温泉科学（J. Hot Spring Sci.），63，298-316（2014）

原著

榛名火山における温泉の水質および安定同位体比とその地質鉱物学的解釈
村松容一1）*，片山秀雄2），千葉

仁3），奥村文章4）（平成 25 年 7 月 17 日受付，平成 25 年 9 月 27 日受理）

Chemical and Stable Isotope (δD, δ18O and δ34S)
compositions of Hot Springs from the Haruna
Volcano of Central Japan, and Their Geologicaland Mineralogical Interpretations
Yoichi Muramatsu1）*, Hideo Katayama2）, Hitoshi Chiba3）
and Fumiaki Okumura4）
Abstract
Chemical and stable isotope (δ O, δD, δ34S) compositions of eighteen hot spring waters
and seven spring waters from the Haruna volcano, Central Japan, were analyzed toconstrain the flow system and formation mechanism of the fluids. These waters belong to
Na-Cl, Ca-Cl, Na-SO4, Ca-SO4, Na-HCO3 and Ca-HCO3 types, and the chloride-type waters wereformed by mixing of fossil sea water with local meteoric water. The major chemicalcompositions of the waters are controlled by reaction of volcanic material to form smectite,
ion exchange of smectite, calcite and anhydrite dissolutions, and also by sulfate reduction
process. The fluid formation mechanisms are concordant with the fluid-mineral interaction
result and stable isotope ratios (δ18O and δD).
The oxygen isotope ratio with weakly negative shift (－0.92‰) of the fossil sea water
reserved in the Annaka Group reflects pervasive reaction of volcanic material to form
smectite. The high oxygen isotopic ratio (＋6.92‰) of the fossil sea water reserved in the
18

東京理科大学理工学部教養科 〒278-8510 千葉県野田市山崎 2641．1）Department of Liberal Arts, Faculty of Science and Technology, Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba 278-8510,
Japan. *Corresponding author：E-mail muramatu@rs.noda.tus.ac.jp, TEL & FAX 047-347-0621.
2）
東京理科大学大学院科学教育研究科科学教育専攻 〒162-8601 東京都新宿区神楽坂 1-3．2）Graduate
School of Educational Science, Tokyo University of Science, 1-3 Kagurazaka, Shinjuku-ku, Tokyo 1628601, Japan.
3）
岡山大学理学部地球科学科 〒700-8530 岡山県岡山市北区津島中 3-1-1．3）Department of Earth Sciences,
Faculty of Science, Okayama University, 3-1-1 Tsushima-naka, Kita-ku, Okayama, Okayama 700-8530, Japan.
4）
石油資源開発（株）技術研究所 〒261-0025 千葉県千葉市美浜区浜田 1-2-1．4）Research Center, Japan
Petroleum Exploration Co., Ltd., 1-2-1 Hamada, Mihama-ku, Chiba, Chiba 261-0025, Japan.
1）298

第 63 巻（2014）

榛名火山における温泉の水質および安定同位体比とその地質鉱物学的解釈

Annaka and Tomioka Groups of the Tomioka field resulted from more progressive diagenetic
degrees (recrystalization effect) depend on burial depth. The sulfate-rich hot spring watersfrom the Ikaho and Harunako areas have a wide range of δ34S from ＋11.1 to ＋25.8‰,
interpreting by dissolution of low and high δ34S rich anhydrites which had been produced
from the diluted acid sulfate and volcanic solutions at the active stage of volcanism,
respectively.
Key words : Haruna volcano, Hot spring waters, Anhydrite, Fluid flow system, Fluid formation
mechanism, Geological and mineralogical interpretations

要旨

群馬県榛名火山に分布する温泉水（18 地点）および湧水（7 地点）を対象に，主成分および水素・酸素・硫黄同位体分析を実施し，地質鉱物学的視点に立って深部流体の起源と水質形成機構を検討するとともに，水─鉱物相互作用の化学平衡論により検証した．温泉水・湧水はNa ─ Cl 型，Ca ─Cl 型，Na ─ SO4 型，Ca ─ SO4 型，Na ─ HCO3 型，Ca ─ HCO3 型に属する．
このうち，塩化物泉の深部流体は主に降水と化石海水の混合によって形成されたものであり，降水に卓越する．温泉水と湧水の水質は火山性物質の風化，イオン交換反応，方解石・硬石膏の溶解，硫酸還元反応によって規制されており，水─鉱物相互作用に関する化学平衡計算結果
および δ18O と δD 値より導かれた推論と整合する．
榛名火山に賦存する化石海水の δ18O 値（－0.92‰）は現海水より若干低く，火山性物質のス
メクタイト化によってもたらされた．一方，榛名火山に南接する富岡地域に賦存する化石海水の δ18O 値（＋6.92‰）は現海水より高く，スメクタイトのイライト化によってもたらされており，両地域間の δ18O 値の大差は埋没深度に依存する続成作用（再結晶作用）の進行度に起因する．榛名湖・伊香保地区の SO42－に富む温泉水と湧水に含まれる硫酸態硫黄は硬石膏を起源にしている．両地区の温泉水の δ34S 値（＋25.8，＋11.1‰）には大きなばらつきが認められており，榛名火山の活動期に，山頂の地下では火山ガス中の SO2 の不均化による H2SO4 が関与した流体から沈殿した δ34S 値の重い硬石膏，中腹の地下では浅層 SO4 型酸性水から沈殿した δ34S
値の軽い硬石膏を，深部流体の主な起源である降水が地下に浸透する途中でそれぞれ溶解してきたと推察される．
キーワード：榛名火山，温泉水，硬石膏，流動機構，水質形成機構，地質鉱物学的解釈

1． は じ め に群馬県は赤城火山，榛名火山，浅間火山，草津白根火山，日光白根火山を有する活火山県であり，草津・万座・伊香保などの火山性温泉が多数存在する．これらの温泉を対象にした地球化学的研究
はこれまで多数報告されているが（例えば，松葉谷，1981；松葉谷ら，1985；酒井，1989，2008；
山本ら，1997），地質鉱物学的視点に立った深部流体の起源（流動機構を含む）と水質形成機構の研究は非常に少ない．そこで，著者らは第 1 報（村松ら，2010）で関東山地北縁の富岡地域，第 2報（村松ら，2013）で足尾山地，赤城火山および利根川中流低地帯に分布する温泉の水質および安定同位体分析を実施し，地質鉱物学的視点に立って深部流体の起源と水質形成機構を考察した．群馬県のほぼ中央に位置する榛名火山では，東山腹にある全国的にも有名な伊香保温泉の水質・同位体化学的および温泉地質学的研究は古くから多数行われているが（例えば，飯島，1988；酒井・木
暮，1988；松葉谷，1989；久保，1995），榛名火山に分布する多数の温泉を包括し，地質鉱物学的視点で深部流体の起源と水質形成機構を詳細に研究した報告はこれまで行われていない．
本研究では，榛名火山に分布する温泉水と湧水を対象に，主成分および水素・酸素・硫黄安定同位体分析を実施し，地質鉱物学的視点で深部流体の起源と水質形成機構を考察するとともに，水─299

村松容一，片山秀雄，千葉仁，奥村文章温泉科学

鉱物相互作用の化学平衡論により水質形成機構を検証した．本研究によって，（1）榛名火山に賦存する化石海水の酸素同位体的特徴を明らかにするとともに，南接する富岡地域（村松ら，2010）との違いとその要因を解明すること，（2）榛名湖および伊香保地区の SO42－に富む温泉の成因を解明することができた．本論では，地表で採取された温泉水，湧水を温泉水（hot spring water），湧水（spring water）とそれぞれ呼称し，温泉水と湧水の本源である深部流体（deep fluid）と区別する．また，各温泉の名称は所在地で，温泉井に関わる深度と孔底深度は地表基準でそれぞれ表す．

2． 地 質 概 要
榛名火山とその周辺の地質および地質構造は野村ら（1990），群馬県（1999）などによって報告されている．群馬県（1999）をもとに作成した本地域の地質図を Fig. 1 に示す．図中，地質断面図

Fig. 1 Geological map and sample locations of spring waters in the Haruna volcano,Central Japan (after Gunma Prefecture, 1999 ; Iijima, 1988 ; Nomura et al., 1990).  
Open and solid circles are shown springs and hot springs, respectively.  OW, Ohdo
thermal well ; RW, Ranzu survey well ; I3W, Ikaho No.3 well.

