化学的に見た第四紀火山と熱水系との関係 : なぜ高塩濃度と低塩濃度の熱水系が存在するのか  [in Japanese] Influence of Quaternary volcanic activity on the formation of geothermal reservoir fluids  [in Japanese]

日本において地熱開発が行われている熱水系は,(1)地熱流体のCl^-濃度が数百〜千数百ppmと低く,同位体組成が天水組成に類似するか,数‰の酸素同位体シフトを示し,窒素・希ガス組成が大気・大気平衡地下水の組成に類似する,すなわち天水あるいは水/岩石反応の寄与が大きい熱水系(大沼,澄川,葛根田,上の岱,滝上,八丁原,大岳および大霧の各地域。以下,(3)を含めて「低塩濃度」熱水系)および,(2)地熱流体のCl^-濃度が数千〜一万ppmと高く,同位体組成が高温火山ガス組成の方向に,窒素・希ガス組成がマグマ組成の方向に,それぞれ著しくシフトする,すなわち高温火山ガスなどマグマ起源物質の寄与が大きい熱水系(森および柳津西山両地域。以下,「高塩濃度」熱水系),(3)地熱流体のCl^-濃度が一〜数万ppmと高く,同位体組成が著しく海水組成の方向に著しくシフトする熱水系(山川地域)。海水の寄与が推定されている熱水系,(4)地熱流体のCl^-濃度が数千ppmと高く,同位体組成が天水組成から高温火山ガス組成の方向に,窒素・希ガス組成が大気・大気平衡地下水組成からマグマ組成の方向に,それぞれ若干シフトする熱水系(鬼首地域)。主として酸性の地熱流体が得られ,高温火山ガスの寄与が推定されている熱水系,に分類できる。地熱開発が行われている地域の周囲10 km以内の地表徴候および2 Ma以降の第四紀火山の存在状況から,「低塩濃度」熱水系の周囲には,噴気地帯,酸性温泉および高温温泉,全ての地表徴候が必ず存在すること,また第四紀火山としては歴史時代に噴火記録を持つ火山を含む,大カルデラ火山,成層火山など多数の火山(火山岩噴出量は十数〜百数十km^3以上)が存在していることがわかる。「低塩濃度」熱水系の化学的性状を考え合わせると,火山(噴火)活動と熱水活動が互いに独立している(棲み分けしている)ことを示唆している。これに対し,「高塩濃度」熱水系の周囲には,高温温泉以外の地表徴候は存在しないこと,また第四紀火山としては小カルデラ火山(火山岩噴出量は〜数km^3程度)が存在しているのみであることがわかる。「高塩濃度」熱水系の化学的性状を考え合わせると,火山活動と熱水活動が一体化していることを示唆している。以上から,「低塩濃度」と「高塩濃度」の熱水系の形成機構は以下のように推定できる。1)「低塩濃度」熱水系は,マグマ溜まりおよびマグマ起源物質の通路周辺(以下,火山中心部)が高温高圧の状態で維持されている場合に対応して形成される。地下水が火山中心部を流動することができないため,熱水系は火山の(噴火)活動域から離れた位置に,火山からは熱的な影響を受けるのみで,地熱流体は天水(あるいは海水)と岩石との反応が主体となって形成される。2)「高塩濃度」熱水系は,火山中心部の温度・圧力が相対的に小さいか,降下している場合に対応して形成される。地下水が火山中心部を流動することができるため,熱水系は火山中心部(活動域)と重なるように,火山からは物質的影響も受けて,地熱流体は天水(あるいは海水)と高温火山ガスの混合が主体となって形成される。

Developed and developing geothermal reservoirs in Japan are classified geochemically into two types; (1) thermal fluid is characterized by low chloride ion concentration (several to decades of hundreds ppm), some oxygen-isotopic shift and/or meteoric water- or sea water-like isotopic composition of fluid, and air or air-saturated-subsurface-water component of nitrogen and noble gases (named "low salinity type"), seemed to be mainly formed by water-rock interaction of meteoric water or sea water, and (2) thermal fluid is characterized by high chloride ion concentration (several to decades of thousands ppm), remarkable isotopic shift for high temperature volcanic gases of fluid, and magmatic component of nitrogen and noble gases (named "high salinity type"), seemed to be mainly formed by mixing of meteoric water or sea water and magmatic emanations. In the "low salinity type"-geothermal-reservoir area (within 10 km of developed or developing geothermal area), some fumarolic areas (≧10000), acid springs (pH≦3, ≧90℃, chloride type to sulfate type) and hotsprings (≧90℃) always exist as manifestations, and there are andesitic volcanoes (partly containing active volcanoes recorded in historical documents) and/or dacitic to rhyoritic volcanoes with a large caldera (diameter>7 km) as Quaternary volcanoes. On the other hand, in the "high salinity type"-geothermal-reservoir area, only hotsprings are exist as manifestations, and there are dacitic to rhyoritic volcanoes with a small caldera (diameter<7 km) as Quaternary volcanoes. Considering chemical characteristics of thermal fluid, and the distribution of neighboring manifestations and volcanoes, it seems that (1) the low salinity type" geothermal reservoirs are chemically isolated and thermally influenced from volcanic activities, and (2) the "high salinity type" geothermal reservoirs are united with and materially influenced from volcanic activities. As a result, it is deduced that formation mechanisms of two types of geothermal reservior are as follows. (1) When temperature and pressure conditions of a magma chamber is high, subsurface water can't flow near the magma chamber and/or vents of magmatic emanations (high P-T area), and then geothermal reservoirs formed isolated from the high PT area (area of volcanic activities). Therefore, thermal fluid formed mainly with water-rock interaction of meteoric water or sea water, and only thermally influenced from volcanic activities. (2) When temperature and pressure conditions of a magma chamberis lowor lowering, subsurface water can flow near the magma chamber and/or vents of magmatic emanations (magmatic area), and then geothermal reservoirs formed as if united with the magmatic area. Therefore, thermal fluid formed mainly mixing of meteoric water or sea water and magmatic emanations, and materially influenced from volcanic activities.