温泉
イエローストーン国立公園のグランド・プリズマティック・スプリングとミッドウェイ・ガイザー・ベイスン

温泉（じょうせん）、熱水泉（ねつすいせん） 、地熱泉（ちねつすいせん）は、地熱によって温められた地下水が地表に噴出することによって生じる泉です。地下水は、浅いマグマ体（溶岩）によって温められるか、断層を通じた地殻深部の高温の岩石への循環によって温められます。

温泉水には、しばしば多量の溶解性ミネラルが含まれています。温泉の化学的性質は、 pHが0.8と低い酸性硫酸塩泉から、シリカで飽和したアルカリ性塩化物泉、二酸化炭素と炭酸塩ミネラルで飽和した重炭酸塩泉まで多岐にわたります。また、鉄分を豊富に含む温泉もあります。温泉で地表に運ばれるミネラルは、極限環境に適応した微生物である極限環境微生物の栄養源となることが多く、地球上の生命の起源は温泉にある可能性があります。[ 1 ] [ 2 ]

人類は数千年にわたり、温泉を入浴、リラクゼーション、あるいは医療療法に利用してきました。しかし、温泉の中には非常に高温のものもあり、入浴すると火傷を負い、死に至る危険性があります。[ 3 ]

定義

温泉には普遍的に受け入れられている定義はありません。例えば、温泉は次のように定義されています。

ブラジル、リオケンテの温泉
  • 温度が21℃（70℉）を超える天然の湧き水[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]
  • 水温が通常平均気温より6～8℃（11～14℉）以上高い温泉の一種。[ 16 ]
  • 水温が50℃（122℉）以上の泉[ 17 ]

関連用語である「温泉」は、多くの文献で温泉よりも水温が低い泉と定義されていますが、ペンテコストら（2003）は「温泉」という表現は有用ではなく、使用を避けるべきだと示唆しています。1923年、メンジアーは温泉を、水温が人体温度よりも低いが、泉周辺の平均気温よりも高い温泉と定義することを提案しましたが、この定義には異論があります。[ 18 ] [ 9 ]

熱源

温泉から湧き出る水は地熱、すなわち地球のマントルから発生する熱によって温められています。これは2つの方法で起こります。火山活動が活発な地域では、地殻の浅い深さにマグマ（溶岩）が存在していることがあります。地下水はこれらの浅いマグマ体によって温められ、地表に上昇して温泉として湧き出てきます。しかし、火山活動のない地域でも、地球内部の岩石の温度は深さとともに高くなります。深さとともに温度が上昇する速度は地温勾配として知られています。水が地殻の十分深いところまで浸透すると、高温の岩石と接触して温められます。これは通常、断層に沿って起こります。断層では、砕けた岩盤が水がより深くまで循環するための容易な経路を提供します。[ 19 ]

熱の多くは、天然の放射性元素の崩壊によって発生します。地球から放出される熱の45～90%は、主にマントルに存在する元素の放射性崩壊に由来すると推定されています。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]地球の主要な熱発生同位体は、カリウム40、ウラン238、ウラン235、トリウム232です。[ 23 ]火山活動のない地域では、この熱はゆっくりとした熱伝導によって地殻を伝わりますが、火山地域では、熱はマグマ体によってより速く地表に運ばれます。[ 24 ]

現在、 238 U と232 Thの崩壊から生じる放射熱が、地球の内部熱収支の主な要因となっています。

定期的に水と蒸気を噴出する温泉を間欠泉といいます。イエローストーン国立公園などの活火山地帯では、浅い深さにマグマが存在することがあります。温泉がそのようなマグマ体の近くにある大きな天然の貯水槽につながっている場合、マグマが貯水槽内の水を過熱し、通常の沸点以上に温度が上昇することがあります。貯水槽の上部にある水柱の重さが貯水槽を加圧し、沸騰を抑えるため、水はすぐには沸騰しません。しかし、過熱された水が膨張すると、水の一部が表面に現れ、貯水槽内の圧力が低下します。これにより、貯水槽内の水の一部が蒸気に変化し、温泉からさらに多くの水が押し出されます。この結果、貯水槽が空になるにつれて、かなりの量の水と蒸気が温泉から強制的に噴出する暴走状態になります。その後、貯水槽にはより冷たい水が再び満たされ、このサイクルが繰り返されます。[ 25 ] [ 26 ]