300

第 63 巻（2014）

榛名火山における温泉の水質および安定同位体比とその地質鉱物学的解釈

は飯島（1988），野村ら（1990）による．
1） 榛名火山中央地域
榛名湖・伊香保地区を含む榛名火山山頂付近～山腹を榛名火山中央地域と呼称する．榛名火山（最高標高は掃部ヶ岳 1,449 m）は山頂カルデラ内に溶岩円頂丘（榛名富士）とカルデラ湖（榛名湖）を持つ複式成層火山であり，5 期にわたって成長している（大島，1986）．第 1，2 期は主成層火山形成期で輝石安山岩質マグマ，第 4，5 期はカルデラ（山頂カルデラ等）～溶岩円頂丘形成期でデイ
サイト質マグマ，第 3 期はそれらの中間の性質をもつマグマがそれぞれ活働した．第 5 期（約1460 年前）に山頂では榛名富士溶岩円頂丘が形成され，また二ツ岳では火砕流や降下軽石の噴出によって爆裂火口が形成され，その内側に二ツ岳溶岩円頂丘が誕生した．その後，榛名火山は静穏期を迎え，現在顕著な噴気帯は見られない．しかし，火山活動は完全には終息しておらず，山頂には榛名富士，東山腹には二ツ岳の活動とそれぞれ密接な関係にある榛名湖温泉と伊香保温泉が湧出している（久保，1995）．伊香保温泉の酸素・水素同位体比によれば，たとえマグマ起源の火山性
熱水を含んでいても，その割合は 1～2％程度に過ぎないと報告されている（松葉谷，1989）．
現在の榛名火山の大部分は主成層火山形成期の火山噴出物でできている．地質調査所が伊香保地区の旧火口堆積物分布域で掘削した第 3 号井（孔底深度 302 m；Fig. 1 の I3W）の地質調査結果によれば，地表～深度 160 m に爆裂火口を埋積した火口周辺堆積物（角閃石安山岩），深度 160～
238 m に崖錐性堆積物（角閃石安山岩と両輝石安山岩），238 m 以深に主成層火山またはそれ以前の古期火山岩類（両輝石安山岩）が分布している（久保，1995）．伊香保地区の主成層火山の構造
は N70°E ないし EW 方向が卓越し，爆裂火口内にも認められており，地表近くへの温泉の湧出は
N60°～70°E 方向の構造が関係していると考えられている（久保，1995）．伊香保地区の主源泉である 5 本の温泉井は旧火口堆積物分布域で掘削され，古期火山岩類あるいはそれに近い上位層の基底付近に達している（Fig. 1 の A-B 地質断面図；飯島，1988）．
地表および孔井地質調査によれば，榛名火山の第三系基盤は安中層群（原市層，板鼻層），秋間層，吾妻層で構成される．榛名湖の東南東（Fig. 1 の G 地点）では，標高 970 m 付近まで陸成の吾妻層（輝石安山岩質溶岩，火山角礫岩，火山礫凝灰岩）が露出しており，榛名火山の基盤は火山の下でかなり盛り上っていると推定される（野村ら，1990）．この吾妻層の分布は高重力異常域とほぼ一致することから，基盤岩類が榛名火山山頂から北西山麓に露出する吾妻層の方向に存在する高重力異常域で地表付近まで分布しており，吾妻層は NW ─ SE 方向の破砕構造を持っていると推定される（野村ら，1990）．蘭津調査井（Fig. 1 の RW）では，地表～深度 164 m に榛名火山噴出物（輝石安山岩，かんらん石安山岩，安山岩質凝灰角礫岩），それ以深の基盤は深度 903 m まで後期中新世の秋間層（白色軽石層，茶臼山溶結凝灰岩，凝灰角礫岩，凝灰岩），深度 912 m（孔底）まで後期中新世の安中層群板鼻層上部（硬質砂岩・頁岩の亜円礫）からなる（野村ら，1990）．また，榛名火山南東山麓の榛東温泉井（No. 23；孔底深度 1,605 m）は，榛名火山噴出物，秋間層，安中層
群板鼻層を掘り抜き，安中層群原市層最上部に達している（久保・榛東温泉地質調査研究会，
2003）．
2） 榛名火山山麓地域
榛名火山の山麓を榛名火山山麓地域と呼称する．榛名火山南麓の地表には，下位より安中層群板
鼻層，秋間層・相間川層（両層の一部は同時異相）が分布し，さらに南方の富岡地域には富岡層群（牛伏層，小幡層，原田篠層）と上位の安中層群（庭谷層，原市層，板鼻層）が広く分布する．板
鼻層（層厚 1,200 m 以上）は砕屑性海成堆積物（砂岩，シルト岩，礫岩）で構成され，中部および上部には凝灰岩を数層挟在し，最上部の礫岩中のものは層厚が厚く連続性に富んでいる（木崎，1965；野村・小坂，1987；高橋，2008）．本層は北西─南東走向で，北東に 15～20° 傾斜する．秋301

村松容一，片山秀雄，千葉仁，奥村文章温泉科学

間層（層厚 350 m 前後）は両輝石安山岩質の凝灰角礫岩および茶臼山溶結凝灰岩からなり，板鼻層を不整合に覆う．秋間層の走向と傾斜は板鼻層と同じ（北北東に 10° 傾く単斜構造）であり，板鼻層とともに南南西側が隆起する傾動運動があったことが示唆されている（野村・秋間団体グループ，
1981）．相間川層は両輝石安山岩溶岩および同質の凝灰角礫岩からなる（野村・小坂，1987）．地史
的にみると，前期中新世に関東山地の北縁（富岡地域）に東西方向の堆積盆が形成されて海域になり，富岡層群の砂岩，シルト岩，泥岩が堆積した．中期中新世になると，浅海に火山灰層を取り込
みながらシルト，砂などが堆積し，末期には関東山地が著しく隆起した結果，富岡地域は海退期を迎え，後期中新世の初期に板鼻層の粗粒砕屑物が浅海域を埋積した（高橋，2008）．後期中新世の後期になると，地域南南西方面（荒船山～相間川流域）で生じた火山活動によって陸成の秋間層と相間川層が形成された（野村・小坂，1987）．
一方，榛名火山北麓には，吾妻川以北に中期更新世の小野子・子持火山が聳え立っている．吾妻川下流域に分布する後期鮮新世～前期更新世の小野上層（層厚 600 m 以上）は湖沼堆積物（角礫岩，
軽石凝灰岩泥岩，凝灰角礫岩，砂岩泥岩）で構成され，南に 10～50° 傾斜する．吾妻川中流域には，下位から中期中新世の沢渡層（凝灰質砂岩・泥岩），後期中新世の根古屋溶結凝灰岩層，吾妻層（安山岩質凝灰角礫岩と同質溶岩）および小倉層（安山岩質凝灰角礫岩～火山角礫岩と同質溶岩の互層）が分布する（群馬県，1999）．

