温泉の科学４

4　非火山性温泉の地球科学

4-6　放射能泉について

放射能泉 (Radioactive spring) は、みなさんが最も疑問に感じることの多い泉質だと思います。温泉分析表をみても、Na⁺イオンなどの普通の成分表示が mg/kg っていう単位なのに、放射能泉の表示はキュリーとかマッヘとかいう変な単位で書いてあって、いったいどれくらいの量が含まれているのか直感的にわかりません。お湯には色も匂いもないし、特有の浴感も感じられず、ほんとにこれ温泉なの？と、なんとなく煙に巻かれたような思いをした人も多いのでは？　そんな貴方のために、放射能泉とはなんぞや、とっくりと語りましょう。

放射能泉には、「ラジウム泉」「ラドン泉」「トロン泉」などがあります。これらの聞き慣れない名称は、温泉に含まれる放射性元素の名前からつけられています。まずは放射性元素の解説からいきましょう。はじめはちょっとかったるいので、判っている人はとばして読んで下さい。

同位体について

おなじ原子番号の元素でも、原子核に中性子を多く含むことがあります。質量数（陽子＋中性子の数）が増えるので元素の重さは若干重くなります。これを「同位体」（アイソトープ isotope）とよんでいます。中性子の多少は元素の化学的性質にはまったく関与しなくて、周期表の中での位置は変わらないので「同位」なわけです。同位体を区別して表すときは、質量数を示して、たとえばウラン同位体は、²³⁴U ²³⁵U ²³⁸Uなんていうふうに書きます。おなじようにして、ほとんどの元素には数種の同位体が存在しています。

放射性同位体

同位体には、原子核の構成が安定なものと不安定なものがあります。まえにおはなしした（3-2項）、水素同位体（重水素）や、酸素同位体は安定な同位体でした。これにたいして、原子番号84以上の重い（原子核の粒子数の多い）同位体の原子核は非常に不安定です。原子核に中性子や陽子を留めておくには、核力という力（量子力学です、あ～苦手）が必要なのですが、あんまり粒子の数が多くなると核力ではおさえておけなくなるからです。

不安定な同位体は、自ら原子の構成をかえて、より安定な元素へ変化しようとする性質（壊変という）があります。こういった性質のある元素を「放射性同位体」(radioactive isotope　ラジオアイソトープ) または放射性核種とよんでいます。このときに余った粒子やエネルギーが原子外に放出されるので、これを放射線とよびます。放射線には、アルファ線：原子核粒子を放出する、ベータ線：電子を放出する、ガンマ線：電磁波を放出する、の三種の形態があります。放射性同位体は最終的には安定な元素に変化していきますが、ウランやトリウム(Th)などの極度に重い元素はすぐには安定になれなくて、いくつもの段階を経て、長い時間かかってようやく鉛(Pb)になって安定します。この途中にはたくさんの中間的な元素がつくられ、このような過程を「放射壊変系列」とよんでいます。

地球物質の放射性同位体

自然界にはたくさんの放射性同位体がありますが、地球物質に多い放射性同位体は、ウラン238 (²³⁸U)、トリウム232 (²³²Th)、カリウム40 (⁴⁰K)、ウラン235 (²³⁵U)、ルビジウム87 (⁸⁷Rb) などがあります。これらはいずれも天然の鉱物中に安定同位体とともにおおむね一定の量が含まれています。このうち普通の岩石にもわりとたくさん含まれていて、温泉学的に重要なのははウラン238（存在度99.2745％）とトリウム232（100％放射性核種）です。岩石にはカリウムも多く含まれていますが、そのうち放射性のカリウム40は存在度が0.0117％で非常に少ないので、とりあえず無視しましょう。

さて、放射性同位体が壊変してできる次の同位体を娘核種、もとの同位体を親核種といいます。このさいに壊変する速さは、親娘の同位体の種類ごとに一定になっていて、温度や圧力などの外的条件には左右されません、これを壊変定数といっています。壊変定数は同位体化学の研究には基礎となる重要な値ですが、やや取り扱いが難しいので、一般に壊変の速さを記述するには、「半減期」のほうがよく使われます。半減期は、壊変によって親核種の原子核の数が1/2になるまでの時間です。半減期の短い同位体は壊変がすばやくおこるので、比較的短時間でその存在がゼロに近くなってしまいます。半減期の長い同位体は、長い時間を経過しても存在し続けることができます。先にあげた、地球物質としての存在量が多い放射性同位体は、とくに長い半減期（数十億年）をもっているので、いまでも生き残って岩石中に存在できているわけです。それよりも半減期の短いものは、地球45億年の間にほとんどが壊変してしまって、存在量がごく僅かになっています。

