Sudden phreatic eruptions pose serious risks to human safety. However, their prediction remains challenging due to our limited understanding of hydrothermal systems. Most conventional geochemical monitoring has focused on high-temperature magmatic gases while low-temperature systems remain under-investigated. Here, we present a new geothermometer to estimate the temperature and steam fraction of the gas–liquid two-phase hydrothermal reservoirs that source low-temperature fumaroles. Our method is uniquely based on the heterogeneous geochemical equilibria of two systems: CH4 + 2H2O ⇄ CO2 + 4H2 and H2S + 4H2O ⇄ 4H2 + 2H⁺ + SO42⁻. We apply this model to the low-temperature (ca. 95 ℃), SO2-poor fumarolic gases from Kuju Volcano, Japan. The results indicate that a stable, liquid-dominated (steam fraction < 0.1) reservoir at 261–276 ℃ exists in the subsurface of the fumarolic areas. We suggest that this stability is the result of continuous pressure release through existing vents. This pressure release likely prevented the catastrophic pressure buildup that occurred in the sealed system responsible for the 1995 eruption. Our proposed geothermometer is successfully validated against data from other volcanoes, demonstrating its applicability to acidic hydrothermal systems worldwide. Our geothermometer provides a crucial tool for quantitative monitoring of volcanic hydrothermal systems, enhancing our ability to assess phreatic eruption hazards. Second-language abstract (Japanese) 突発的な水蒸気噴火は、人的安全に深刻なリスクをもたらす。しかしながら、熱水系の挙動に対する我々の理解は不十分であり、その予測は依然として困難である。ほとんどの従来の地球化学的モニタリングでは、高温のマグマ性ガスに焦点を当てており、低温噴気を有する熱水系の調査はほとんど行われていない。そこで本研究は、低温噴気の発生源となる気液二相系の温度や蒸気分率を推定するため、新しい温度推定手法を提案する。本手法は、CH4 + 2H2O ⇄ CO2 + 4H2と、H2S + 4H2O ⇄ 4H2 + 2H+ + SO42−という独自の2つの不均一地球化学平衡に基づいている。我々はこのモデルを、日本の九重火山から得られた低温 (95 ℃程度) かつSO2に乏しい噴気ガスに適用した。その結果、噴火しなかった噴気地帯の地下に、安定した熱水卓越状態 (蒸気分率 < 0.1) の貯留層が261 ~ 276 ℃で存在することを示した。この安定性は、既存の噴気孔を通した継続的な圧力緩和の結果であり、これが1995年の噴火を引き起こした閉鎖系での過剰な圧力蓄積を抑制したと考えられる。さらに、本手法は他の火山噴気データにより検証され、世界の酸性熱水系に対して適用可能であることが実証された。本研究の温度推定手法は、火山の熱水系の定量的なモニタリングを可能にする重要な手法であり、将来の水蒸気噴火の危険性評価に繋がると期待される。

Temperature estimation of the hydrothermal system in active volcanoes based on heterogeneous geochemical equilibria of low-temperature fumarolic gas composition

期刊论文
发表日期：

2026年5月27日

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Takumi Akiyama,
Shinji Ohsawa

摘要

Sudden phreatic eruptions pose serious risks to human safety. However, their prediction remains challenging due to our limited understanding of hydrothermal systems. Most conventional geochemical monitoring has focused on high-temperature magmatic gases while low-temperature systems remain under-investigated. Here, we present a new geothermometer to estimate the temperature and steam fraction of the gas–liquid two-phase hydrothermal reservoirs that source low-temperature fumaroles. Our method is uniquely based on the heterogeneous geochemical equilibria of two systems: CH₄ + 2H₂O ⇄ CO₂ + 4H₂ and H₂S + 4H₂O ⇄ 4H₂ + 2H⁺ + SO₄²⁻. We apply this model to the low-temperature (ca. 95 ℃), SO₂-poor fumarolic gases from Kuju Volcano, Japan. The results indicate that a stable, liquid-dominated (steam fraction < 0.1) reservoir at 261–276 ℃ exists in the subsurface of the fumarolic areas. We suggest that this stability is the result of continuous pressure release through existing vents. This pressure release likely prevented the catastrophic pressure buildup that occurred in the sealed system responsible for the 1995 eruption. Our proposed geothermometer is successfully validated against data from other volcanoes, demonstrating its applicability to acidic hydrothermal systems worldwide. Our geothermometer provides a crucial tool for quantitative monitoring of volcanic hydrothermal systems, enhancing our ability to assess phreatic eruption hazards. Second-language abstract (Japanese) 突発的な水蒸気噴火は、人的安全に深刻なリスクをもたらす。しかしながら、熱水系の挙動に対する我々の理解は不十分であり、その予測は依然として困難である。ほとんどの従来の地球化学的モニタリングでは、高温のマグマ性ガスに焦点を当てており、低温噴気を有する熱水系の調査はほとんど行われていない。そこで本研究は、低温噴気の発生源となる気液二相系の温度や蒸気分率を推定するため、新しい温度推定手法を提案する。本手法は、CH₄ + 2H₂O ⇄ CO₂ + 4H₂と、H₂S + 4H₂O ⇄ 4H₂ + 2H⁺ + SO₄²⁻という独自の2つの不均一地球化学平衡に基づいている。我々はこのモデルを、日本の九重火山から得られた低温 (95 ℃程度) かつSO₂に乏しい噴気ガスに適用した。その結果、噴火しなかった噴気地帯の地下に、安定した熱水卓越状態 (蒸気分率 < 0.1) の貯留層が261 ~ 276 ℃で存在することを示した。この安定性は、既存の噴気孔を通した継続的な圧力緩和の結果であり、これが1995年の噴火を引き起こした閉鎖系での過剰な圧力蓄積を抑制したと考えられる。さらに、本手法は他の火山噴気データにより検証され、世界の酸性熱水系に対して適用可能であることが実証された。本研究の温度推定手法は、火山の熱水系の定量的なモニタリングを可能にする重要な手法であり、将来の水蒸気噴火の危険性評価に繋がると期待される。