마그마굄
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1. 개요
마그마굄은 지하 수 킬로미터 깊이에 위치하며, 마그마가 부력을 잃고 정체되어 형성되는 곳이다. 지진파 토모그래피를 통해 마그마굄의 위치와 규모를 파악할 수 있으며, 마그마는 결정 분화 작용을 거쳐 주변 암석을 변성시키고 암맥을 형성하기도 한다. 마그마굄 내 마그마는 냉각되면서 층상 구조를 이루거나 가스를 방출하여 분출을 일으키며, 슈퍼화산 분출의 원인이 되기도 한다. 마그마가 분출되지 않으면 관입암으로 굳어지며, 화산 분출 시 마그마굄이 비어 칼데라가 형성되기도 한다.
지하 수십 km 깊이에서 생성된 마그마는 고온의 액체이므로, 주변의 고체암석보다 비중이 작아 부력에 의해 서서히 상승한다. 지하 5km에서 10km 정도의 위치까지 오면 주변의 고체 암석도 깊은 만큼 고압을 받지 않기 때문에, 마그마와 같은 정도의 비중이 되어 마그마는 부력을 잃고 체류하는 것으로 생각된다.
2. 위치 및 크기
마그마굄은 발견하기 어려우며 지표에서 1km ~ 10km 정도의 깊이에 존재하는 것이 현재 발견되고 있다. 지구 과학적으로 보면, 지표로부터 10km는 매우 얕은 것이며, 더 깊은 곳에도 존재할 수 있다. 하지만, 아직까지 마그마굄이 큰 구멍인지, 아니면 미세한 균열에 마그마가 들어간 것인지는 알려져 있지 않다. 마그마굄의 크기는 몇 km 정도로 추정된다.
2. 1. 지진파 토모그래피
마그마는 액체이므로 지진파의 전달 속도가 지각과는 다르다. 이 점을 응용하여 지진학에서는 마그마굄의 위치를 추측하고 분포도를 만들고 있다. 이 방법을 지진파 토모그래피라고 한다. 지진파 토모그래피를 통해 사쿠라지마나 옐로스톤 등 마그마굄의 위치와 규모가 상세하게 알려진 화산도 있다.
2. 2. 암맥과 변성 작용
마그마는 결정 분화 작용에 의해 마그마굄 내에서 분화하여, 체적에 대한 질량인 비중이 점차 마그마굄 주변보다 가벼워져 상승한다. 이때 주변의 암석을 고열로 변성시키는 과정을 거쳐 암맥을 형성하며 상승한다. 이를 역으로 이용하여 마그마굄의 위치를 추측할 수도 있다. 지각 내부에서의 밀도는 암체의 차이에 영향을 받아 장소에 따라 다르므로, 마그마굄은 상하 방향으로 연결되는 경우도 많다.
3. 마그마굄의 역학
마그마가 화산 분출로 표면에 배출되지 않으면 깊은 곳에서 천천히 냉각되어 결정화되어 관입암 화성암체가 형성되는데, 화강암이나 반려암 등이 그 예이다(플루톤 참조).
화산은 종종 수 킬로미터 아래에 있는 깊은 마그마굄을 가지고 있으며, 이 마그마굄은 정상 부근의 얕은 굄에 마그마를 공급한다. 마그마굄의 위치는 지진학을 사용하여 알아낼 수 있는데, 지진의 지진파는 액체 상태의 암석을 통과할 때 고체 암석보다 더 느리게 이동하기 때문이다. 따라서 지진파의 속도가 느려지는 영역을 찾아내면 마그마굄의 위치를 파악할 수 있다.[13]
화산이 분출하면서 주변 암석이 비어 있는 마그마굄으로 무너져 내릴 수 있다. 마그마굄의 크기가 크게 줄어들면 지표면에 칼데라가 형성되기도 한다.[14]
3. 1. 마그마의 냉각과 분화
마그마는 주변 암석보다 밀도가 낮아 아래에서 균열을 통해 지각을 가로질러 상승한다. 마그마가 위로 가는 경로를 찾지 못하면 마그마굄에 고인다. 이러한 굄은 일반적으로 수평[6] 또는 수직[7] 마그마 주입이 연이어 일어나면서 시간이 지남에 따라 형성된다.[4][5] 새로운 마그마의 유입은 기존 결정의 반응[8]과 굄 내부의 압력을 증가시킨다.