3． 試料採取および分析方法
榛名火山地域の温泉水 18 地点，湧水 7 地点の計 25 地点で 2010～2012 年に採水した．現地で水温，
pH，電気伝導度をカスタニー ACT pH メータ（堀場製作所製 D ─ 24）で測定した後，分析用として 500 mL のポリエチレン瓶 3 本に採水するとともに，Fe, Al 分析用として 50 mL ポリエチレン瓶
2 本に採水して時間経過により沈殿物が生じないように，速やかに濃硝酸 1 mL を加えて pH を 1程度に調整した．これらの水試料を実験室に持ち帰り，各種溶存化学成分を分析した．温泉は自然
湧出泉ないし掘削泉（すべて水中ポンプによる動力揚湯）であった．ほとんどの源泉は温泉貯湯槽
や入浴施設の近くにある．温泉水の採水場所は源泉 8 地点（Nos. 3, 7～9, 11, 13, 20, 23），温泉貯湯槽への吐出口 3 地点（Nos. 14, 22, 25），施設内の飲泉所・浴槽・温泉スタンド 7 地点（Nos. 5, 15,
17～19, 21, 24）である．なお，現地では温泉所有者より温泉貯留層の深度に関する聞き取り調査を実施した．
温泉水の分析項目と方法は次の通りである．HCO3－は容量法によって総アルカリ度として算出し，HCO3－濃度に換算した．その際，アルカリ度は pH 4.8 酸消費量として，MR ─ BCG 混合指示薬で硫酸標準溶液による滴定法で実施した．Na+, Ca2+, Mg2+, Cl－ , SO42－ , F－ , Br－はイオンクロマトグラ
フ（島津製作所製 LC ─ VP）を用いた．K+, Fe, Li は原子吸光光度計（島津製作所製 AA ─ 6200），
Al3+ は簡易吸光光度計（エリオクロムシアン R（ECR）とアルミニウムイオンとの呈色反応を利用した比色法；HACH 製 DR ─ 2800），B は簡易吸光光度計（カルミン法；HACH 製 DR ─ 2800），
SiO2 は紫外可視分光光度計（モリブデンイエロー法；島津製作所製 UV ─ 1650PC）でそれぞれ分析した．
酸素安定同位体比（δ18O）と水素安定同位体比（δD）は水試料を 0.45 µm のフィルターで濾過した
後，元素分析計と直結した安定同位体質量分析計（GV Instruments 製 Iso Prime ─ EA）で測定した．元素分析計により，水素については 1050℃に加熱したクロム炉にて水を熱分解して H2 ガスに，酸素については 1,260℃に加熱したガラス質炭素の炉で CO ガスにそれぞれ変換した後，質量分析計に導入した．また，硫黄安定同位体比（δ34S）は 10 地点を対象に BaSO4 として沈殿させた後に302

第 63 巻（2014）

榛名火山における温泉の水質および安定同位体比とその地質鉱物学的解釈

電気炉を用いて二酸化硫黄に変換し，硫黄同位体比を質量分析計（GV Instruments 製 Iso Prime ─EA）で測定した．安定同位体比は標準物質からの千分率偏差（‰）で表した．
δ ‰）＝［RX/RS－1］×1000
（No.

Locality

Table 1

Chemical composition of hot spring and spring waters.

Elevation
(m)

Depth
(m)

Sampling
date

Central area of the Haruna volcano
1 Kamongadake (S)
1094
    0
2 Harunako (S)
1096
    0
3 Harunako
1087
303
4 Harunajinjya (S)919
0
5 Ikaho806
211
6 Ikaho (S)
806
    0
Foot area of the Haruna volcano
7 Harunasan
571
903
8 Takasaki-1
347
unknown
9 Kurabuchi-1
481
1300
10 Kannon (S)
454
    0
11 Kurabuchi-2
593
unknown
12 Kamezawa (S)
593
    0
13 Agatsuma-1
415
1199
14 Agatsuma-2
289
700
15 Shibukawa-1
273
500
16 Hakoshima (S)
368
    0
17 Shibukawa-2
215
923
18 Akagi
208
703
19 Shibukawa-3
219
unknown
20 Hokkitsu
191
1287
21 Shibukawa-4
154
1405
22 Yoshioka
1371301
23 Shinto
336
1605
24 Takasaki-2
213
1215
25 Maebashi
110
1500
Seawater*1

No.

Locality⑴

Al3+(mg/L)

Fe2++Fe3+(mg/L)

Central area of the Haruna volcano
1 Kamongadake (S) 0.008<0.1
2 Harunako (S)
0.008
0.400
3 Harunako
0.008
2.26
4 Harunajinjya (S)
0.000
<0.1
5 Ikaho
0.006
16.8
6 Ikaho (S)
0.008
<0.1
Foot area of the Haruna volcano
7 Harunasan
0.007
1.10
8 Takasaki-1
0.007
0.470
9 Kurabuchi-1
0.026
51.5
10 Kannon (S)
0.006
0.605
11 Kurabuchi-2
0.007
0.515
12 Kamezawa (S)
0.007
0.489
13 Agatsuma-1
0.007
6.04
14 Agatsuma-2
0.005
0.091
15 Shibukawa-1
0.007
0.360
16 Hakoshima (S)
0.007
0.100
17 Shibukawa-2
0.006
2.67
18 Akagi
0.007<0.1
19 Shibukawa-3
0.007
0.204
20 Hokkitsu
0.005
1.34
21 Shibukawa-4
0.003
0.100
22 Yoshioka
0.005
0.861
23 Shinto
0.007
0.399
24 Takasaki-2
0.006
0.418
25 Maebashi
0.007
0.700
Seawater*1

Type

WT*2
(℃)

TG*2
(℃/100 m)

pHEC(mS/cm)Na+(mg/L)

K+(mg/L)

Ca2+(mg/L)

Mg2+(mg/L)

12/9/2011
7/28/2010
7/28/2010
12/9/2011
7/28/2010
7/28/2010

Ca-HCO3
13.1
Ca-SO4
13.6
Na-Cl
35.9
Ca-HCO3
17.0
Ca-Cl （35.5）
Ca-SO4
17.8

─
─
6.9
─
9.7
─

7.3
7.0
6.8
7.3
5.8
7.5

0.07
0.08
2.35
0.06
1.01
0.14

1.71
3.09
245
2.01
58.7
4.29

0.849
1.32
60.4
0.748
46.2
1.15

4.60
8.69
116
5.30
126
9.00

0.386
1.40
72.0
0.399
26.2
1.03

26/8/2010
26/8/2010
26/8/2010
26/8/2010
26/8/2010
26/8/2010
7/27/2011
7/28/2010
7/27/2011
7/28/2010
7/28/2010
5/31/2010
7/27/2011
7/27/2011
5/31/2010
5/31/2010
5/31/2010
5/31/2010
10/16/2012