間欠泉は、自然の貯水槽と、噴出するたびに貯水槽を満たすための豊富な冷水源の両方を必要とします。水の供給量が少なく、水が蓄積されるのと同時に沸騰し、蒸気の形でしか地表に到達しない場合は、噴気孔が形成されます。水に泥や粘土が混ざると、泥水壺が形成されます。[ 25 ] [ 27 ]

非火山性温泉の一例として、ジョージア州ウォームスプリングスが挙げられます（下半身麻痺のフランクリン・D・ルーズベルト大統領が、その治療効果を求めて訪れ、リトル・ホワイトハウスを建設しました）。ここでは、近くの山々に降った雨や雪（天水）が、特定の地層（ホリス・クォーツァイト）に浸透して地下3,000フィート（910メートル）の深さまで達し、通常の地温勾配によって温められます。[ 28 ]

化学

アルジェリアのハマム・マスクフーティン。炭酸水素塩温泉の一例。

加熱された水は冷水よりも多くの溶解性物質を含むため、温泉から湧き出る水はカルシウムからリチウム、さらにはラジウムに至るまで、非常に高いミネラル含有量を示すことが多い。温泉の全体的な化学的性質は、アルカリ性塩化物、酸性硫酸塩、重炭酸塩、鉄分を豊富に含むものなど様々であり、それぞれが温泉の化学的性質の範囲の端に位置する。[ 29 ] [ 30 ]

アルカリ性塩化物温泉は、塩化物塩を溶解した地下水が高温の珪酸塩岩と反応して形成される熱水によって供給されています。これらの温泉はpHがほぼ中性ですが、シリカ（SiO 2 ）で飽和しています。シリカの溶解度は温度に大きく依存するため、冷却すると、オパールの一種である間欠泉石（オパールA：SiO 2 ·nH 2 O）として沈殿します。[ 31 ]このプロセスはゆっくりと進行するため、間欠泉石はすべて噴出口のすぐ近くに堆積するのではなく、泉口の周囲に一定距離にわたって低く広い台地を形成する傾向があります。[ 32 ] [ 30 ] [ 33 ]

酸性硫酸塩温泉は、硫化水素（H 2 S）を豊富に含む熱水によって供給され、これが酸化されて硫酸（H 2 SO 4）を形成します。[ 32 ]熱水はpHが0.8まで低下します。[ 34 ]酸は岩石と反応して粘土鉱物、酸化鉱物、シリカの残留物に変化します。[ 30 ]

重炭酸塩温泉は、二酸化炭素（CO2 ）と地下水が炭酸塩岩と反応して形成される熱水によって供給されます。[ 32 ]熱水が地表に達すると、CO2は急速に失われ、炭酸塩鉱物がトラバーチンとして沈殿するため、重炭酸塩温泉は泉口の周りに高起伏構造を形成する傾向があります。[ 30 ]

鉄分を豊富に含む温泉は、温泉に供給されている熱水流体中の鉄から酸化鉄の塊を生成する微生物群集の存在によって特徴付けられる。[ 35 ] [ 30 ]

一部の温泉では、これらの両極端の化学的性質の中間的な流体が生成します。例えば、酸性・硫酸塩・塩化物混合温泉は、酸性硫酸塩泉とアルカリ性塩化物泉の中間的な性質を持ち、酸性硫酸塩泉とアルカリ性塩化物泉の流体が混合することで形成されます。この温泉は間欠泉石を堆積しますが、その量はアルカリ性塩化物泉よりも少ないです。[ 32 ]

流量

アイスランド、デイルダルトゥングクヴェル：ヨーロッパで最も水量の多い温泉

温泉の湧出量は、ごくわずかな「しずく」から、まさに熱湯の川のように流れ出るものまで様々です。時には、水圧が高すぎて間欠泉や噴水のように噴き上がることもあります。

湧出量の多い温泉

温泉の湧出量については、文献に多くの主張があります。地熱泉よりも非温泉の方が湧出量が多いです。湧出量の多い温泉には、以下のものがあります。

生態系

ニュージーランド、オラケイ・コラコの「アフリカ地図」温泉に生育する藻類マット

温泉には、高温でミネラルを豊富に含んだ水に適応した微生物群が生息することが多い。その中には、45～80℃（113～176℉）の高温で繁殖する極限環境微生物の一種である好熱菌が含まれる。 [ 38 ]噴出口からさらに離れると、水は冷えてミネラル分が沈殿する時間があり、より穏やかな環境に適応した生物にとって好ましい環境となる。そのため、噴出口から離れるにつれて微生物群集が次々と形成され、これはある意味で初期生命の進化の段階に似ている。[ 39 ]

