화산 폭발 예측 마그마 저장시간으로

 ●이산화탄소도 화산폭발 조짐 알아

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화산폭발을 일으키는 용융암석은 지구 지각에 1000년간 보존될 수 있으며 이를 이용하면 화산의 위험관리와 함께 화산폭발 시점을 더 잘 예측할 수 있다는 연구가 나왔다.

영국 케임브리지대 연구팀은 결정체 시계로 알려진 화산 광물을 이용해 마그마가 얼마나 화산 시스템으로 저장될 수 있는지를 계산했다.

이는 모호(Moho)라고 불리는 지구 맨틀과 지각 경계 부근에서의 마그마 보존 시간을 처음으로 계산한 추정치다. 19 일자의 과학잡지 「사이언스」에 발표되었다.

논문의 제1저자인 케임브리지대 지구과학부 유안 마치 박사는 “이 연구는 지리학 탐사작업과 같았다”고 했다.

마치 박사는 화산 분출이 어떻게 이뤄지는지를 재구성하기 위해 암석 속의 물질을 연구해야 마그마가 어떤 조건 아래 저장돼 있는지를 알 수 있지만 화산 시스템 더 깊은 곳에서 무슨 일이 벌어지는지는 알기 어렵다고 말했다.

지각과 맨틀의 경계에서 마그마가 보존되는 시간은 지표로 올라가는 시간을 계산하는 데 도움이 된다는 연구가 나왔다. 1983년 하와이 화산 폭발 당시 용암이 내뿜는 모습. ≈ Wikimedia J.D. Griggs의 1만 년 전 일어난 아이슬란드 화산 분출 연구논문의 공저자인 케임브리지대 지구과학부의 존 매클레넌 박사는 “마그마가 지구 지각에 얼마나 오래 보존되는지를 알면 화산폭발 촉발 과정 모델을 개선하는 데 도움이 된다”고 덧붙였다.

매클레넌 박사는 마그마가 솟아올라 보존되는 속도는 화산지역 지각에 있는 열 및 화학물질 전달과 밀접한 관련이 있으며 이는 지열과 화산가스의 대기 방출에 중요하다고 설명했다.

연구팀은 북아이슬란드에 있는 테이스터레이킬 화산의 볼가라운 분출을 연구했다. 이 화산의 분출은 약 1만 년 전에 일어났으며 마그마 등이 Moho에서 직접 뿜어져 나왔다.

이 경계 영역은 용융물이 맨틀에서 지표를 향해 올라왔기 때문에 용융물 처리 과정에서 중요한 역할을 한다.

수직단면으로 본 화산분화의 가상도. 1. Large magmachamber 2. Bedrock 3. Conduit(pipe) 4. Base 5. Sill 6. Dike 7. Layers of ashemitted by the volcano.

연구팀은 결정체의 시계방법을 이용해 마그마가 저장되는 동안 첨정석의 결정 구성이 시간과 함께 어떻게 바뀌는지를 모델링할 수 있었다.

이들은 특히 결정체 안에 들어 있는 알루미늄과 크롬의 확산 속도와 함께 이들 원소가 어떻게 구역화되는지를 조사했다.

매클레넌 박사는 “이런 원소들의 확산은 결정체가 주변 환경과 화학적 평형을 이루도록 작용한다”며 “이들 원소가 얼마나 빨리 확산되는지 알면 광물이 마그마에 얼마나 오래 저장됐는지 알아볼 수 있다”고 설명했다.

연구팀은 알루미늄과 크롬이 결정 안에서 어떻게 구역화돼 있는지를 조사했고 이 패턴이 마그마 저장 시간에 흥미롭고 새로운 사실을 보여준다는 사실을 알아냈다.

이번 연구에서는 마그마 상승속도와 이산화탄소 배출의 연관성이 있는 밝혀졌다. 2017년 페루 사반카야 화산이 분출한 모습. χ Wikimedia Galeria del Ministerio de Defensadel Peru 화산은 많은 분출구를 가진 배관 시스템 확산 속도는 이전 실험실에서 수행한 실험 결과를 사용하여 추정하였다. 연구팀은 또 유한요소 모델링과 베이시안 중첩 샘플링(Bayesionested sampling)을 결합한 새로운 방법을 이용해 저장 기간을 추산했다.

마치 박사는 우리는 이제 마그마가 얼마나 깊은 곳에서 올라왔는지 상당히 훌륭한 추정치를 갖게 됐다며 지금까지 누구도 깊은 지각에서 이런 종류의 시간 정보를 얻지 못했다고 밝혔다.

마그마 저장 시간을 계산하면 마그마가 지표면에 어떻게 나타나는지 알 수 있다.

연구팀은 화산이란 아래에 큰 마그마 저장공간이 있는 고전적인 화산 모델 대신 마그마가 급속히 지표로 이동하는 수많은 작은 분출구를 가진 화산 배관시스템에 가깝다고 설명했다.

이들은 네이처 지구과학에 발표한 두 번째 논문에서 마그마의 상승 속도와 화산 모니터링에 영향을 미치는 이산화탄소 배출의 연관성이 있다고 밝혔다.

연구팀은 화산 분출이 있기 며칠 전부터 충분한 양의 이산화탄소가 마그마에서 가스로 옮겨지는 것을 관찰했다. 이는 이산화탄소 모니터링이 아이슬란드에서 화산 분출의 전조를 밝히는 유용한 방법이 될 수 있음을 보여준다.

한국과학창의재단 사이언스 김병희 객원기자 저작권자ç Science Times