Na-Cl
32.5
Ca-HCO3
15.6
Na-Cl
56.6
Ca-HCO3
11.4
Na-Cl
41.5
Ca-HCO3
21.3
Na-SO4
31.1
Na-Cl （47.2）
Na-Cl （42.6）
Ca-HCO3
16.5
Ca-Cl （32.2）
Na-HCO3 （43.5）
Na-Cl （39.0）
Na-Cl
39.0
Na-Cl （56.0）
Na-Cl （53.7）
Na-Cl
33.0
Na-Cl （50.9）
Na-Cl （50.7）

1.9
─
3.2
─
─
─
1.3
（4.6）
（5.5）
─
（1.9）
（4.1）
─
1.8
（2.9）
（3.0）
1.8
（3.0）
（2.4）

8.0
6.9
6.6
7.5
8.1
8.2
6.8
8.3
8.9
7.6
6.7
8.2
8.0
8.0
7.6
7.6
7.8
7.7
8.4
8.4

1.54
0.21
38.0
0.12
4.75
0.09
0.26
3.46
2.05
0.15
3.73
0.72
1.42
14.6
16.1
5.18
1.70
3.86
8.42

256
10.4
4560
3.35
808
5.15
19.9
580
307
7.76
335
153
184
2300
2520
902
265
757
1580
11000

37.3
17.5
524
1.61
31.9
1.99
8.90
50.3
34.1
1.94
31.7
39.4
37.3
42.5
52.2
42.5
39.8
46.8
38.5
391

34.5
23.4
2470
13.0
143
9.4
5.2
58.7
25.8
15.6
374
9.61
36.9
511
830
93.2
53.6
68.9
94.1
410

3.46
6.76
451
4.23
<0.1
2.29
4.11
<0.1
<0.1
3.88
35.4
0.74
9.55
<0.1
<0.1
3.83
5.91
15.5
12.4
1390

Li
(mg/L)

Cl－(mg/L)

F－(mg/L)

Br－(mg/L)

SO42－(mg/L)

HCO3－(mg/L)

B(mg/L)

SiO2(mg/L)

δ18O
(‰)

δD
(‰)

δ34S
(‰)

<0.01
<0.01
0.09
<0.01
<0.01
<0.01

2.39
1.25
469
1.63
187
3.59

<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1

<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1

1.44
16.5
284
3.01
151
19.3

13.0
21.0
234
15.0
239
17.0

0.2
<0.2
3.0
0.1
0.8
0.2

17.1
66.6
154
18.1
168
31.8

－9.64
－9.14
－8.98
－8.46
－8.68
－8.62

－77.9
－64.3
－60.3
－58.5
－56.9
－62.1

─
─
＋25.8
─
＋11.1
─

<0.01
<0.01
1.19
<0.01
<0.01
<0.01
<0.01
<0.01
<0.01
<0.01
<0.01
<0.01
<0.01
0.27
0.25
0.20
<0.01
<0.01
─
0.18

319
6.39
13400
1.96
1180
1.67
11.9
884
496
7.34
1000
22.0
257
4510
5250
1220
287
671
2300
19800

<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
1.12
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1

<0.1
<0.1
40.2
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
<0.1
2.19
<0.1
<0.1
11.7
<0.1
<0.1
0.558
<0.1
<0.1
67.5

110
14.4
<0.1
2.94
353
2.59
54.5
66.7
28.3
11.3
132
9.60
89.4
13.5
<0.1
<0.1
187
<0.1
<0.1
2690

120
57.0
71.0
64.0
38.0
51.0
19.0
92.0
102
59.0
196
328
112
112
38.0
479
199
880
502
150

0.2
0.5
52.0
0.6
5.1
0.4
0.5
2.6
1.6
<0.2
1.0
0.7
1.7
36.5
34.0
14.5
0.2
7.4
13.8
4.5

87.6
84.7
116
61.0
92.5
54.3
9.9
145
122
69.3
83.8
61.0
70.5
57.5
61.0
72.6
69.3
49.5
41.4

－9.83
－8.34
－3.81
－8.45
－9.25
－8.91
－8.92
－10.1
－9.06
－8.84
－9.12
－10.4
－9.68
－7.71
－8.50
－10.5
－9.62
－9.02
－8.57

－68.5
－59.5
－31.7
－63.5
－68.7
－63.4
－65.5
－66.8
－64.2
－58.9
－59.8
－72.2
－65.7
－55.8
－54.6
－66.1
－64.5
－64.5
－63.3

＋18.4
─
─
─
＋17.1
─
＋12.4
＋23.1
＋22.1
─
＋21.0
─
＋20.0
─
─
─
＋20.2
─
─
＋20.0

*1 Data from Imahashi et al. (1996). *2 Parenthesis shows water temperature measured at faucet of bathtub or entrance of reserve tank. S, Springwater; WT, Water temperature; EC, Electric conductivity.

303村松容一，片山秀雄，千葉仁，奥村文章温泉科学

ここで，RX および RS は試料および標準物質の同位体比をそれぞれ表す．18O/16O 比と D/H 比はVienna 標準海水（VSMOW），34S/32S 比は Canyon Diablo Troilite（CDT）を標準物質に用い，δ18O
値，δD 値，δ34S 値の測定精度はそれぞれ±0.2‰，±2.0‰，±0.3‰程度である．

4． 結果および考察
4．1

温泉水・湧水の主成分および安定同位体組成

温泉水・湧水の化学分析結果を Table 1 に，トリリニアダイヤグラムを Fig. 2 にそれぞれ示す．
温泉水・湧水の pH は 5.8～8.9，水温は 11.4～56.6℃である．榛名湖湧水（No. 2）と伊香保湧水（No. 6）
は Ca ─ SO4 型，残る 5 地点（Nos. 1, 4, 10, 12, 16）の湧水は Ca ─ HCO3 型に属する（Fig. 2）．温泉水は Na ─ Cl 型が 13 地点（Nos. 3, 7, 9, 11, 14, 15, 19～25）で最も多いほか，Ca ─ Cl 型（Nos. 5,17），Na ─ SO4 型（No. 13），Ca ─ HCO3 型（No. 8），Na ─ HCO3 型（No. 18）と多様である．温泉水の δ34S 値は＋11.1～＋25.8‰でばらついており，とくに榛名火山中央地域山頂の榛名湖温泉（No. 3）と中腹の伊香保温泉（No. 5）で最大値と最小値を示している．塩化物泉（単純温泉に属する Na ─ Cl
泉を含む）の Na+ と Cl－濃度の関係をみると，多くは海水希釈線上にあるが，6 地点（Nos. 3, 5, 9,
17, 20, 21）は海水希釈線より Na+ に欠損する（Fig. 3a）．Cl－濃度が 13,000 mg/L 以上の高塩化物泉は倉渕 1 号泉（No. 9）のみである．

Fig. 2 Trilinear diagram for the spring waters.  The sample numbers are the sameas in Fig. 1.  See text for the area X.

304

第 63 巻（2014）

榛名火山における温泉の水質および安定同位体比とその地質鉱物学的解釈

Fig. 3 Na+ ─ Cl－ diagram (a) for the chloride hot spring waters andCl－ ─ B diagram (b) for the spring waters.  The sample numbers
are the same as in Fig. 1.