체류하는 마그마는 냉각되기 시작하며, 특히 굄의 차가운 벽 근처에서 감람석과 같이 녹는점이 높은 성분들이 용액에서 결정화되어 침강하는 더 밀도가 높은 광물 복합체(누적암)를 형성한다.[9] 냉각되면 새로운 광물 상이 포화되어 암석 유형이 바뀌며 (예: 분별 결정 작용), 일반적으로 (1) 반려암, 섬록암, 토날라이트 및 화강암 또는 (2) 반려암, 섬록암, 사이나이트 및 화강암이 형성된다. 마그마가 굄에 오랫동안 머물면 낮은 밀도 성분이 위로 올라가고 더 밀도가 높은 물질이 침강하면서 층상화될 수 있다. 암석은 층을 이루며 축적되어 층상 관입암을 형성한다.[10] 이후의 분출은 뚜렷한 층상 퇴적물을 생성할 수 있는데, 서기 79년 베수비오산 분출의 퇴적물에는 마그마굄의 상부에서 나온 흰색 부석 층과 굄의 하부에서 나중에 분출된 물질로 생성된 회색 부석 층이 포함되어 있는 것이 그 예이다.
굄 냉각의 또 다른 효과는 고체화된 결정이 이전에 액체 상태에서 용해되었던 가스 (주로 수증기)를 방출하여 굄 내의 압력을 상승시켜 분출을 일으킬 수 있다는 것이다. 또한, 녹는점이 낮은 성분을 제거하면 마그마가 더 점성이 되는 경향이 있다(규산염의 농도를 증가시킴으로써). 따라서 마그마굄의 층상화는 굄 상단 근처의 마그마 내 가스량의 증가를 초래할 수 있으며,[11] 또한 이 마그마를 더 점성이 있게 만들어 굄이 층상화되지 않은 경우보다 더 폭발적인 분출을 일으킬 수 있다.
마그마굄 내부의 마그마는 주변 암석에 열을 빼앗겨 서서히 식어간다. 그 과정에서 휘발 성분의 분리나 결정되기 쉬운 성분의 결정화·침적 등, 결정 분화 작용이 일어난다. 그 결과, 마그마굄의 상부와 하부에서는 성분이 꽤 다른 경우가 있다. 한 번의 분화에서 처음에 분출한 물질(마그마굄의 상부)과 마지막에 나온 물질(마그마굄의 하부)의 성분이 크게 다른 경우가 있는데, 이는 마그마굄 내 성분 차이를 나타내는 것으로 생각된다. 예를 들어, 1707년에 발생한 후지산의 호에이 대분화에서는 격렬한 분화가 4일간 이어져 대량의 화산재가 에도에도 쌓였지만, 그 화산재의 성분이 도중에 크게 변화했다. 처음에는 실리카를 많이 포함한 희끄무레한 데이사이트질이었지만, 수 시간 후에는 검은 현무암질로 바뀌었다. 분화 전의 후지산 마그마굄 상부는 비중이 큰 성분이 결정화·침적된 잔여 액체였기 때문에, 데이사이트질이 되었다고 추정된다.
분화가 일어나지 않는 경우, 침전된 마그마는 차츰 냉각되어 심성암이 된다. 그 과정에서 냉각됨에 따라, 수증기가 고압 때문에 냉각되지 않은 마그마 내부에 방출된다. 이 압력 변화에 의해서도 마그마는 상승한다. 게다가 마그마의 융점을 낮추고, 점성을 높이는 경우도 있다. 이 현상은 분화의 규모를 크게 할 수 있다.
3. 2. 초거대 화산 분출
슈퍼화산 분출은 지각의 비교적 얕은 수준에서 매우 큰 마그마굄이 형성될 때만 가능하다. 그러나 슈퍼화산을 생성하는 지구조 환경에서 마그마 생성 속도는 연간 약 0.002km3로 매우 낮으므로, 슈퍼 분출에 충분한 마그마가 축적되기까지 105~106년이 걸린다. 이로 인해 부력이 있는 규장질 마그마가 비교적 작은 분출에서 표면으로 더 자주 뚫고 나오지 않는 이유에 대한 의문이 제기된다. 굄 천장에 도달할 수 있는 최대 과압을 낮추는 지역적 확장과 따뜻한 벽을 가진 큰 마그마굄, 즉 효과적인 점탄성이 높은 굄이 결합되어 유문암 맥 형성을 억제하고 이러한 큰 굄이 마그마로 채워질 수 있게 할 수 있다.[12]
마그마 저장고에서 마그마가 상승하여 분화를 일으키는 방아쇠는 여러 종류가 있다고 생각되며, 주요 메커니즘은 다음과 같다.