ラジウムとラドン

さてそれでは、ウラン238の崩壊系列はどうなっているかというと。ウラン238の半減期は約44.9億年で、最終的には鉛 (²⁰⁶Pb) になってようやっと安定します。その間にできるおよそ11段階の放射性娘核種のなかでもっとも重要なのが、５段階目に出来るラジウム226 (²²⁶Ra) です。ラジウムは周期表でIIa族のアルカリ土類金属で、同じなかまにはMgやCaがあります。このふたつは温泉分析表でもおなじみな元素ですね。ラジウムも化学的にはMgやCaと似たような性質を示すので、温泉水中の化学的挙動をかんがえるときに参考になります。ラジウムは温泉水中にも含まれていますが、その量はたいへん僅かで、温泉法による療養泉の規定でもラジウム塩として一億分の１mg以上、鉱泉分析法の規定では一億分の10mg以上となっています。つまり普通の含有イオンの数億分の１くらいしか入ってないっていうことです。普通の人が入浴や飲泉で含有量の多寡を体感できる濃度ではありません。こんな僅かでも、ラジウムは強力な放射線（おもにアルファ線）を出しているので、療養効果が期待できるわけです。

ラジウムの次の壊変では、不活性の気体元素のラドン222 (²²²Rn) ができます。ラジウムの半減期は1622年なので、温泉水中にラジウムがあると我々の時間感覚では半永久的にラドンを生産しているわけです。温泉療養を考えた場合には、ラジウムよりもラドンのほうがずっと効果的です。というのは、なんといってもラドンは気体だというところが強みなのです。ラジウムを入浴で取り込むのはかなり難しいのに対して、ラドンは浴室にいて呼吸しているだけでどんどん体内にはいって血液中に溶け込みます（ラドンは溶解度も大きい）。体内に入ったラドンは半減期3.825日と短命なのですが、壊変によって短時間に次々と娘核種を生成していくので、そのときに出る放射線（おもにアルファ線）の効果が数日は期待できます。ラドンの娘核種には、鉛やビスマスなどの有害元素がありますが、微量なのであまり心配する必要はありません。

ラドンはガス性でかつ不活性気体なので、ふつうの濃度単位では含有量を表すことができません。そこで、キュリーという特別な単位が使われます。１キュリー (1 curie) は、1gのラジウムと放射平衡にあるラドン量。これは標準状態で0.66mm³のラドン量で、6.50x10^-6gに相当します。また、マッヘという単位もあって、１マッヘ(1 mache) は、電離作用で 10^-3 e.s.u. の電流を生じるときの温泉水１リットル中の含有量。およそ、3.64x10^-10curieに相当します。なんだかよくわからないって？、私にもよくわかりません。まあ、ただの単位ですから深く追求しないで下さい（といって逃げる）。

ほとんどの放射能泉では、ラドン含有量に比較してラジウムの含有量が非常に低いことが一般的です。これは、どこか別の場所にあるラジウム源で生じたラドンが、温泉水中に溶解して運ばれてきたものと考えられています。このことはまた後でとりあげます。

トリウムとトロン

トリウム(²³²Th)は、その100%が放射性核種からなるという点で珍しい元素です。つまり地球内のトリウムは、いずれは全て壊変して無くなってしまうということです。とはいってもトリウムの半減期は約139億年もあるので、地球滅亡とどっちが先か、というようなずっと先の話です。トリウムの崩壊系列では、５段階目にできる気体のトロン(Tn)が重要です。トロンという元素は周期表のどこにものっていません。じつは化学記号で書くと、²²⁰Rn　つまりその正体はラドンなのです。上のウラン238の崩壊でできるラドン(²²²Rn)よりも質量数が２だけ少ないですね、まぎらわしいので、特別にトロンという名前でよんでいるわけです。化学的な性質はもちろんラドンとまったく同じです。

先の表-1でみると、地球物質中の存在量は、トリウムのほうがウランよりも４倍強も多いですね。ということはラジウム温泉やラドン温泉よりも、トロン温泉のほうが出来やすいんじゃないかと思っちゃいますが、実際にはトロン温泉というのはあんまり聞きません。その理由は、トリウムの崩壊系列ではトロンより前に水溶性の元素ができないっていうところにあります。ウラン系列ではウラン自身やラジウムが水溶性なので、岩石から温泉水に溶解して濃集してきますが、トリウム系列では源の岩石にとどまったまま崩壊がすすんでいくので、温泉水での含有量がずっと低くなってしまうのです。

トロンも不活性気体なので吸入により体内にとりこまれますが、その半減期は54.5秒とラドンよりもずっと短命なので、その放射線の効果は３分程度しか持続しません。しかし、娘核種のうち²⁰⁸Tl （タリウム）が非常に強いガンマ線を放射するので、療養的効果が一応は期待されるわけです（筆者はかなり懐疑的）。