4．2

深部流体の起源

1） 榛名火山中央地域
榛名火山中央地域の温泉水（Nos. 3, 5）の B/Cl モル比（0.01，0.02）は火山岩類や火山砕屑岩類を貯留母岩とする範囲にある（Fig. 3b；犬山ら，1999）．久保（1995）は伊香保地区の湧出機構と地質の関係を検討し，第 1，2 貯留層は二ツ岳の爆裂火口内（基底深度 238 m），第 3 貯留層は爆裂
火口以深の主成層火山噴出物または基盤の火砕岩内にあると推定した．伊香保温泉井（No. 5）は深度 211 m を孔底にしており，B/Cl モル比（0.014）は第 2 貯留層である爆裂火口内の崖錐性堆積物（角閃石安山岩，両輝石安山岩）を貯留母岩にしていることを示唆する．
榛名火山中央地域の温泉水は Cl－をあまり含まず，天水線（δD＝8δ18O＋10）に沿ってほぼ分布することから，深部流体はほぼ降水からなり，マグマ起源の火山性流体をほとんど含んでいないと考えられる（Fig. 4a）．深部流体がシリカ鉱物と溶解平衡にある特性を活かしたシリカ温度計が地熱地域の深部流体温度を推定する手段として広く利用されており（新エネルギー・産業技術総合開発機構，1989），SiO2 濃度は深部流体の温度を間接的に知る手法として有効である．榛名湖温泉井（No.
305村松容一，片山秀雄，千葉仁，奥村文章温泉科学

Fig. 4 δ18O ─δD (a) diagram for the spring waters from the central area of the Haruna volcano,δ18O ─δD (b) and Cl ─δ18O (c) diagrams for the spring waters from the foot area of theHaruna volcano.  The sample numbers are the same as in Fig. 1.  The FSW1 shows the fossil
sea water 1.  The ML1 shows the mixing lines of fossil seawater 1 and meteoric water at theHaruna volcano.  The FSW2 shows the fossil sea water 2.  The ML2 shows the mixing lines
of fossil seawater 2 and meteoric water at the Tomioka area.

306

第 63 巻（2014）

榛名火山における温泉の水質および安定同位体比とその地質鉱物学的解釈

3）と伊香保温泉井（No. 5）の地温勾配（地表温度を 15℃と仮定）は 6.9～9.7℃であり，箱根・湯河原温泉なみ（5.9～8.0℃/100 m；菊川ら，2007）に高い．SiO2 濃度（154～168 mg/L）も本研究で対象とした温泉のなかで最も高いことから，両温泉の深部流体温度も同様であると判断される（Table 1）．Cl－─ SiO2 濃度図で，榛名湖温泉（No. 3）と伊香保温泉（No. 5）は初期流体（Cl－濃度 469 mg/L 以上，SiO2 濃度 160 mg/L 程度）と火山熱で温められた降水（SiO2 濃度 160 mg/L 程度）の混合線 ML1a 上にプロットされる（Fig. 5a）．
以上に得られた結果から，榛名火山中央地域の火山性温泉をもたらした深部流体の形成機構は次のようであったと推察される．榛名火山の高標高域で涵養された降水の地下浸透によって生じた浅層地下水は湧水（Nos. 1, 4）となった．一部は縦型割れ目に沿って深部へ下降し温められて加熱地下水（SiO2 濃度 160 mg/L 程度）となり，山頂カルデラ内や二ツ岳の爆裂火口内の堆積物（Fig. 1の A ─ B 地質断面図）中に榛名湖・伊香保湧水（Nos. 2, 6）の深部流体として貯留された（久保，Fig. 5 Relationship between Cl－ and SiO2 concentrations in the springwaters from the central area (a) and foot area (b) of the Haruna
volcano.  The sample numbers are the same as in Fig. 1.  The ML1ashows the mixing line of initial fluid and meteoric water at the Haruna
volvano.   The ML1b and ML1c show the mixing lines of fossil
seawater 1 and meteoric water at the Haruna volcano.

307村松容一，片山秀雄，千葉仁，奥村文章温泉科学1995）．一方，初期流体は榛名富士や二ツ岳の溶岩円頂丘の縁辺部や難透水性の主成層火山噴出物（古期火山岩類）に発達した割れ目（N70°E～EW 系）を介して上昇・側方流動した後，加熱地下水と混合して榛名湖・伊香保温泉（Nos. 3, 5）の深部流体となった．北岡（1996）による伊香保地区の5 源泉におけるトリチウム解析によれば，低 Cl－濃度・高トリチウム濃度（約 12 年の滞留時間）の浅層地下水と高 Cl－濃度・低トリチウム濃度の初期熱水が混合することによって温泉水は形成されたと考えられており，本研究の結果と整合的である．箱根温泉などの火山活動が活発な地域に分布する温泉水の Na+ と Cl－はマグマ起源であるが（Oki and Hirano, 1970），榛名湖温泉（No. 3）と伊香保温泉（No. 5）の形成に関与した初期流体はマグマ起源の Na+ と Cl－をほとんど含んでいないと推察される（4．3 節で詳述）．
2） 榛名火山山麓地域
榛名火山山麓地域のほとんどの温泉水の B/Cl モル比（0.01～0.04）は火山岩類や火山砕屑岩類を貯留母岩とする範囲にある（Fig. 3b）．東麓の北橘温泉井（No. 20）では，赤城火山噴出物（火山
砕屑物，火砕岩類）の下位に，藪塚層（凝灰質泥岩，凝灰岩）が深度 517～907 m, 板鼻層（凝灰角礫岩，凝灰質泥岩，砂質凝灰岩，礫岩）が深度 907～1,287 m（孔底）に分布する．温度検層による低下異常が深度 1,180 m 付近に認められ，板鼻層上部の礫岩中の凝灰岩が貯留母岩になっていることが示唆される．西麓の倉渕 1 号泉井（No. 9）では，安山岩質溶岩や凝灰角礫岩などの火山噴出物を主体とする秋間層の下位（深度 650 m 以深）に，礫岩，砂岩，シルト岩（凝灰岩を挟在），および海底噴火で形成された安山岩溶岩（深度 1,190 m 以深）からなる板鼻層が深度 1,300 m（孔底）まで分布する．温度検層による低下異常が深度 816～970 m に認められ，板鼻層上部の凝灰岩が貯留母岩になっていることが示唆される．このように，榛名火山の東・西麓では板鼻層上部の凝灰岩が貯留母岩になっている．一方，北麓の渋川 1 号泉井（No. 15）では，泥岩（深度 60 m 以浅），安山岩質凝灰角礫岩（深度 60～334 m），安山岩（深度 334～孔底 500 m）からなる小野上層が分布する．温度検層による低下異常が深度 299～323 m と 419～497 m に認められ，小野上層の火山岩類が貯留母岩になっている可能性が高い．
利根川・烏川地域の温泉井（No. 18 を除く）の伝導型地温勾配は 1.8～3.2℃/100 m であり，非火山地域の値（2～3℃/100 m 程度；入舩，1995）を示す（Table 1）．δ18O ─ δD 値の関係をみると，倉渕 1 号泉（No. 9）の δ18O 値は天水線（δD＝8δ18O＋10）よりプラスシフトしている（Fig. 4b）．この
高塩化物泉の Mg/Cl 当量比（0.098）と SO4/Cl 当量比（0）は現海水（Mg/Cl 当量比 0.205，SO4/
Cl 当量比 0.101）より低い一方，Ca/Cl 当量比（0.326）は現海水（Ca/Cl 当量比 0.037）より高く，
海水端成分は化石海水（化石海水 1 と呼称）からなる（Table 1；柴崎・水収支研究グループ，
1976；酒井・大木，1978；村松ら，2010）．Cl－ 濃度が 4,500 mg/L 以上の中・高塩化物泉（Nos. 9,20, 21）における Cl－ 濃度と δ18O 値間の相関曲線 ML1 を外挿し，Cl－ 濃度が現海水と同じ 19,800
mg/L であると仮定すれば，化石海水 1 の δ18O 値は－0.92‰と見積もられる（Fig. 4c）．同様にして，Cl－濃度─ δD 値間の相関曲線 ML1（図は割愛）を用いると，δD 値は－16.9‰と見積もられる．し
たがって，地理を勘案すると，利根川・烏川地域の温泉群の深部流体は現海水より若干低い δ18O
値をもった化石海水 1 と降水の混合によって形成されたと判断される．
本調査地域の中・高塩化物泉（Nos. 9, 20, 21）は榛名火山山麓の烏川と利根川沿いに分散している．
榛名火山に現存する高塩化物泉は 1 地点に過ぎないが，西麓の大戸で 1980 年に温泉井（孔底深度585 m）で高塩化物泉を自噴した実績がある（酒井・松葉谷，1989）．本温泉水の δ18O，δD 値，Cl－
濃度は 1985 年に急激に減少していることから，初期（1982 年）と急減後（1986 年）のデータをFigs. 4b, c にプロットした．本温泉水の初期の δ18O 値と δD 値はほぼ混合線 ML1 上にあり（Fig.
4b），δ18O 値と Cl－ 濃度も混合線 ML2 から大きく外れ，混合線 ML1 寄りにプロットされる（Fig.
308

