論説

福岡県船小屋温泉の温泉水の起源に関する
地球化学的研究大分大学教育福祉科学部

１．はじめに准教授

大上和敏

近隣の長田鉱泉場（図１のＮ地点，写真２）から

福岡県筑後市に位置する船小屋温泉は，江戸時代末期（1810 年）に矢部川を挟んで北側の有馬藩と温泉水を採取した。現地ではその他，温泉水の水温および pH の計測を行った。

南側の柳河・立花藩によって発見された日本有数の溶存全炭酸（DIC ＝ CO2 (aq) ＋ HCO3 － ＋ CO32 － ）炭酸泉である。船小屋温泉は，明治から昭和にかけの化学・同位体分析用の試料は，容器壁からの CO2て繁栄し，最盛期には年間 2 万人もの入浴客が訪れ，逃散を防ぐため，ガスバリア性に優れたニッコー製

船小屋鉱泉場や長田鉱泉をはじめ，矢部川をはさんテクノボトルに採取し，実験室に持ち帰った。水ので数十の鉱泉井が掘削されている（浦川 2011）。泉

安定同位体（D と 18O）分析用には，保存中にお質は，炭酸水素イオン，マグネシウムイオン，およける蒸発等による同位体分別が起こらないように，びナトリウムイオンを主成分としたマグネシウム・ガラスバイアルを使用した。温泉水中の主要化学成ナトリウム－炭酸水素塩泉で，炭酸濃度は 50ppm

分の分析用試料は，ポリエチレン製のサンプル瓶に程度のものから 1,000ppm 以上のものと幅広い濃度採取した。

を有しており，近年その炭酸成分の医療効果の面か

HCO3 －を除く温泉水の主要化学成分（Na ＋，K ＋，ら注目を集めている。最も深く掘削されている船小屋鉱泉場の井戸からは，鉱泉水とともに付随ガスがN
鹿児島本線噴出しており，鉱泉水に含まれる鉄成分が空気中の酸素によって酸化されてできたと考えられる赤色系の温泉沈殿物が析出している。

船小屋志㻲

船小屋温泉を最も特徴づける炭酸成分の起源とし
筑後船小屋駅

川ては，地下数百メートルに埋没した生物の死骸等が矢部

嫌気的な条件下でメタン細菌によって分解されたものとされているが（浦川 2011），その根拠は明確に

㻺津島示されておらず，多くの面で不明な点が多い。

長田

そこで本研究では，船小屋温泉から湧出している

132°
E

道

組成に基づき，水，炭酸成分，ならびに希ガスの起

131°
E33°
N源について考察したのでここに報告する。

九州
自動車

温泉水や付随ガスを採取し，それらの化学・同位体

130°
E34°
N

KyushuSakata32°N0２．試料の採取および化学分析
研究用の温泉水と温泉付随ガスを船小屋鉱泉源公園（図１のＦ地点，写真１）で採取し，あわせて― 11 ―

図１ 本研究における調査地点
F：船小屋温泉，B：長田鉱泉

1000m

（Geo 20-20 model）を用いて行った。なお，同位体分析の測定精度は，D，18O，13C のそれぞれについて± 1.0‰，± 0.1‰，± 0.2‰である。
温泉付随ガスは，水上置換法により，分析項目に応じて次の 3 通りの方法で採取した。
【ガス試料１】ロートを使って気泡をコック付きのビニール袋にいったん捕集した後，直ちにアルカリ溶液（5M KOH）を含むガス採取容器（大型ガラス浣腸器）に移した。この操作により容積の大半を写真１占めると考えられる二酸化炭素ガス（CO2）がアル

船小屋鉱泉源公園

カリ溶液に吸収されるため，ガスを繰り返し吸引することによりアルカリ溶液に吸収されないガス成分（残留ガス：以下 R ガスとする）の容積を十分なものにして実験室に持ち帰ることができる。この試料から CO2，N2，Ar，He，H2，CH4 および O2 の化学組成データを得た。岩倉ほか（2000）に準拠し，
CO2 はアルカリ吸収液から CO2 電極法により，N2，Ar，He，CH4 は O2 ガスをキャリヤーガスとしたガスクロマトグラフで分析した。試料中の O2 はそれらの分析値，R ガスの容積，実験室内の気温・気圧

写真２Sr(OH)2 を作用させ SrCO3 として単離したものから，マトグラフィー（DIONEX 社製イオンクロマトグ

DIC と同じ測定方法で CO2 の炭素安定同位体（13C）

ラフ DX120）で行った。DIC 濃度の分析は，試料のデータを得た。

水に希硫酸を添加し硫酸酸性にして，試料中の炭酸【ガス試料２】ロートを使って気泡を直接ゴム製

成分を全て CO2(aq) に変換し，イオンメーター（東セプタム付のガラス瓶に少量の温泉水とともに採取

亜電波製：IM-1B）に接続した二酸化炭素電極（東した。運搬・保存時にはガラス瓶を転倒させ，セプ

亜電波製：CE-235）を用いて絶対検量線法によりタムとの合わせ部分が温泉水でシールされるように測定を行った。HCO3 濃度は DIC 濃度の測定値として外気と遮断し，試料ガスの漏出と空気汚染を防水温，pH の値を用いて化学平衡計算から求めた。