例えば、重炭酸塩温泉では、噴出口周辺の生物群集は、アクイフェックスやその他のアクイフィカル目細菌などの糸状好熱細菌が優勢で、硫化物と水素を酸化して生命活動に必要なエネルギーを得ています。噴出口からさらに離れ、水温が60℃（140℉）以下に下がると、表面は1センチメートル（0.39インチ）の厚さの微生物マットで覆われ、スピルリナ、オシラトリア、シネココッカスなどのシアノバクテリア[ 40 ]やクロロフレクサスなどの緑色硫黄細菌が優勢です。これらの生物はすべて光合成能力がありますが、緑色硫黄細菌は光合成中に酸素ではなく硫黄を生成します。噴出口からさらに遠く、気温が45℃（113℉）を下回ると、スピルリナ、カロトリックス、珪藻類などの単細胞真核生物、草食昆虫、原生動物を含む複雑な微生物群集にとって好ましい環境となります。気温が周囲の気温に近づくと、高等植物が出現します。[ 39 ]

アルカリ塩化物温泉も同様の生物群集の遷移を示し、噴火口の最も高温の部分に様々な好熱性細菌や古細菌が生息しています。酸性硫酸塩温泉は、やや異なる微生物群集の遷移を示し、主に耐酸性藻類（シアニディオ藻類など）、真菌、珪藻類が生息しています。[ 32 ]鉄分が豊富な温泉には、還元鉄（第一鉄）を酸化鉄（第三鉄）に酸化する光合成生物群集が含まれています。[ 41 ]

温泉は、豊富な化学環境を提供する信頼できる水源です。これには、微生物がエネルギー源として酸化できる 還元化学種が含まれます。

無生物起源​​論における意義

温泉仮説

「ブラックスモーカー」（海底熱水噴出孔）とは対照的に、カムチャッカ半島の陸上熱水地帯に似た温泉は、初期の細胞や生化学反応に適したpHと温度の流体を生み出します。カムチャッカ半島の温泉では、溶解した有機化合物が発見されました。 [ 42 ] [ 43 ]これらの環境中の金属硫化物とシリカ鉱物は光触媒として作用すると考えられます。[ 43 ]これらは湿潤と乾燥のサイクルを経てバイオポリマーの形成を促進し、再水和後に小胞に包み込まれます。[ 44 ]太陽の紫外線への曝露は、モノマー型バイオ分子の合成を促進します。[ 45 ]温泉のイオン組成と濃度（K、B、Zn、P、O、S、C、Mn、N、H）は、系統ゲノム解析によると、現代細胞の細胞質と一致しており、おそらくLUCAまたは初期細胞生命の細胞質とも一致している。[ 46 ] [ 43 ]これらの理由から、温泉が地球上の生命の起源の地であるという仮説が立てられている。[ 39 ] [ 30 ]この仮説の進化論的意味合いは、陸上植物への直接的な進化経路を示唆している。太陽光への継続的な曝露によって光合成特性が発達し、後に陸上に定着し、熱水噴出孔に生命が存在するのは、後の適応であると示唆されている。[ 47 ]

温泉における最近の実験研究はこの仮説を裏付けている。弱アルカリ性または酸性の温泉では、脂肪酸が紫外線と複数回の乾湿サイクルにさらされることで膜状構造を自己組織化し、合成された生体分子を包み込むことが示された。これは、塩水環境では高濃度のイオン性溶質が膜状構造の形成を阻害するため、このような現象は起こらないだろう。[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]デイビッド・ディーマーとブルース・デイマーは、これらの仮説的な前生命環境はチャールズ・ダーウィンが想像した「小さな温かい池」に似ていると指摘している。 [ 47 ]生命が深海の熱水噴出孔ではなく、地上の池で出現した場合、地球外から運ばれたキノンが環境に運ばれ、プロトン勾配につながる酸化還元反応を引き起こすだろう。膜輸送のための原始的なタンパク質やその他の生物学的高分子の安定性を維持するための継続的な乾湿循環がなければ、それらは水生環境で加水分解を受けるだろう。[ 47 ]科学者たちは、化石化した微生物、ストロマトライト、およびバイオシグネチャーを保存していると思われる34億8000万年前の間欠泉岩を発見した。[ 50 ]研究者たちは、ピロホスファイトが初期の細胞生命によってエネルギー貯蔵に使用され、ピロリン酸の前駆体であった可能性があると提案している。温泉に存在するホスファイトは、温泉内で乾湿循環によってピロホスファイトに結合したと考えられる。[ 51 ]アルカリ性熱水噴出孔と同様に、白馬八方温泉は蛇紋岩化作用を受けるため、メタン生成微生物が同様の生息地で発生した可能性があることを示唆している。[ 52 ]