第 63 巻（2014）

榛名火山における温泉の水質および安定同位体比とその地質鉱物学的解釈4c）．したがって，現海水より低い δ18O 値をもった化石海水が榛名火山の地下深部に広く分布している可能性が高い．
Cl－と SiO2 濃度の関係をみると，ほとんどの温泉水（吾妻川沿いの Nos. 14, 15 を除く）が化石海
水 1 と火山熱で温められた降水の混合線（ML1b と M1c）に挟まれた範囲内にプロットされる（Fig.
5b）．したがって，利根川・烏川地域では，榛名火山で涵養された後に火山熱で温められた降水起源の加熱地下水が，板鼻層上部の凝灰岩に賦存する化石海水 1 と混合することによって，当該温泉群の深部流体は形成されたと推察される．
榛名火山北麓の吾妻 2 号泉（No. 14）と渋川 1 号泉（No. 15）の水質，同位体組成，掘削深度は似ており，深部流体は吾妻川沿いに伏在する北北西─南南東方向の断層に貯留されている可能性がある．両温泉の地温勾配（4.6～5.5℃/100 m）と SiO2 濃度（122～145 mg/L）は高い．子持火山の主活動期は 0.91～0.25 Ma（K-Ar 年代；飯塚，1996）で若いことから，両温泉水は子持火山からの熱の影響を受けている可能性が考えられる．今後，小野子・子持火山の北・西縁に分布する温泉水を更に採取して検討する必要がある．
4．3

深部流体の水質形成機構

温泉水に含まれる化学成分の起源を検討するにあたっては，海水の当該成分に対する過剰量や欠損量を求める必要がある．試料の Cl－がすべて海水起源であると仮定して，次式より試料の M 成
分の過剰・欠損濃度を算出した．
Δ［M］＝［M］─［M/Cl］
［Cl］
sea×

⑵

ここで，Δ［M］：試料の過剰・欠損する M 成分，［M］：試料の M 成分の濃度，［M/Cl］
sea：海水のCl－に対する M 成分の濃度，［Cl］：試料の Cl－濃度．
1） 方解石の溶解作用
Ca ─ HCO3 型（Nos. 1, 4, 10, 12, 16）と Ca ─ SO4 型（Nos. 2, 6）の湧水，および高崎 1 号泉（No.
8；浅部井）の ΔCa2+ と ΔHCO3－濃度は ΔCa2+＝ΔHCO3－に沿って概ね分布しており，方解石の溶解が Ca2+ と HCO3－の濃度を規制している（Fig. 6a）．
CaCO3＋CO2＋H2O → Ca2+＋2HCO3－⑶

水─鉱物における反応の活動度積を Q，溶解度積を K とおけば，鉱物の飽和指数（SI）は SI＝log（Q/K）で定義される．溶液─鉱物平衡計算プログラム「SOLVEQ」（Reed, 1982）を用い，泉温における深部流体の方解石に対する飽和指数を計算した結果，これらの湧水・温泉水は方解石に不飽和であり，方解石を溶解する環境にある（Fig. 7a）．したがって，これらの温泉水と湧水の深部流体は，榛名火山で涵養された降水が榛名火山噴出物中を浸透する過程で方解石を溶解してきたと判断される．
2） 風化作用Figure 6b からわかるように，11 地点の温泉水（Nos. 7, 11, 13～15, 18, 19, 22～25）の ΔNa+ とΔHCO3－濃度は直線 ΔNa+＝ΔHCO3－に沿って分布しており，Na+ と HCO3－の濃度は火山性物質（曹長石組成）の Na ─スメクタイト化に規制されていると判断される．
+－
2.33NaAlSi3O8＋2CO2＋2H2O → Na0.33Al2.33Si3.67O10（OH）
2＋2Na ＋3.32SiO2＋2HCO3 ⑷

当該温泉群の深部流体は Na ─スメクタイトに過飽和状態であり，Na ─スメクタイトを沈殿する環境にあったことがわかる（Fig. 7b）．富岡地域の地表に分布する第三紀凝灰岩の顕微鏡観察によれ
ば，貯留母岩である板鼻層中～上部の軽石質凝灰岩には火山ガラス（火山塵およびガラス繊維）の変質によるスメクタイト化が認められている（木崎，1965）．
3） 硫酸還元反応
地下生物圏の微生物は多様な電子受容体を呼吸に用いており，やや深所では SO42－呼吸（硫酸還元）309

村松容一，片山秀雄，千葉仁，奥村文章温泉科学

Fig. 6 ΔHCO3－ ─ ΔCa2+ (a), ΔHCO3－ ─ ΔNa+ (b), ΔMg2+ and (ΔMg2+＋ΘNa+) ─ ΔCa2+ (c), andΔSO42－ ─ ΔCa2+, (ΔCa2+ ─ ΔHCO3－), and (ΔCa2+＋ΔMg2+＋ΘNa+) (d) diagrams for the springwaters.  The sample numbers are the same as in Fig. 1.  Small and large symbols in Fig. 7c
represent the data for ΔMg2+ ─ ΔCa2+ and (ΔMg2+＋ΘNa+) ─ ΔCa2+ diagrams, respectively.

