Nagoya University

雲仙地溝東域におけるマグマ性二酸化炭素の寄与について:

土壌ガスと地下水による調査
高橋浩・風早康平・篠原宏志・森川徳敏・安原正也・稲村明彦・大和田道子(産総研地質調査総合センター)
中村俊夫(名古屋大学年代測定センター)

要旨-雲仙火山の周辺において，マグマ起源の二酸化炭素の寄与がどのような分布になっているのか，土壌ガスと地下水を用いた観測から議論した.対象としたのは，マグマ起源の二酸化炭素の寄与が高いことがわかっている雲仙地溝の内側の東域である.土壌ガスと地下水のそれぞ、れで得たマグ‘マ性の二酸化炭素の寄与の空間分布は非常に類似した傾向を示した.これは，土壌ガスと地下水ヘ供給されるマグ‘マ性の二酸化炭素が同一経路を通って上昇してきたことを示唆するものである.また，断層があると考えられる地点では，高いマグマ性の二酸化炭素の寄与があることが示され，断層がマグマ性の流体の通り道になっていると考えられる.

はじめに火山からの二酸化炭素放出には，火道を通したものの他に，山体からのじわじわとした放出があることが，数多く確認されている (Farrar etal. , 1995;Hern疣dezetal. , 2001) .一方で，火山体は豊富な地下水を蓄えており，火道以外から放出される二酸化炭素の一部(若しくは大部分)は，地下水に溶け込んで流出していることも考えられる.調査地域である雲仙地溝の東域は大湧水地域で，大量の地下水が存在している.このような火山の周囲で放出される二酸化炭素は，土壌ガスを通じて放出される成分と地下水に溶け込んだ形で運ばれる成分があり，火山体からの二酸化炭素放出を議論する上で，土壌ガスと地下水の両者に対するアプローチが必要となる.
これまでの土壌ガスや地下水による島原半島における研究により，マグマ性の二酸化炭素の寄与は雲仙地溝の内側の東域で高い傾向を示すことがわかっている(高橋他， 2003 ,Ohsawaetal., 2002) .地下水による調査については， Ohsawaeta.
l (2002) のように炭素同位体を用いたマグマ成分の寄与の議論ばかりでなく，地下水中のヘリウム同位体比の分析結果からも上記の地域で高いマグマ性流体の寄与が報告されている.

(Kita, 1993; r\Jotsu ,2001;Morikawa, 2005).本研究では，マグマ性の二酸化炭素の寄与の分布に，土壌ガスと地下水を用いた 2 通りの調査の間で違いが見られるのか，それぞれの結果と地質との関連性についての議論を行うために，特にマグマ性の二酸化炭素の寄与が高い地域において詳細な観測を行った結果を中心に解析を行った.

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調査地域・試料・方法

土壌ガスの調査は， 2001 年 9 月から 2004 年 11 月までにおよそ 240 力所で、行った.各地

点では，深さ 30cm まで採気管を打ち込み，土壌ガスをシリンジで吸引し，ガルパニックセ
ル型の酸素濃度計により酸素濃度を，ガス検知管により二酸化炭素濃度を測定した.その後，ブチルゴムのセプタムの付いたバイアル瓶 (10ml) ，真空コックの付いたガラスボトル(100ml)かファーメドチューブによりキャップされたアルミバック (3 し)のいずれかに同位体測定用の試料を採取した.さらに可搬型のフラックスメーター (West System• P
ortablelux meter) により二酸化炭素フラックスを測定した.採取したガス試料は，真空ライ
CO2 fンにより二酸化炭素を分離して，デュアルインレット導入系を持つ質量分析計 (MAT-252 ，DeltaPlus) ヘ導入するか，ガスクロマトグラム分離を行う連続フロー型の質量分析計 (DeltaPluswithGasBench11) を用いて Ô 13 C を測定したい=220) .また，真空ラインにより二酸化炭素を分離した試料のいくつかについては， 14C 濃度を加速器質量分析計により測定した(n=44).
地下水調査は 1999 年 10 月から 2004 年 11 月までにおよそ 300 力所で行った.調査時に水温， pH ，電気伝導度を測定し，ガス透過の低いプラスチックボトルに同位体測定用の試料を採取した.採取した試料にリン酸を滴下して発生した二酸化炭素を上記と同様のシステムの質量分析計を用いて Ô 13 C を測定したい =208) .また，水質分析をイオンクロマトグラムにより行った.

土壌ガスや地下水中の炭素成分に占めるマグマ性炭素の寄与は，同位体マスバランスを利用して計算した.土壌ガスについては，マグマ成分の他に大気と生物起源の炭素を考慮した手法 (Takahashi eta l., 2004a) を用いた.地下水試料については，マグマ成分の他に生物起源の炭素を考慮した手法 (Ohsawa eta l., 2002) を用いた.