制限事項

生命の起源に関する温泉仮説の問題点は、リン酸が水に溶けにくいということである。[ 53 ]ピロ亜リン酸は原始細胞内に存在していた可能性があるが、すべての現代生命体はエネルギー貯蔵にピロリン酸を使用している。 キーは、酵素の出現後にピロリン酸が利用された可能性があると示唆している。[ 51 ]脱水状態は有機化合物のリン酸化とリン酸のポリリン酸への凝縮に有利である。[ 54 ]もう1つの問題は、太陽の紫外線と頻繁な衝突により、温泉での初期細胞生命の居住可能性が阻害されたことである。[ 53 ]ただし、生物学的高分子は太陽の紫外線への曝露中に選択を受け[ 47 ]、光触媒シリカ鉱物と金属硫化物によって触媒された可能性がある。[ 43 ]後期重爆撃期の炭素質隕石は、大気圏突入時に破片を生成するため、地球にクレーターを形成させなかっただろう。隕石の直径は40～80メートルと推定されているが、衝突体が大きければクレーターも大きくなる。[ 55 ]これらの環境での代謝経路はまだ実証されていないが[ 53 ]、隕石中のキノンや原始細胞の成長と結びついた酸化還元反応によってプロトン勾配が発生した可能性がある。[ 56 ] [ 47 ] [ 57 ]ウッド・リュングダール経路と逆クレブス回路の代謝反応は、酸性条件と金属存在下での好熱温度で生成されており、これはRNAが酸性pHでほぼ安定するという観察結果と一致している。[ 58 ] [ 59 ]

人間の用途

長野で露天風呂や「温泉」を楽しむマカクたち
秋田県乳頭市の露天風呂「鶴の湯」で冬季入浴
タイ、メーホンソーン県のサインガム温泉

入浴

歴史

温泉は人類に数千年にわたり親しまれてきました。[ 60 ]マカク属のサルでさえ、寒さによるストレスから身を守るために温泉を利用し、生息域を日本まで北上させたことが知られています。 [ 61 ]温泉は少なくとも2000年前から日本で利用されており、伝統的には清潔さとリラクゼーションを目的としていましたが、近年では治療効果も重視されるようになっています。[ 62 ]ギリシャのホメロス時代（紀元前1000年頃）には、入浴は主に衛生目的でしたが、ヒポクラテスの時代（紀元前460年頃）には、温泉には治癒力があると考えられていました。その後、数世紀にわたって温泉の人気は変動してきましたが、現在では世界中で人気を博しています。[ 63 ]ウェルネス産業の調査会社であるグローバル・ウェルネス・インスティテュートは、2023年に31,200の温泉施設の世界全体の収益が620億ドルを超えると推定しました。[ 64 ]

治療用途

温泉には民間伝承と医学的価値の両方があるとされているため、温泉は人気の観光地や障害者のリハビリテーション施設となっていることが多い。しかし、温泉療法の科学的根拠は不明確である。鉛中毒に対する温浴療法は18世紀と19世紀に一般的で、非常に効果的だったと報告されている。これは、温水に浸かることで利尿作用（尿の生成量増加）が起こり、鉛の排泄量が増加したこと、鉛源から隔離されたより良い食事、そしてカルシウムと鉄分の摂取量の増加が原因と考えられる。関節リウマチや強直性脊椎炎の患者において、温泉療法の研究では有意な改善が報告されているが、これらの研究には方法論的な問題があり、例えばプラセボ対照試験（患者が治療を受けているかどうかわからない試験）は明らかに非現実的である。その結果、温泉療法の治療効果は依然として不明確である。[ 63 ]

予防

火山地帯の温泉は、沸点または沸点付近にあることが多い。これらの温泉に誤って、あるいは意図的に入ったことで、重度の火傷を負ったり、死亡したりするケースもある。[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]