が行われるようになる（長沼，2003）．硫酸還元菌による硫酸還元が進行すると，温泉水に残留する SO42－の δ34S 値は次第に高くなり，硫酸還元に伴う硫黄同位体分別が一定であれば，SO42－濃度の対数に対して δ34S 値をプロットすると直線関係になる（永田・宮島，2008）．榛名火山山麓と周辺地域の温泉水（Nos. 7, 11, 14, 15, 17, 19, 23）における SO42－濃度の対数と δ34S 値間に逆相関が認められ，倉渕 2 号泉（No. 11）から吾妻 2 号泉（No. 14）・渋川 1 号泉（No. 15）へ向けて SO42－濃度の低下に伴って δ34S 値は高くなり，硫酸還元反応の進行が示唆される（Fig. 8）．SO42－濃度が検出限界以下である倉渕 1 号泉（No. 9）では，硫酸還元菌が SO42－を完全に消費し尽くしたのであろう（Table 1）．
4） イオン交換反応
海水希釈線より Na+ に欠損する塩化物泉（Nos. 3, 5, 9, 17, 20, 21）と大戸高塩化物泉（酒井・松葉谷，1989）は Ca に富む特徴を有する（Fig. 2 の X）．このうち，採水試料のなかで唯一の高塩化物泉である倉渕 1 号泉（No. 9）の Mg/Cl 当量比（0.098）は現海水（0.205）より著しく低い一方，
Ca/Cl 当量比（0.326）は現海水（0.037）より著しく高いことから，これらの温泉の ΔMg2+ と ΔCa2+濃度の関係を検討した結果，両成分濃度間に高い逆相関（R2＝0.959）が認められる（Fig. 6c）．ア
メリカの深海掘削計画（DSDP）により太平洋赤道とカリブ海で深海掘削時に回収された海底面～
深度 400 m 間のコアに含まれる間隙水の分析結果によれば，深くなると δ18O 値は－3‰程度低くな
310

第 63 巻（2014）

榛名火山における温泉の水質および安定同位体比とその地質鉱物学的解釈

Fig. 7 Water temperature versus saturation index for the deep fluids.  
(a) Calcite (b) Na-smectite (c) Anhydrite.  The sample numbers are
the same as in Fig. 1.

311

村松容一，片山秀雄，千葉仁，奥村文章温泉科学

Fig. 8 Relationship between δ34S values and SO42－ concentration forthe hot spring waters.  The sample numbers are the same as in Fig. 1.

り Mg2+ 濃度も減少する一方，Ca2+ 濃度は逆に増加する傾向が認められており，この傾向は海底玄武岩の変質および海底堆積物中の火山性物質の Mg ─スメクタイト化に起因すると考えられている（Lawrence et al., 1975）．榛名火山で海水希釈線より Na+ に欠損する塩化物泉に関与した化石海水
1 も同様の傾向を示しており，板鼻層に閉じ込められた海水と火山性物質の反応による 18O に富む
Mg ─スメクタイトの形成が，化石海水 1 の発生源である間隙水の δ18O 値（－0.92‰）を海水より低くさせた要因であると推察される（Laurence et al., 1975 ; Matsuhisa and Matsumoto, 1985）．
村松ら（2010）によれば，本調査地域に南接する富岡地域の温泉は天水線（δD＝8δ18O＋10）上の降水と化石海水（δ18O 値＋6.92‰，δD 値－8.4‰；化石海水 2 と呼称）の混合（ML2）によって形成されたものであり，化石海水 2 の δ18O 値は現海水より高い．この要因として，貯留母岩である中期中新世の安中層群（庭谷層）や前期中新世の富岡層群（小幡層）に含まれるスメクタイトがイライト化する際に，18O に富む層間水が脱水反応を起こしたことが推察されている（村松ら，2013）．Figures 4b, c からわかるように，榛名火山山麓地域の化石海水 1 と富岡地域の化石海水 2は明瞭に区別される．榛名火山の化石海水 1 は後期中新世の安中層群（板鼻層）に貯留されており，
榛名火山と富岡地域の化石海水に認められる δ18O 値の大差は，埋没深度に依存する続成作用（再結晶作用）の進行度に起因しているのであろう．
榛名火山の海水希釈線より Na+ に欠損する塩化物泉と大戸高塩化物泉の Ca2+ 濃度は火山性物質の Mg ─スメクタイト化によってもたらされた量（ΔMg2+＝－ΔCa2+）よりかなりの過剰である（Fig.
6c）．今回 11 地点の温泉水で示唆された火山性物質（曹長石組成）のスメクタイト化は当該温泉群でも行われた可能性が高いことから，この Na+ 欠損量（ΘNa+）を ΔMg2+ に加えた値（ΔMg2+＋ΘNa+）と ΔCa2+ 濃度の関係を検討した．その結果，ΔMg2+＋ΘNa+＝－ΔCa2+ に近い逆相関が認められ，当該温泉群では Ca ─スメクタイトと Na+ に富む海水間の陽イオン交換反応も進行したことが示唆される（Fig. 6c）．
+
2+
6Ca0.167Al2.33Si3.67O10（OH）（OH）
2＋2Na → 6Na0.33Al2.33Si3.67O10
2＋Ca 

⑸

これらの温泉は Na ─スメクタイトに過飽和または飽和である（Fig. 7b）．
池田（1985）による海水と堆積物・岩石の相互作用に関する実験によれば，Cl－濃度が増加する
とき，すなわち海水が浸入してくる時は，粘土層中の Ca2+ に富むイオン交換体と海水がイオン交
換反応を行って，Ca2+ に富む塩水化地下水と Na+ に富むイオン交換体が形成される．Ca ─スメク
312

第 63 巻（2014）

榛名火山における温泉の水質および安定同位体比とその地質鉱物学的解釈

タイトと Na+ に富む海水間での陽イオン交換反応は伊豆半島の海岸地域（甘露寺，1987）や鶴巻温泉（石坂ら，1986；Muramatsu et al., 2011）の Ca ─ Cl 泉で報告されている．この実験結果を踏まえれば，榛名火山の海水希釈線より Na+ に欠損する塩化物泉と大戸強塩泉の深部流体の形成機構
は次のようであったと推察される．降水の浸透により陸成板鼻層上部の火山ガラスが変質し Ca ─
スメクタイトが形成された．その後，海成板鼻層中～上部に閉じ込められた化石海水 1 が陸成板鼻
層上部に移動した後，Ca ─スメクタイトとイオン交換が行われた結果，Na ─スメクタイトが形成されるとともに，降水と化石海水 1 の混合からなる深部流体は Ca2+ に富むようになった．
5） 硬石膏の溶解作用
SO42－濃度の対数と δ34S 値間に逆相関が認められた温泉群のなかで，榛名火山山麓の倉渕 2 号泉（No. 11）は最も SO42－濃度が大きく δ34S 値が低い（Fig. 8）．本温泉の δ34S 値（＋17.1‰）は硬石膏（含石膏）の溶解を起源とする富岡地域の温泉の δ34S 値（＋17.8～＋18.0‰）に等しい（村松ら，2010）．
本温泉は ΔCa2+ と ΔSO42－濃度の比が 1：1 に近く，硬石膏に不飽和であることから，硫酸態硫黄は
硬石膏を起源にしていると判断される（Figs. 6d, 7c）．したがって，倉渕 2 号泉（No. 11）より硫酸還元反応が進行した 6 地点の温泉（Nos. 7, 14, 15, 17, 19, 23）の硫酸態硫黄も硬石膏を起源にしていることがわかる．
榛名火山中央地域の Ca ─ SO4 型湧水（Nos. 2, 6）と温泉水（Nos. 3, 5）は SO42－に富んでおり，
ΔSO42－濃度はプラス値を示す（Table 1；Fig. 2）．これらのうち，湧水は方解石の溶解による寄与分を差し引いた値（ΔCa2+─ ΔHCO3－），温泉水は火山性物質の風化とイオン交換反応による寄与分を差し引いた値（ΔCa2+＋ΔMg2+＋ΘNa+）と ΔSO42－濃度の関係を Fig. 6d に示す．図からわかるように，両者間には正相関が認められ，これらの温泉水と湧水は硬石膏に不飽和であることから（Fig. 7c），
深部流体の主体である降水が地下へ浸透する過程で硬石膏の溶解を経験したと考えられる．硬石膏の産出は榛名火山で今日まで報告されていないが，同じ活火山である九重火山（清崎ら，2002），
草津白根山（曽屋ら，1983），箱根火山（松村・藤本，2008）では，火山活動に伴う変質鉱物として硬石膏が火山灰などに産出しており，榛名火山の地下にも硬石膏が存在していると予想される．
以上からわかるように，榛名火山中央地域の榛名湖温泉（No. 3）と伊香保温泉（No. 5）は Cl－
をすべて海水起源と仮定すると，Na+ 濃度は火山性物質の風化，イオン交換，硬石膏の溶解によって説明できることから，マグマ起源の Na+ と Cl－は両温泉の深部流体の形成に関与した初期流体にほとんど含まれていないであろう．
最後に，榛名湖温泉（No. 3）と伊香保温泉（No. 5）の δ34S 値（＋25.8 と＋11.1‰）が大きくばらつく原因を検討しよう．清崎ら（2006）は九重火山にある八丁原地熱帯の地表および地下に分布
34する酸性変質帯の明礬石（KAl（SO
（OH）
3
4）
2
6）に大きくばらつく δ S 値を見出し，次のような異種流体が関与していると推察している．すなわち，深度 1,238 m（最深）に産する明礬石の δ34S 値は重く（＋23.7‰），高温のマグマ性流体を起源とする火山ガスの SO2 の不均化反応で発生した H2SO4が関与した．
4SO2＋4H2O → 3H2SO4＋H2S