これらの手法でマグマ性の二酸化炭素の寄与を計算するためには，端成分ごとの炭素同位体組成や二酸化炭素の濃度を仮定する必要がある.大気成分については， L
evinandKromer(1997) により報告されている大気の二酸化炭素観測結果を利用して算出している.大気成分の数値は年々の観測ごとに違った値を用いた.マグマ成分では Ô 14 C を -1000%。としている.

Ô 13 C については土壌ガスと地下水のそれぞ、れで異なった値を用いた.土壌ガスでは，雲仙・清七地獄の土壌中の二酸化炭素の値を採用した (-3.8 %0) .地下水で、は島原地域の中で、最も高い Ô 13 C 値を示すものを端成分として用いた(-1. 5%0) .生物起源の二酸化炭素の Ô 14 C は，そのときの大気の二酸化炭素のl1. 14 C と同一であると仮定して算出した. Ô 13 C については， 14C測定を行った試料について，

14C_13C , 14C- 濃度， 13C- 濃度のそれぞれのマスバランスで求めたマグマ成分の寄与率の違いが最小になるように設定した (-26%0) .地下水試料では十分な14C の測定数が得られていないため，上記のような推定は行わず， -20%。と仮定した.

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結果・考察

図 1 に土壌ガス試料について，図 2 に地下水試料の観測結果を示す.土壌ガスと地下水のそれぞれで得たマグマ性の二酸化炭素の寄与の空間分布は非常に類似した傾向を示した.この傾向は，マグマ成分の寄与が高い地点が断層や断層を延長したライン上に集中していることで特徴づけられる.また，

Takahashieta.
l (2004b) では，断層の直上と思われる地点、で土壌ガス中の二酸化炭素の濃度と Ô 13 C の上昇を報告している.本研究の結果も，いくつかの断層はマグマ性流体の通り道となっていることが示唆している.

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土壌ガスと地下水を用いた調査で，マグマ成分の寄与の空間分布が類似した傾向を示した
ことは，マ夕、マ性の二酸化炭素は地下水に溶け込んで運ばれてきたと言うよりも，それぞれの地点の近傍で地下から上昇してきで，一部は地下水ヘ溶け込み，一部は土壌ガスを通じて大気ヘ放出されたと考えることができ，マグマ性の二酸化炭素の上昇の程度は場所ごとに異なることがわかる.ここで問題となるのは，上昇してきたマグマ性の二酸化炭素の Ö 13 C と地下水ヘ溶け込んだ成分の Ö 13 C ，土壌ガスを通じて放出された成分の Ö 13 C のそれぞれが同位体分別の影響を受けて変化している可能性があることである.もしそうだとすれば，土壌ガスと地下水の間での炭素の分配が調査地点ごとに同一であるとは考えにくく，調査地点間でÖ 13 C の変化が異なり，マグマ成分の寄与の見積もりに誤差を生じさせる原因のひとつとなってしまう.現段階では，この本題についての解析が進んでいないが，今後の課題としたい.
また，土壌ガスと地下水の 2 つの調査結果は異なる単位で表現されているため，直接の数値の比較ができない.この問題についても，二酸化炭素のフラックスを求めるための解析を行って解決していきたい.

謝辞

本研究の 14C 測定は，独立行政法人産業技術総合研究所より年代測定総合研究センターヘ‑87‑
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Nagoya Universityの委託研究(課題名:異なる地質環境での炭素試料の高精度の 14C 分析に関する研究)により行われた.

引用文献

Farrar , C.D. , Sorey, M.L., Evans , W.C. , Howle , J.F. , Kerr, B.D. , Kennedy, B.M. , King , C. 一 Y. and.R.(
1995)Forest
‑
killi
n
gdiffuseCO2 emissiona
tMommothMountainasas
ignofSouthon , Jt.Nature, 376 , 675-678.
magmaticunres
Hernández , P.A. , Notsu , K. , Salazar , J.M. , Mori , T.Natale, G. , Okada , H. , Virgili , G. , Shimoike , Y. ,Sato , M. , Pérez , N.M.(2001)Carbond
ioxid
edegassingbyadvectiveflowfromUsuvolcano ,Japan.Science, 292 , 83‑86.
星住英夫・宇都浩三・松本哲一・徐勝・栗原新・角井朝昭 (2002) 雲仙火山の形成史一山麓掘削と組織的放射年代測定の結果 -f
Jflj r地球j， 24 , 828‑834.andHasegawa, H.(1993)Emissiono
fmagmaticHewith
Kita, 1., Nagao, K. , Taguchi , S. , Ni坑a， K
4different3He/Heratio
sfromtheUnzenvolcanicarea , Japan.Geochem.Jour. , 27 , 251‑259.

