草津白根山山頂地域から放出される二酸化炭素ガス量
齊藤政城 1・平林順一 1・野上健治 1・森 健彦 2・水橋正英 1・及川光弘 1
1:東京工業大学 火山流体研究センター
2:京都大学大学院理学研究科 地球熱学研究施設

Discharge rate of CO2 from the summit area of Kusatsu-Shirane volcano
J. Hirabayashi1, M. Saito1, K. Nogami1, T. Mori2, S. Mizuhashi1, M. Oikawa1
1: Volcanic Fluid Research Center, Tokyo Institute of Technology
2:Institute for Geothermal Sciences, Kyoto University

１．はじめに火山噴火の原動力であるマグマ中の揮発性成分は，火山ガス，温泉水，河川水などとして放出されるほか土壌表面からも拡散放出される．地表から放出される揮発性成分の化学的特性や量を知ること
は，揮発性成分の物質収支， 地下の熱水系構造，火山活動の変化や規模を解明する上で非常に重要である．土壌からの拡散放出される CO2 ガスは，水への溶解度が低いため地下水や熱水の影響を受けにくく，その放出量や変動は火山活動に関する様々な情報を与える(例えば，Chiodini：1996，1998，下池：1999)．
草津白根山山頂では，強酸性の火口湖「湯釜」の湖底から火山ガスや熱水が噴出しており，湯釜火口の北及び北東の噴気地熱地帯にある多数の噴気孔から火山ガスが放出されている．また，山頂域には温泉水の湧出も見られ，マグマからの揮発性物質は様々な形態で放出されている．
本報告では，草津白根山山頂域における土壌ガス中の CO2 濃度及び土壌表面から拡散放出されるCO2 量の測定を行い，その分布や特徴についてまとめた．

２． 土壌ガス及び土壌から拡散放出される CO2 ガスの測定
2.1 土壌ガス中の CO2 濃度の測定
2002 年 8 月から 11 月にかけて草津白根山山頂域の約 1.5 km×1.5 km の範囲において約 100 m 間隔で土壌ガスの測定を行った．測定地点は繰り返し測定も含め 180 点である（第 1 図）
． 測定の手順は，まず鉄パイプを用いて 60 cm の穴をあけ，そこに先端部を土壌ガスが入りやすくなるように加工し，上部にゴム栓を付けた塩化ビニール製パイプを挿入する．一昼夜放置後，パイプ内に溜まった CO2 濃度を検知管（ガステック社製）で測定した．次いで，パイプ内のガスの一部をプラスチック製注射筒に採取し，土壌ガス中の H2 濃度をガスクロマトグラフ装置（検出器：TCD，キャリアーガス：アルゴン）で測定した．最後に，孔底の温度をサーミスター温度計で測定した．

第 1 図 土壌ガス濃度測定点

第 2 図 土壌からの CO2 拡散放出量測定点

2.2 土壌からの CO2 拡散放出量の測定
2003 年 8 月から 10 月にかけて，前述の土壌ガス中の CO2 濃度分布にもとづいて，マグマ起源の CO2が多く含まれると考えられる湯釜北側噴気地帯を中心に CO2 ガスの拡散放出量の測定を行った．
また，測定点は 170 地点である（第比較のために土壌ガス測定で CO2 濃度の低かった場所でも測定を行った．
2 図）．
CO2 の拡散放出量は，イタリア West Systems 社製の Carbon dioxide flux meter を用いて測定した．同装置は，チャンバー内のガスを循環させて赤外線吸収法で CO2 濃度を測定する（ガスセル長：5cm，
LICOR LI-800 Carbon Dioxide detector）．
また，水分除去剤には塩素酸マグネシウム(Mg(ClO4)2)を用いた．
測定は，攪拌ファン付の内容量 3.1 リットルのチャンバーを平らにした地表にかぶせ，チャンバー内の CO2 ガス濃度の上昇率（Slope: ppm/sec）にチャンバー内容量，気温，高度によって決まる係数(AcK:Accumulation chamber Constant)を乗じて求めた（次式）．
CO2 Flux (g/m2・day) = Slope (ppm/sec)×AcK