⑹

一方，地下約 100 m 以浅に産する明礬石の δ34S 値は軽く（＋0.5‰程度），酸素に富む地表水が硫化水素ガスを酸化してできた硫酸酸性の蒸気加熱水の影響下で生成した．八丁原地熱帯では明礬石と同じ硫酸塩鉱物である硬石膏の δ34S 値も＋12.0～＋23.7‰と大きなばらつきを示している（清崎ら，2002）．榛名火山の北西約 35 km にある草津白根火山東麓の酸性泉においても，δ34S 値に大きなばらつき（＋11.0～＋27.5‰）が認められており，その硫酸態硫黄は同様の異種流体を起源にしている（山本ら，1997）．
これらの研究事例に，ⓐ榛名湖温泉（No. 3）と伊香保温泉（No. 5）は天水線（δD＝8δ18O＋10）上313

村松容一，片山秀雄，千葉仁，奥村文章温泉科学にほぼあり，火山ガスの寄与がほとんど認められない（Fig. 4a）ⓑ地表に噴気活動や酸性泉が存在しないことを勘案すると，両温泉間に認められた δ34S 値の大差は，榛名火山の活動期に次の異種流体から生成した δ34S 値の大きく異なる硬石膏を溶解して，深部流体が形成されたことに起因する：①火山ガス中の SO2 の不均化による δ34S 値（＋25.8‰）の重い H2SO4 が関与した熱水②地下深部から上昇する蒸気中に含まれる δ34S 値（＋11.1‰）の軽い硫化水素ガスの空気酸化による浅層 SO4 型酸性水．したがって，榛名火山中央地域の地下には δ34S 値に大きな変動幅をもつ硬石膏が存在しており，Cl－濃度が高い榛名湖温泉（No. 3）では山頂に存在する起源①の硬石膏を，また Cl－濃度が低い
伊香保温泉（No. 5）では中腹に存在する起源②の硬石膏を，深部流体の主な起源である降水が地下に浸透する途中でそれぞれ溶解してきたと推察される．吾妻 1 号泉（No. 13）の δ34S 値（＋12.4‰）は伊香保温泉（No. 5）の値に近く，硫酸態硫黄の起源は伊香保温泉（No. 5）と同様であると考えられる．吾妻 1 号泉（No. 13）は榛名火山の山頂付近で地表に露出する吾妻層（基盤岩）分布域にあり（Fig. 1），NW ─ SE 方向の破砕構造を持っていると推定されていることを勘案すると（野村ら，1990），深部流体の主な起源である降水が榛名火山中央地域の高標高部で涵養される途中で，起源②の硬石膏を溶解しながら吾妻層に発達した北西方向の割れ目を介して流動し，吾妻 1 号泉（No.
13）の深部流体になったのであろう．

5． ま

と

め

群馬県の榛名火山に分布する温泉水・湧水を対象に，主成分および水素・酸素・硫黄同位体分析を実施するとともに，地質鉱物学的視点に立って深部流体の起源と水質形成機構を検討し，水─鉱物相互作用の化学平衡論により検証した．得られた結果は以下のとおりである．
1） 温泉水・湧水の温度は 11.4～56.6℃，pH は 5.8～8.9 であり，水質は Na ─ Cl 型，Ca ─ Cl 型，
Na ─ SO4 型，Ca ─ SO4 型，Na ─ HCO3 型，Ca ─ HCO3 型に属する．このうち，塩化物泉の深部流
体は主に降水と化石海水の混合によって形成されたものであり，そのほとんどは降水に卓越する．
2） 温泉水と湧水の水質は，Na ─ Cl 型が火山性物質（曹長石組成）の風化・イオン交換反応・
硬石膏の溶解・硫酸還元反応（一部の温泉），Ca ─ Cl 型が火山性物質の風化・イオン交換反応・
硫酸還元反応（一部の温泉）・硬石膏の溶解（一部の温泉），Na ─ SO4 型が硬石膏の溶解・火山性物質の風化，Ca ─ SO4 型が硬石膏と方解石の溶解，火山性物質の風化，Na ─ HCO3 型が火山性物
質の風化，Ca ─ HCO3 型が方解石の溶解にそれぞれ規制される．これらの水質形成機構は水─鉱物相互作用に関する化学平衡計算結果，および δ18O と δD 値より導かれた推論と整合する．
3） 榛名火山に賦存する化石海水 1 の δ18O 値（－0.92‰）は現海水より若干低く，火山性物質のスメクタイト化によってもたらされた．一方，富岡地域に賦存する化石海水 2 の δ18O 値（＋6.92‰）
は現海水より高く，スメクタイトのイライト化によってもたらされており，両地域間の δ18O 値の大差は埋没深度に依存する続成作用（再結晶作用）の進行度に起因する．
4） 榛名湖・伊香保地区の SO42－に富む温泉水と湧水に含まれる硫酸態硫黄は硬石膏を起源にしている．両地区の温泉水の δ34S 値（＋25.8，＋11.1‰）は大きくばらついており，榛名火山の活動期に，山頂の地下では火山ガス中の SO2 の不均化による H2SO4 が関与した流体から沈殿した δ34S
値の重い硬石膏，中腹の地下では浅層 SO4 型酸性水から沈殿した δ34S 値の軽い硬石膏を，深部流体の主な起源である降水が地下に浸透する途中でそれぞれ溶解してきたと推察される．
謝辞本研究を遂行するにあたり，温泉所有者各位は温泉水の採取に便宜を図られた．また，匿名の 2314

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榛名火山における温泉の水質および安定同位体比とその地質鉱物学的解釈

名の査読者および編集委員会委員長井上源喜先生には，懇切丁寧なご指摘を頂いた．以上の方々に深甚なる謝意を表する．
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