いだ，大沢ほか（2010）に記載の方法によって，こ水の D と 18O の測定は，質量分析計を用いてそれの試料から CH4 に対する C2H6，C3H8 の相対組成とぞれ金属亜鉛を用いた還元法，二酸化炭素平衡法にそれらの炭素安定同位体比（13C）のデータを得た。

より行った。DIC の炭素安定同位体比（13C）は，【ガス試料３】ロートを使い，両端にストップコッ

試料水に Sr(OH)2 を加えて加熱して得られる SrCO 3

クの付いたパイレックスガラス製の採気ビンに気泡をろ別し風乾した後，これにリン酸を滴下して発生を導入し，採取した。この試料から磁場型質量分析する CO2 を質量分析計に導入し測定した。これら計を用いて 3He/4He 比と 4He/20Ne 比のデータを得た。の同位体分析はすべて The Stable Isotope Laboratory，

3GNS Science Limited 保有の安定同位体質量分析計

によりそれぞれ 1% および 10% と推測される。以2＋，Cl ，SO4て求めた。またアルカリ溶液に吸収された CO2 に）の分析は，イオンクロMg，Ca

データを用いて気体の状態方程式から計算によっ

長田鉱泉場

2＋－2－－He/4He 比と 4He/20Ne 比の不確実誤差は，分析誤差― 12 ―

上の温鉱泉水ならびに付随ガス試料の化学・同位体

δ18O (‰)-10-20

表１ 温泉水および付随ガスの化学組成-30δD (‰) -40-10-5ኳỈ⥺ț' ț 2

分析の結果を，表 1 に示す。

-150+5+10Ᏻᒣᒾ㉁࣐ࢢ࣐ᛶỈ⵨Ẽ)J J 1-50-60-70

図２ 鉱泉水中の水素および酸素の同位体組成（δD対δ18O図）
Ｆ：船小屋温泉，
Ｎ：長田鉱泉のは妥当であるようにも思える。しかし，付随ガスの He や CO2 の地化学特性に目を向けると，成因はそのような単純なものではないことが示される。以下では，そう考えることの根拠となるデータ解析例を提示する。
船小屋温泉の付随ガスの 3He/4He 比と 4He/20Ne 比の値（表１）を，3He/4He － 4He/20Ne ダイアグラム

３．結果と考察にプロットしたものを図 3 に示す。船小屋温泉に試料水の安定同位体データ（D・ O）を，天流出する He は，大気起源 He の混入は少なく，マ水線（MWL：meteoric water line；D ＝ 8  O ＋ントル起源の He と地殻起源のそれが適度に混合し10），および，安山岩質マグマ性水蒸気（andesticたものであることを示している。また，付随ガスのmagmatic water）がとる同位体比の範囲（Giggenbach，

He に占める起源 He の寄与率を Shimizu ほか（2005）

181992）とともに，D 対  O 図上に表した（図２）。に示されているモデル計算法により求めると，マン船小屋温泉は長田鉱泉と同様に水温 25℃未満の鉱トル起源 He が 60％，地殻起源 He が 40％，そして泉であり，温泉水の水素・酸素安定同位体比は概ね大気起源 He が 0.1% 以下という結果が得られた。

1818

天水線上にプロットされることから，天水に由来CO2 については，その 13C 値から（－ 4.13‰：する浅層系の地下水であることを示している。まガス遊離にともなう同位体分別により DIC に対した，長田鉱泉とともに炭酸泉（HCO3 型）に分類さて 2.861 ‰ 重 い， 表 1） 深 部 由 来 の CO2 の 混 入 がれるが，主要な陽イオンは長田鉱泉は Ca であり浅示 唆 さ れ る が，13C だ け で は Marine carbonate と層地下水の初期の水質を示しているが，船小屋温泉

Sedimentary organic Carbon の混合物由来である可能は Na-HCO3 型水質であって相当に水質進化を受け性も否定できないため，C/3He 対 13C 図（Sano andた地下水であることを示している（表 1）。船小屋

Marty, 1995）上にデータをプロットして検討した（図温泉の付随ガスには CO2 に比べるとわずかな量で4）。He の場合と同様に，付随ガスの CO2 に占めるあるが CH4 が含まれていることから，炭酸泉の生起源炭素の寄与率を推算することができ（Sano and

成に堆積性有機物のメタン発酵（2CH2O → CH4 ＋Marty, 1995），Mantle-derived CO2 が 35％，MarineCO2）も関わっているように見え，船小屋温泉の鉱carbonate が 56％，Sedimentary organic Carbon が 9％