３．結果及び考察
3.1 土壌ガス中の CO2 濃度
草津白根山山頂域における土壌ガス中の CO2 濃度測定の結果，土壌ガス中の CO2 濃度は，用いた検知管の測定限界の 200,000 ppm を越えた地点もあるが，100〜100,000 ppm である．第 3 図に示した CO2濃度分布図から，湯釜北側噴気地帯, 湯釜北東変質地熱地帯, 湯釜東変質地帯及び湯釜南西の斜面で土壌ガス中の CO2 濃度が高いことが明らかとなった．このうち南西の斜面では植生が発達していることから，マグマ起源の CO2 は少なく，大部分が植物起源の CO2 と考えられる．孔底の地温と気温差による温度補正を行った結果，湯釜北側および北東噴気地帯で CO2 濃度の高い地点は，地温も高いいことが明らかとなった．このことは，湯釜北側噴気地帯及び湯釜北東変質地熱地帯の土壌ガス中の CO2 はマグマ由来であることを示唆している．また，CO2 濃度は高い値を示したが地温の低かった湯釜東変質地帯は，植生が見られず土壌が変質していることから，マグマからの火山ガスが地表に達する前にCO2 が主成分として放出されていると考えられる．
冷却され，主成分である H2O のほとんどが凝縮し，また, 現在最も活動的な山頂の湯釜火口および水釜火口内の CO2 濃度は 100〜400 ppm と低いことも明らかとなった．
また，全測定点のうち H2 が検出されたのはわずか４測定点(C-14, D-9, N7-1, N10-1)である．このう
ち，C-14，N7-1，N10-1 測定点は噴気孔の近くや変質地熱地帯であり，土壌ガス中の CO2 濃度も高い値を示した．また, D-9 測定点は変質帯ではないが, 変質帯に近く，H2 ガスが特異的に染み出している場所と考えられる．

3.2 土壌表面から拡散放出される CO2 量
湯釜北側噴気地帯及び湯釜北東変質地熱地帯の土壌表面から放出される CO2 拡散放出量の分布図を図 4 に示した．CO2 拡散放出量は，第 4 図の分布図において２本の等放出量線に挟まれた面積と 2 本の等放出量線の中間放出量から見積もった．湯釜北側噴気地帯, 湯釜北東変質地熱地帯からの CO2 拡散放出量は，それぞれ 0.04 km2，0.011 km2 の範囲から 0.67 ton/day，0.75 ton/day と見積もられ，草津白根山湯釜北側噴気地帯及び湯釜北東変質地熱地帯からの CO2 拡散放出量の総量は 1.4 ton/day である．
湯釜北側噴気地帯, 湯釜北東変質地熱地帯から噴気ガスとして放出される CO2 量はそれぞれ 3.04ton/day，0.035 ton/day と見積もられており（鈴木 2002），湯釜北側噴気地帯及び湯釜北東変質地熱地帯
からの CO2 の総出量は 4.5 ton/day である．このうち，土壌表面から拡散放出される CO2 量は，全 CO2放出量の約 1/3 で，草津白根山山頂域にから気体として放出される揮発性成分量を議論する上で土壌表面からの拡散放出ガス量は無視することはできない．

第 3 図 土壌ガス中の CO2 濃度分布

3.3 噴気ガスと土壌表面からの拡散放出ガスとしての CO2 放出量の比較
湯釜北側噴気地帯及び湯釜北東変質地熱地帯において，噴気ガスとして放出される CO2 量と土壌から拡散放出される CO2 量を比較すると，湯釜北側噴気地帯では，土壌からの CO2 拡散放出量は噴気ガスとし放出される CO2 量の約 22％にすぎない．一方，湯釜北東変質地熱地帯では，土壌からの CO2拡散放出量は噴気ガスとしての CO2 放出量の約 21 倍である．すなわち，湯釜北側噴気地帯では噴気ガスとしての CO2 放出が卓越し, 湯釜北東変質地熱地帯では逆に土壌からの拡散放出される CO2 量が卓越している．湯釜北東変質地熱地帯では，火山ガスが地表まで上昇する過程で，ガスの大部分が凝縮していることを示唆している．このことは，両地域からの噴気放出量と放熱量の検討からも同様に考えられている（鈴木，2002）．また，湯釜北側噴気地帯では，噴気ガスおよび地表からの拡散放出よる CO2 量は 3.7 ton/day であり，湯釜北東変質地帯からの CO2 放出量，0.79 ton/day の約 4.7 倍で，CO2の水に対する溶解度が低いことから，両地域の CO2 放出量は，マグマからの火山ガス供給量を示していると考えられる．

138°32′00″

138°33′00″

32.5

21.5

10.5

0-0.5

36°38′00 ″0100 200

4001000(m)-1log CO 2Flux(g･m- 2･day -1)

第 4 図 土壌表面からの CO2 拡散放出量

草津白根山山頂域における噴気ガス及び地熱異常による放熱量は鈴木(2002)，鍵山ら(1996) により見積もられている．湯釜北側噴気地帯, 湯釜北東変質地熱地帯からの噴気ガスによる放熱量はそれぞれ
4.2 MW，0.05 MW (鈴木，2002)，両地域における地熱異常による放熱量はそれぞれ 1.4 MW，1.2 MWと見積もられている(鍵山ほか，1996) ．湯釜北側噴気地帯の噴気ガス放出，地熱異常による放熱量の合計は 5.6 MW であり，湯釜北東変質地熱地帯の両放熱量 1.3 MW の 4.5 倍で，CO2 放出量からみた湯釜北側噴気地帯と湯釜北東変質地熱地帯の火山ガス供給量の比とほぼ等しい．

3.4 湯釜北側噴気孔周辺の CO2 拡散放出量
北側噴気孔周辺の土壌からの CO2 拡散放出量と北側噴気孔からの距離との関係を見ると，5〜10 m
離れただけで土壌からの CO2 拡散放出量は大きく変化し, 地下浅所〜地表面の状態や変質の状態も関係して非常に不均質であることが分かった.