放射能泉の成因

温泉水中に放射性元素がほんのわずか含まれていれば放射能泉になれるわけですから、原則的にはどんな泉質の温泉でも放射能泉になりえます。温泉水が湧出してくる過程で、ウランやトリウムの多い岩石を通過してくれば、壊変途中のラジウムやラドンを溶かし込んでくることができます。

しかし、下の表-2でみると、日本の放射能泉のほとんどは泉温30度(C)以下、pHが中性から弱アルカリ性のあたりに集中しています。高温泉や酸性領域の温泉には放射能泉は非常にまれです。放射能泉の正体はというと、ほとんどは深層地下水です（4-1参照）。西日本の花崗岩が多く分布する地域、岐阜県東南部や中国地方には、放射能泉（ほとんど単純ラドン泉）がたくさん湧出しています。この地域の深層地下水が放射性元素に富むようになる原因は、花崗岩のウラン・トリウム含有量がずばぬけて多いことです（ふたたび上表-1）。花崗岩の岩盤に断層などの割れ目がたくさんできたり、風化が進んで岩石がもろくなっていたりすると、そこを通過してくる地下水が岩石と接触する表面積が増えて、放射性元素を溶かし込む率が高くなるので、地下水が放射能泉と化すわけです。

大部分の放射能泉では、ラドン含有量に比べてラジウム含有量が少なく（放射平衡にない）、ラジウムは地中深くの粘土鉱物や沈殿物に吸着・濃集しているものと考えられています。そこでラドンが生産されて、地下水中を移動・上昇してくるのです。さきにいったように、ラドンの半減期は3.825日と短命なので、地下水が長い距離をゆっくり岩盤中を流動していると、ラドンは10日ほどでほとんど消失してしまいます。低温の地下水にラドン泉が多い理由はここにあって、自然地温で高温になったり、岩石成分を取り込んだりして（本当の）温泉になってしまうほど地下水が深く循環していると、湧出してくるまでの間にラドンは消失してしまい、普通の温泉になっちゃうのです。なお、詳しくはのべませんが、東日本にも花崗岩はたくさん分布しているのに放射能泉が少ないのは、西日本の花崗岩が堆積岩起源なのに対して、東日本の花崗岩がマグマ起源だからというふうに説明されています。ウランやトリウムの含有量は堆積岩起源の花崗岩にずっと多いのです。そのぶん東日本には素敵な火山性温泉がたくさんあるので、まあ許してやってください。

放射能泉になる泉質にはもうひとつあります。数は少ないですが、有馬や増富などの塩濃度の高い温泉（有馬型温泉）です。こういった温泉にはラドンのほかにラジウムやトリウムもたくさん含まれていて、非常に高濃度の放射能泉になっています。ラジウムの起源は地下深部の変成岩ではないかと考えられていますが、いまひとつよくわかっていません。ラジウムが温泉水中に多く含まれる理由としてかんがえられるのは、有馬型温泉は炭酸カルシウム(CaCO3)に飽和していることが多いということです。カルシウムとラジウムは同族元素なので、炭酸ガスと結合して炭酸塩として岩石や沈殿物に固定されやすいのですが、岩石と温泉水が飽和しているとその余りが温泉水に含まれるようになるのではないかということです。

ラドンは加熱すると温泉水からすぐに逃げ去ってしまうので、前述の単純ラドン泉では浴室を閉め切っていないといけません。一般にラドン泉が湯あたりをおこすといわれるのは、浴室が高温でのぼせやすいからではないかと思います、湯あたりではなく湯疲れというのが本当ではないでしょうか。しかし、この有馬型の放射能泉ではその必要がありません。温泉水に高濃度のラジウムが溶存しているので、ラドンは温泉水からどんどん生産されてくるからです。

酸性泉で有名な玉川温泉にも放射性元素が含まれており、温泉湧出孔の周囲にはラジウムを含んだ沈殿物がたまっています。これはバリウムと鉛の硫酸塩鉱物（重晶石：バライト）で、バリウムの一部を置き換えてラジウムが含まれています（少量ですが）。この鉱物は北投石（ほくとうせき）とよばれて秋田県の天然記念物になっています。私の子どもの頃（1960年代）には北投石は探勝路のわきに無造作に野積みされていましたが、悪徳鉱物業者の盗難が相次いだために、現在では土が被せられてよく見れなくなっています。このような火山性温泉に放射能泉があるのは非常に珍しく、このへんも玉川温泉の神秘性を高めているようですが、温泉水で検出される放射線量はかなり微弱で、放射線による医療効果は期待ほどではないそうです。