温泉の微生物の中には人間に感染するものもある。

エチケット

温泉によって慣習や慣行は異なります。入浴者は、水を汚さないように（石鹸の有無にかかわらず）入浴前に体を洗うのが一般的です。[ 75 ]日本のように多くの国では、水着を含め、裸で温泉に入ることが求められます。男女で異なる設備や時間帯が設けられている場合が多いですが、混浴温泉も存在します。[ 76 ]国によっては、公共温泉の場合は水着の着用が求められます。[ 77 ] [ 78 ]

料理と飲み物

温泉は地熱調理に利用されており、ハマム・マスクティーン（アルジェリア）[ 79 ]や日本でも卵や野菜をゆでるなどの調理法がとられている。 [ 80 ]約67℃（153℉）の温泉に卵を浸すと温泉卵が作られ、普通のゆで卵とは異なり、黄身がとろりと柔らかく[ 81 ]白身がカスタードのような独特の食感がある。[ 82 ]温泉卵は日本全国の温泉地で提供されている。[ 83 ]

民間療法として温泉水を飲む人もいる。[ 79 ] [ 80 ]

例

米国の地熱温泉の分布

世界中の多くの場所、すべての大陸に温泉があります。温泉で有名な国としては、中国、コスタリカ、ハンガリー、アイスランド、イラン、日本、ニュージーランド、ブラジル、ペルー、セルビア、韓国、台湾、トルコ、アメリカ合衆国などが挙げられますが、他にも多くの場所に温泉があります。

  • 1918年に化学教授の報告書で世界で最も電解的な鉱泉の一つに分類されて以来、広く知られるようになったアルゼンチン北部のリオ・オンド温泉は、地球上で最も訪問者が多い場所の一つとなっている。[ 84 ]カチェウタ温泉はアルゼンチンのもう一つの有名な温泉である。
  • ヨーロッパで最も水温の高い温泉は、フランスのショード・エグという小さな村にあります。フランスのオーヴェルニュ地方の火山地帯の中心部に位置するショード・エグには、30もの天然温泉があり、その温度は45℃（113℉）から80℃（176℉）以上まで様々です。最も熱い「ソース・デュ・パル」は82℃（180℉）です。村の地下を流れる温泉は、14世紀から家屋や教会の暖房として利用されてきました。ショード・エグ（フランス、カンタル県）は、ローマ帝国時代からリウマチ治療の温泉地として知られてきた温泉街です。
  • 前地の地殻構造にある炭酸塩帯水層は、一般的に地域的に高い熱流量を示す地域ではないものの、重要な温泉を賦存することがあります。このような場合、温泉が海岸線近くまたは海岸線沿いにある場合、陸上および/または海底温泉は、局所的な亀裂やカルスト岩塊を流れる海底地下水の流出源となります。これは、プーリア地方（南イタリア）の南東端に発生する温泉の例です。アドリア海沿岸の部分的に水没した洞窟からは、硫黄を含んだ温水（22～33℃、72～91℉）が少量ながら湧き出ており、サンタ・チェザーレア・テルメの歴史的な温泉に水を供給しています。これらの温泉は古代（紀元前3世紀のアリストテレス）から知られており、温泉水の物理化学的特徴は海面変動の影響を部分的に受けています。[ 85 ]
  • インドの潜在的な地熱エネルギー貯蔵庫の一つはマディヤ・プラデーシュ州のタッタパニ温泉である。[ 86 ] [ 87 ]
  • 火星のシルティス・マジョールにある火山カルデラ、ニリ・パテラで発見されたシリカを豊富に含む堆積物は、消滅した温泉システムの残骸であると考えられています。[ 88 ]

参照

ウィキメディア・コモンズには、温泉に関連するメディアがあります。
Wikivoyageには温泉の旅行ガイドがあります。

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さらに読む

  • マージョリー・ガーシュ＝ヤング（2011年）『南西部の温泉と温水プール：ジェイソン・ロームのオリジナルガイド』アクア・サーマル・アクセス、ISBN 978-1-890880-07-1。
  • マージョリー・ガーシュ＝ヤング（2008年）『北西部の温泉と温水プール』アクア・サーマル・アクセス、ISBN 978-1-890880-08-8。
  • G. J. ウッドワース (1999). 『西カナダの温泉：完全ガイド』ウェストバンクーバー: ゴードン・ソウルズ. ISBN 978-0-919574-03-8。
  • クレイ・トンプソン (2003). 「トノパ：茂みの下の水」アリゾナ・リパブリック誌、B12ページ。
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