泉水が水質進化を受けた浅層地下水であると考えるとなった。以上のように，付随ガスの He と CO2 の― 13 ―

10

大気120100.1

地殻0.010.110

メタン酸化

103

FF102

混合成

熟10

熱分解

1000

14He/ 20Ne-50-40-30-20

Ｆ：船小屋温泉，海成炭酸塩‫ۻ‬-60

図５ 温泉付随ガス中の炭化水素組成比〔CH4/( C2H6+ C3H8)〕とCH4の炭素安定同位体比（δ13C）の関係【Bernard図】）

Ｆ：船小屋温泉，上側の線は大気とマントル成分の混合線，下側の線は大気と地殻成分の混合線を表している．

堆積性有機物-70

ț13C(CH4)(͙)

図３ 温泉付随ガス中のヘリウム同位体組成（3He/4He‐4He/20Neダイアグラム）

1013

微生物

104
CH4/(C2H6+C3H8)50

マントル He (%)

F
3He/ 4He(Ra)

105

マントル

‫ۻ‬の CH4 は有機物の熱分解によって生じたものであC/3Heり（Thermogenic），相応に地下の深い場所で生成したものが地表へ移動してきたとして説明される。微1011

生物の作用によって生成した CH4 がメタン酸化をM-aうけても同様な化学・同位体組成となるが，CO2 とF

CH4 の 13C 値が大きく異なるため（表１参照），そ‫ ۻ‬M-cマントル

109の可能性は低いと判断できる。CH4 を含む炭化水素

M-b-40-30-20-1013ț C (͙)

0+10

ガスも，He や CO2 のように，外界（深部）から浅層地下水へ付加されたものであるとするのが妥当で

図４ 温泉付随ガス中のδ C（CO2）とC（CO2）/3Heの関係13あろう。
今後は，船小屋温泉と同じく筑紫平野に存在が本研究試料のデータポイント（Ｆ：船小屋温泉）と共に，
マントル（M-a：Sano and Marty，1995；M-b：Denis，2002；M-c：Nishio et al.，1998）
，海成炭酸塩（Sano and Marty，1995），堆積性有機物〔Sano and Marty（1995），Denis
（2002），Nishio
et al.
（1998）に記載されている値〕の値とそれぞれの混合線を表した．

報告されている筑後川周辺の他の炭酸泉（浦川，2011）についても同様の解析を行い，福岡県西部の炭酸泉の起源についてより詳細な検討を行いたいと考えている。

大部分が深部起源であり，地下深部から上昇してく謝辞
本研究において，水素・酸素安定同位体分析はるこれらのガスが浅層地下水系へ流入して炭酸泉を形成していることを語っている。

The stable isotope Laboratory, GNS Science Limited

図 5 は，（CH4/(C2H6 ＋ C3H8) 比 ） を CH4 の  C（ニュージーランド），炭化水素ガスの化学分析とに対してプロットした Barnard 図と呼ばれる有機地同位体比測定は石油資源開発株式会社技術研究所，球化学の分野で汎用される判定図で，CH4 の起源や3炭化水素ガスの熟成過程等の物理・化学的過程の変にそれぞれ分析をして頂いた。関係各位に感謝申し遷をたどることができる。船小屋温泉の付随ガス中上げる。京都大学地球熱学研究施設の大沢信二教授

13

He/4He，4He/20Ne の測定は九電産業株式会社環境部― 14 ―

には，データの解析および本文の内容について有益する温泉水の地化学特性と成因―温泉起源流体なコメントを頂いた。関係各位に感謝もうしあげる。

としての続成脱水流体―，温泉科学，59，295319．

引用文献6） 酒井拓哉，大沢信二，山田誠，三島壮智，吉川慎，

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2） Giggennbach, W.F. (1992) Isotope shifts in waters

7） Sano, Y. and Marty, B. (1995) Origin of carbon infrom geothermal and volcanic system along conver-fumarolic gas from island arcs. Chem. Geol., 119,gent plate boundaries and their origin. Earth Planet.

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8） Shimizu, A., Sumino, H., Nagao, K., Notsu, K. and3） 岩倉一敏，大沢信二，高松信樹，大上和敏，野Mitropoulos, P. (2005) Variation in noble gas iso-津憲治，由佐悠紀，今橋正征（2000）長湯温泉（大topic composition of gas samples from the Aegean分県）から放出される二酸化炭素の起源，温泉arc, Greece. J. Volcanol. Geotherm. Res., 140, 321-

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Sano, Y. (1998) Carbon and helium isotope systematics of North Fiji Basin basalt glasses: carbon geo-10）早稲田周，岩野裕継，武田信從（2002）地球化

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学からみた天然ガスの成因と熟成度，石油技術

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5） 大沢信二，網田和宏，山田誠，三島壮智，風早康平（2010）宮崎平野の大深度温泉井から流出― 15 ―