4. 분출 메커니즘
마그마 저장고에서 마그마가 상승하여 분화를 일으키는 방아쇠는 여러 종류가 있다고 생각되며, 주요 메커니즘은 다음과 같다.
- 심부에서 마그마가 공급되어 흘러넘침
- 판이 밀치는 힘 등에 의해 밀려 나옴
- 마그마 저장고 전체가 감압되어 마그마에 녹아 있던 가스 성분이 급격히 발포(기화)하여 폭발적으로 상승한다. 때로는 지각을 날려 버릴 정도의 초거대 분화가 일어나 지구 규모의 기후 변동을 동반하는 경우가 있는데, 이를 파국 분화라고 부른다. 감압의 이유는 다음과 같다.
- 마그마가 냉각되어 일부가 결정화되어 부피가 줄어듦
- 지각 변동에 의해 마그마 저장고의 압력과 등항하던 지압이 사라짐
- 마그마 저장고의 이동으로 지각의 구조적으로 약한 부분에 도달하여 마그마 저장고의 압력이 해소됨
마그마는 화산암으로 분화에 의해 방출되지만, 이때 심성암이 되지 못한 것은 반심성암으로서 암맥이나 암상 형태로 남는다. 또한 화산에 따라 결정 분화 작용의 진전이 다르기 때문에 분출물의 내용도 각각 다르다. 화산암으로 방출되지 않은 마그마는 장시간 냉각을 거쳐 결정화되어 심성암으로서 화강암이나 반려암 등의 형태로 나타난다.
분화 시 대량의 마그마를 방출함으로써 마그마 저장고가 빈 상태가 되는 경우도 있다. 이때 산체를 형성하는 암석은 그 공간으로 붕괴하여 산사태를 일으키기도 한다. 그 현저한 예가 칼데라이다.
5. 분출 후
마그마는 화산암으로 분화하여 방출되지만, 심성암이 되지 못한 것은 반심성암으로서 암맥이나 암상 형태로 남는다. 화산에 따라 결정 분화 작용의 진행 정도가 다르기 때문에 분출물의 내용도 각각 다르다. 화산암으로 방출되지 않은 마그마는 장시간 냉각을 거쳐 결정화되어 심성암으로서 화강암이나 반려암 등의 형태로 나타난다.
분화 시 대량의 마그마를 방출하면 마그마굄이 비워지기도 한다. 이때 산체를 형성하는 암석이 그 공간으로 붕괴하여 산사태를 일으키기도 하는데, 그 대표적인 예가 칼데라이다.
5. 1. 스리흐누카기구르 화산
아이슬란드에서는 1974년 동굴 탐험가 아르니 B. 스테판손이 스리흐누카기구르를 발견했고, 2012년부터 관광객에게 공개되었다. 이곳은 관광객이 엘리베이터를 타고 마그마 방으로 안전하게 내려갈 수 있는 세계 유일의 화산이다.[15] 스리흐누카기구르 화산에서는 지하 120m에 존재하는 마그마 웅덩이에 실제로 들어가 관광하는 것도 가능하다.[19]6. 한국의 화산과 마그마굄
한국의 화산과 관련된 마그마굄은 아직 명확하게 밝혀진 바가 적다. 현재까지 발견된 마그마굄은 지표에서 1km ~ 10km 정도의 깊이에 존재한다.[1] 지구 과학적으로 보면, 지표로부터 10km는 매우 얕은 깊이이며, 더 깊은 곳에도 마그마굄이 존재할 가능성이 있다.[1] 하지만 마그마굄이 큰 구멍 형태인지, 아니면 미세한 균열에 마그마가 들어간 형태인지는 아직 알려져 있지 않다.[1] 마그마굄의 크기는 몇 km 정도로 추정된다.[1]
참조
[1]
서적
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Cambridge University Press
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[2]
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https://doi.org/10.1[...]
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Are plutons assembled over millions of years by amalgamation from small magma chambers?
[5]
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[6]
간행물
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[7]
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[9]
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2014-08-01
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2003-07-01
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How volcanoes work: a 25 year perspective
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https://doi.org/10.1[...]
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[15]
웹사이트
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http://www.cnn.com/2[...]
2014-03-13
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문서
『学術用語集 地学編』の表記は「マグマだまり」、『地質学用語集』の表記は「マグマ溜まり」。
[17]
서적
学術用語集 地学編
[18]
서적
地質学用語集
[19]
문서
2012年から、年数回のツアーが開催されている
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