量比べてそれぞれ 1.7 倍、2 倍である．このことから，酸性河川水としての揮発性成分放出量は重要である．
３．津白根山周辺の噴気ガスのDry gas中は，HClをほとんど含まず，またSO2も微量で，H2SとCO2が主成分である．したがって，火山ガスとして放出されるHClは無視することができる．また，SO2とH2Sを併せた放出量も 2.6 ton/dayと少ない．これをSO42に換算すると約 7.2 ton/dayとなり，温泉水および河川水として放出されるSO42−量のわずか 10 %で，草津白根山では揮
発性成分の大部分が温泉水および河川水として放出されている．
４．草津白根山では温泉水および河川水として放出される揮発性成分の大部分は東山麓から放出されている．

14
谷沢川
奥万座川

12

SO42−/Cl−比(重量比)

1086

420
2002/08/01

2002/11/01

第5図文

2003/02/01

2003/05/01

2003/08/01

2003/11/01

矢沢川，奥万座川のSO42−/Cl−比の季節変化

献

半谷高久・小倉紀雄（1995）：水質調査法（第 3 版）．丸善
平林順一（1999）：火山流体の生成と火山活動．温泉科学，49，pp.99-105.
倉沢辰巳，角田安則（1985）：．地熱，22，pp.1-8.

水橋正英（2002）：草津白根山周辺に分布する温泉水の湧出機構．東京工業大学卒業論文
水橋正英（2004）：揮発性物質放出量から推定される草津白根山の熱水系．東京工業大学修士論文
大場武・平林順一・野上健治（2000）：草津白根山の火山熱水系．温泉科学，49，pp.163-175.
Ohawada, M. （2003）： Behavior of volatiles in volcanic hydrothermal systems inferred from noble gas
abundances and isotopic ratios.

Doctorate thesis of Tokyo Institute of Technology

齋藤政城（2004）：草津白根山山頂域における土壌からの二酸化炭素拡散放出量．東京工業大学卒
業論文
鈴木隆（2000）：マグマからの揮発性物質放出量．東京工業大学卒業論文
鈴木隆（2002）：火山ガス放出量と放出圧力振動メカニズム．東京工業大学大学院修士論文