3.5 他の火山の CO2 拡散放出量との比較
草津白根山山頂域からの CO2 拡散放出量と他の火山からの放出量とを比較すると，草津白根山山頂域の土壌からの CO2 拡散放出量は，1997 年測定の伊豆大島からの放出量に近いが，1998 年及び 1999
年の有珠山，1998 年の三宅島の放出量と比べると 1 桁〜3 桁少ない．しかし，各火山での放出量測定面積は異なるため放出量を単純に比較することができない．そこで単位面積あたりからの放出量に換算し，比較すると草津白根山山頂域の単位面積あたりの放出量は 1 ton/km2・day となり，単位面積からの放出量でみても伊豆大島の値に近く，有珠山や三宅島の放出量よりは 1〜2 桁小さい（第 1 表）．

４．まとめ
草津白根山山頂域では，湯釜北側噴気地帯, 湯釜北東変質地熱地帯, 湯釜東変質地帯，湯釜南西の斜面で土壌ガス中の CO2 濃度が高いことが明らかとなった．植生の発達していない湯釜北側噴気地帯，湯釜北東変質地熱地帯，湯釜東変質地帯の土壌ガス中の CO2 はマグマ起源と考えられる． また，山頂域からの CO2 拡散放出量は 1.4 ton/day と見積もられた.
山頂域で，噴気ガス及び地表から拡散放出される CO2 総量は 4.5 ton/day であり，このうち地表面からの拡散放出量は約 30 %を占め，同地域における気体として放出される揮発性成分を議論する上で土壌からの拡散放出ガスを無視することはできない．
CO2 の放出形態は，湯釜北側噴気地帯では噴気ガスとしての CO2 放出が卓越し, 湯釜北東変質地熱地帯では逆に土壌からの CO2 拡散放出が卓越している．
湯釜北側噴気地帯への火山ガス供給量は，湯釜北東変質地熱地帯への火山ガス供給量の約 4.6 倍である．
現在の草津白根山山頂域における土壌表面からの CO2 拡散放出量は，単位面積あたりの放出量で比較すると，有珠山や三宅島からの放出量の 1 桁〜2 桁小さい．
第 1 表 各火山からの CO2 拡散放出量
火山

CO2 拡 散 放
出量 ton/day

測定面積ton/km ・day

1.44

1km

草津白根山

1.4

薩摩硫黄島

80

n.d.

有珠山

392340伊豆大島
三宅島

Vulcano(Italy)放出量／面積2測定年

文献

22003

本研究1999,2000

Shimoike et al.,2002

19.5

2000

Hernandez et al.,2001

2.65

128

1999

120

2.65

43.5

1998

350.6

1997

下池,1999

4300

41.4

104

Sep.1998

Hernandez et al.,2001

3200

33.4

95.8

May 1998

Hernandez et al.,2001

206

0.42490.5

Jul.1995

Chiodini et al.,1996

2000.65

307.7

Apr.1995

謝辞 本研究を行うにあたり，CO2 拡散放出量測定装置を快く貸していただき，取り扱い方法をお教えいただいた産業技術総合研究所，高橋 浩氏，北海道大学，橋本武志助教授に心から感謝申し上げます．

引用文献
Chiodini, G., Frondini, F. and Raco, B. (1996) : Diffuse emission of CO2 from the Fossa crater, Vulcano Island(Italy), Bull volcanol, 58, 41-50.
Chiodini, G. (1998) : Soil CO2 flux measurements in volcanic and geothermal areas, Applied Geochemistry, 13,543-552
Hernandez, P. A., Notsu, K., Salazar, J. M., Mori, T., Natale, G., Okada, H. Virgili, G., Shimoike, Y., Sato, M. andPerez, N. M.(2001) : Carbon Dioxide Degassing by Advective Flow from Usu Volcano, Japan, Sceience,
292, 6, 83-86.
Hernandez, P. A., Shimoike, Y., Mori, T. and Notsu, K.(2001) : Diffuse emission of CO2 from Miyake-jima
volcano, Japan. 日本火山学会 1998 年度秋季大会講演予稿集, 121
鍵山恒臣, 平林順一, 大場武, 井口正人(1996) ：草津白根山の赤外映像調査, 第３回草津白根山の集中総合観測報告書, 37-44
鈴木隆 (2002)：火山ガス放出量と放出圧力振動メカニズム, 東京工業大学修士論文
下池洋一 (1999)：伊豆大島火山の火山性流体の挙動, 月刊海洋/号外, No.19, 88-94.
Shimoike, Y., Kazahaya, K. and Shinohara, H. (2002)：Soil gas emission of volcanic CO2 at Satsuma-Iwojima
volcano, Japan. Earth Planets Space, 54, 239-247.