人工放射能泉について（おまけ）

最近のニュースで、放射性鉱物のモナザイトを大量に保管していた業者(?)が問題になっています（2000年春）。そのなかで『温泉に使用するために輸入した』というコメントがあり、「ん？」と思った方も多いのでは。モナザイトは基本化学組成が Ce[PO4] のリン酸塩鉱物で、Ce（セリウム）の部分を最大で12%のトリウムが置換することができます。この鉱石を大量にタンクに集めて、たまったトロン気体をお湯にまぜると人工トロン泉が出来上がります。当然ですが、これは温泉法の定義でいう「温泉」ではありません（「地中から湧出する」、というのが第一条件です）。この業者が在庫をさばけなかったのは、ラドン泉にくらべてトロン泉の世間の知名度がいまいちだったからではないかと思います。

人工ラジウム泉や人工ラドン泉については、企業秘密が多いのであんまりよくわかりませんが、精製ラジウム鉱石を原料に使用しているのではないかと思われます。ウランを含む天然鉱物は非常に種類が多いのですが、それらのラジウム含有量は非常にわずかなので、トロン泉のように原料鉱物（ウラン鉱石）を単純にお湯にふれさせただけでは充分な濃度はえられません。キュリー夫妻が約100年前に初めてラジウムの分離に成功した際には、ピッチブレンドという泥状のウラン鉱石を原材料にしていましたが、分離までに大変な苦労をしたのはよくご存じかと思います（知らない人はキュリー夫人の伝記を読みましょう）。

現在使用されているラジウム鉱石は、核燃料用ウランを精製する過程で出る不純物からつくられたものが主で、1950年代に大量に輸入されました。最近は、放射性物質の輸入や保管には厳しい(?)規制が行われているので、今現在の人工ラジウム泉やラドン泉で使用されているものは、大部分そのときに流通したものであると思われます。ちなみに「ラドン泉」「ラドン温泉」などの名称は、あるラドン製造装置の企業団体が商標登録していて、かってに使ってはいけないんだそうです（と業者のHPに書いてあった）。じゃあ天然の「ラドン温泉」はどうなるんでしょうね？

都会の駅前には「ラドン健康センター」とか「ラドンサウナ」なんていう施設が必ずあります。私の故郷の秋田にはたぶん無かったと思います。これらは昭和30～40年代の第三次放射能ブームで出来た施設なんだそうです。当時は、放射能にたいして漠然とした恐怖とともに、神秘のパワーが信じられていたようです。キューバ危機で核戦争の一歩手前までいったころです。鉄腕アトムは小型原子炉で動いていましたし、放射能を食べるゴジラも生まれました（核廃棄物処理にぜひとも一頭捕獲したいところです）。医学では放射線治療も普及してきました。こうした風潮の中、医学的効果が不明のまま、人工放射能泉の施設がたくさん作られたのです。なかにはかなり怪しげなものもあったようで、取り壊しのとき製造装置を開けたら中身は石灰だったなんてのも新聞にのっていた記憶があります。

東京や横浜の温泉に放射能泉はありませんが、銭湯などで「ラジウム温泉」の看板を表示しているところがあります。実際の泉質はおなじみの「黒湯（モール泉）」なんですが、昔のブームにのって勝手につけちゃったらしいです。温泉登録もしていないところが多いので、ほんとうは温泉とも表示できないはずなんですが、まあ大目にみられているようです。せっかく「うちの近所のラジウム温泉はめっぽうよく効きやがる」、と信じている爺ちゃん婆ちゃんの夢を奪うのも無粋なことじゃありませんか。

環境物質としてのラドン（さらにおまけ）

アメリカではタバコにつぐ２番目の肺ガン誘因として、ラドンは環境から排除すべき物質にされています。合衆国東部地域はとくに岩盤・土壌から放出されるラドン量が非常に多く、家屋内に蓄積されて危険なレベルに達しないように、住宅工法が指導されています。日本の医学統計によれば、土壌ラドンが多い西日本の花崗岩地域でも、とくに肺ガン患者が多いということはないそうで、とりあえずは安心です。もともと通気性を重視した伝統的日本家屋の構造では、こういった心配はないと思われますが、最近の密閉建築ではどうなんでしょうか？　ちょっと気になるところです。

附）鉱泉分析法指針で使用されているキュリー・マッヘ単位は古い表記法で、現在の国際SI単位系ではベクレル(Bq)で表すのが一般的になっています。
　　　換算は、１Bq＝0.074 M.E.＝0.027x10^-10 Ci

［4-6章　参考図書・参考文献］

	ウラン(ppm)	トリウム(ppm)
地殻全体	0.91	3.5
玄武岩	0.87	2.93
花崗岩	3.0	13.0