1andKromer, B.(1997)Twentyyearso
fatmospheric14C0bservation
satSchauinsland
Levin , .
2ostation , Germany.Radiocarbon, 39 , 205‑218.
Morikawa, N.Kazahaya, K. , Takahashi , H.A. , Inamura, A. , Ohwada, M. , Yasuhara, M. , Fourre , E. ,LeGuern , F.andJean-Baptiste , P.(
2005)Detailedspatialdistributiono
fheliumi
ngroundwaters
aroundUnzenvolcano.ExtendedabstractofUnzenworkshop2005 , 73‑74.
.(2001)Spatial
Notsu , K. , Nakai , S. , Igarashi , G. , Ishibashi , J. , Mori , T. , Suzuki , M.andWakita, H
distributionandtemporalv
ariationof3He/4Hei
nhots
pr
in
ggasrelease
dfromUnzenv
olcan
ic
area, Japan.Jo肌 Volcanol. Geotherm.Res. , 111, 89‑98.
.andYamaguchi , K.(2002)
Ohsawa, S. , Kazahaya , K. , Yasuhara, M. , Kono , T. , Kitaoka , K. , Yusa , YEscapeo
fvolcani
cgasi
ntosha"owgroundwatersystemsa
tUnzenVolcano(Japan):evidence
fromchemicalands
tabl
ecarboni
sotop
ecompositionsofdissolv
e
dinor
gani
ccarbon.Limnology,
3 , 169-173.
高橋浩・風早康平・篠原宏志・森川徳敏・中村俊夫. (2003) 雲仙火山周辺における土壌中の二酸化炭素に対する火山性流体の影響マッピング

Takahashi , H.A. , Kazahaya , K. , Shinohara , H.andNakamura, T.(2004a)Applicationofradiocarbon
nsoi
lair.NIMB, 223-224 , 483‑488.
todetectadeepsourceCO2i.A. Kazahaya, K., Shinohara , H.andNakamura, T.(2004b) Pathwaysforescapeo
fTakahashi , H
magmaticcarbond
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ratUnzenvolcano , SWJapan.Radiocarbon, 46 , 491‑496.

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Nagoya University

Spatialvariationofmagmaticcarbondioxidei
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lgasandgroundwaterofUnzenvolcano , SWJapan
キ Hiroshi A.Takahashi , KoheiKazahaya，卜iiroshi Shinohara, NoritoshiMorikawa ,MasayaYasuhara , AkihikoInamura , MichikoOhwada(GeologicalSurveyo
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語解Phone:+81-29-861-2486 , Fax:+81 ・29-861-3775 ， e‑mail:h.
a.
takahashi@aist.go.
jp‑89‑
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研究発表等(平成 15 年度)<誌上発表>

Takahashi , H. A. , Kazahaya , K. , Shinohara, H. and Nakamura, T.(2004)Applicationofradiocarbont
odetectadeepsourceCO2insoilair.NIMB, 223-224 , 483‑488.
.A. Kazahaya, K. , Shinohara, H. and Nakamura, T.(2004) Pathways for
Takahashi , Hescape of magmatic carbon dioxidetosoilairat Unzen volcano , SW Japan.
Radiocarbon, 46 , 491‑496.

<学会発表>

Takahashi , H.A. , Yasuhara, M. , Tsukamoto , H. , Kazahaya, K. , Jnamura, A. , Morikawa, N. ,Takahashi , M. , Nakamura, T. , Nagao , K.andSumino , H."Groundwaterstudyusingdrillholesinthe Abukumagranitic province , NEJapan: the multト isotopic approachtoevaluate crackwaterstability" AGU Fall meeting, San Francisco , USA, December ,2004.
Takahashi , H.A. , Kazahaya , K. , Shinohara , H. , Morikawa , N. , Yasuhara , M. , Jnamura, A. ,Ohwada, M. and Nakamura, T.

“ CO 2 Degassingthrough Volcanic Bodyof Unzen

Volcano" UnzenInternationalworkshop , Shimabara , February, 2005
高橋浩・塚本斉・風早康平・稲村明彦・森川徳敏・安原正也・高橋正明・中村俊夫・太田友子・丹生越子・長尾敬介・角野浩史「阿武隈花こう岩地域におけるボーリングによる地下水調査 (2) :裂蹄系の地下水へのマルチアイソトープによるアプローチ J
星科学関連学会

地球惑2004 年合同大会，幕張メッセ国際会議場， 2004 年 5 月‑90‑
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