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地下形成溫泉需要「地下有豐富的水存在」、「地下的水被某種熱源加熱」、「地下的水溶解某些成分」。
此外,地下形成的溫泉要湧出地面,需要有從地下到地面的「斷層等通道」。最近,經常通過1000米以上的鑽探(深度鑽探)用動力抽取溫泉,這種情況下,鑽探的孔就是溫泉的通道。
溫泉有在火山地帶及其周邊湧出的「火山性溫泉」,以及從完全沒有火山的地區湧出的「非火山性溫泉」。
圖1是火山性溫泉湧出機制的一個例子,簡單地用模式圖表示。
圖1 火山性溫泉湧出機制的一個例子
火山地下數公里到十幾公里處存在岩漿庫。岩漿庫中含有高溫(約800℃~1200℃)的岩漿,以及從岩漿中分離出的高溫熱水、高溫高壓的火山氣體、水蒸氣等,這些物質通過斷層等裂縫不斷向地面湧出。
地下的含水層和岩石中的斷層等裂縫中,積聚了由雨水等滲透形成的地下水。當岩漿庫中的高溫熱水或火山氣體接觸到含水層或裂縫中的地下水時,熱水或火山氣體中的熱量和各種成分會轉移到地下水中,形成高溫的溫泉水。
即使地下水未接觸到熱水或氣體,熱量也可能從岩漿等熱源傳導到地下水中,將其加熱。
高溫的溫泉水比地下水輕,因此會通過斷層等裂縫向上流動。就像爐子上加熱的鍋中的水引起對流一樣,岩漿的熱源在地下引起水的對流。因此,如果斷層等裂縫恰好連接到地面,溫泉水就會自然湧出地面。此外,如果鑽探到地下儲存溫泉水的裂縫,則可以從地下深處獲得高溫的溫泉水。
岐阜縣內的這類火山性溫泉有平湯溫泉、新平湯溫泉、福地溫泉、栃尾溫泉、新穗高溫泉、濁河溫泉、大白川溫泉、大白川溫泉引湯的平瀨溫泉等。
此外,地下存在的火成岩的高溫岩體的熱傳導也可能加熱地下水。在沒有明顯活動火山的地方,如果地下存在古代火山起源的高溫岩體,則可能通過其熱傳導加熱地下水,形成相對高溫的溫泉水。
關於下呂溫泉的熱源,尚不清楚,但有可能是御嶽火山附近的湯之峰火山岩體(約10萬年前噴發)尚未完全冷卻,成為下呂溫泉的熱源。
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燒岳火山被認為是平湯溫泉的熱源 | 湯之峰火山被認為是下呂溫泉的熱源 |
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火山性溫泉的長崎縣雲仙溫泉 | 火山性溫泉的神奈川縣大涌谷溫泉 |
最近新建的許多溫泉設施位於與火山無關的山間或平原地區。在便利的城市中心也出現了這樣的溫泉。
那麼,為什麼這些溫泉能夠獲得與井水不同的相對高溫的溫泉水呢?
圖2 非火山性(大深度鑽探)溫泉湧出機制的一個例子
一般來說,地下每深100米,溫度大約升高3℃(平均值)。這被稱為地下增溫率或地溫梯度。新建的非火山性溫泉大多是由地下增溫率引起的,許多溫泉通過鑽探約1500米,抽取地下深處儲存的由地下增溫率加熱的溫泉水(深層熱水)。
但是,並不是隨便鑽探就能獲得高溫的深層熱水,地下必須有豐富的地下水儲存。
如圖2所示,每深100米,溫度約升高3℃,因此理論上鑽探約1500米,預期可獲得比地面水溫高約45℃的高溫溫泉。然而,深層熱水在上升到地面過程中溫度會下降,因此湧出42℃以上高溫泉的例子並不多。
濃尾平原西南部的木曾三川河口周邊有許多大深度鑽探的溫泉,許多地方湧出42℃以上的高溫泉,其中一些溫泉達到約60℃。這些溫泉的特點是地下水豐富,湧出量大。
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大深度鑽探湧出高溫泉的海津溫泉 | 木曾川河口湧出高溫泉的三重縣木曾岬溫泉 |
地下地層中有時存在堆積時封閉的古代海水,這被稱為“化石海水”。
非火山性溫泉中,有些地方通過大深度鑽探抽取地下的化石海水。這樣的溫泉,即使遠離海洋且沒有火山,仍然湧出鹹的鈉-氯化物泉(食鹽泉)。
化石海水起源的根尾薄墨溫泉
紀伊半島雖然沒有火山,但白濱溫泉、勝浦溫泉、湯之峰溫泉等多處高溫泉(泉溫42℃以上)已知存在。有些地方湧出接近100℃的溫泉。
這些高溫泉的熱源尚不清楚。紀伊半島南部的三重縣和和歌山縣交界處存在熊野酸性岩這一第三紀火成岩體,因此有人認為「該岩體尚未完全冷卻,可能是溫泉的熱源」。但另一方面,該火成岩體被認為是約1200萬年前的,因此也有「作為熱源來說太古老」的觀點。
兵庫縣的有馬溫泉附近也沒有火山,但湧出接近100℃的高溫泉,其熱源尚不清楚。最近,根據產業技術綜合研究所的研究,有馬溫泉的溫泉水被認為來自於日本列島下潛的菲律賓海板塊構成的岩石脫水作用產生的高溫熱水,這一發現被報導在報紙上。
同樣,紀伊半島和大分縣的高溫泉也被西村進氏和網田和宏氏等的研究小組報告為來自菲律賓海板塊的脫水作用。
當板塊在海底附近形成時,同時吸收了大量海水。隨著菲律賓海板塊深潛到日本列島下,受到高壓,板塊岩石發生脫水。
岩石脫水產生的“水”是數百℃的高溫熱水,當在地下約100公里處發生時,會上升並溶解上部的地幔岩石形成岩漿。然而,有馬溫泉等的熱水在地下40公里~80公里的淺層發生,因此未形成岩漿,而是以熱水形式上升到地面。板塊產生的數百℃熱水在湧出地面過程中與地下水混合,溫度下降,形成溫泉水。
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兵庫縣有馬溫泉的泉源 | 和歌山縣白濱溫泉的泉源 |