화산학
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1. 개요
화산학은 화산과 관련된 현상을 연구하는 학문 분야이다. 화산 폭발의 역사, 고대와 중세 시대의 화산에 대한 인식, 르네상스 시대의 화산 연구, 근대 및 현대의 화산학 발전 과정을 다룬다. 현대 화산학은 지진 관측, 지표 변형 관측, 화산 가스 분석 등 다양한 기술을 활용하여 화산 활동을 감시하고 예측하며, 화산학자들은 화산 분화 메커니즘 연구, 화산 활동 감시, 폭발 예측을 수행한다. 또한 화산은 종교와 신화와도 연관되어, 여러 문화권에서 화산 폭발을 설명하기 위해 초자연적인 힘이나 신성한 존재를 믿는 전설이 존재한다.
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| 화산학 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 개요 | |
| 분야 | 지구과학의 한 분야 |
| 연구 대상 | 화산 마그마 화산 활동 |
| 관련 학문 | 지질학 지구물리학 지구화학 |
| 연구 내용 | |
| 화산 활동 과정 | 마그마 생성, 이동, 분출 과정 연구 |
| 화산재해 예측 | 화산 폭발 예측, 화산재 확산 모델링 |
| 지구 내부 연구 | 화산 활동을 통한 지구 내부 구조, 성분 연구 |
| 화산 지형 연구 | 화산 지형 형성 과정 및 특징 분석 |
| 화산 가스 연구 | 화산 가스 성분 분석 및 환경 영향 평가 |
| 화산과 기후 변화 | 화산 활동과 지구 기후 변화와의 관계 연구 |
| 주요 연구 방법 | |
| 현장 조사 | 화산 지형 조사, 화산재 분석, 가스 채취 |
| 원격 탐사 | 위성 영상, 항공 사진 분석 |
| 지구물리학적 방법 | 지진파 분석, 중력 측정, 전자기파 측정 |
| 지구화학적 방법 | 암석, 광물, 가스 성분 분석 |
| 수치 모델링 | 화산 활동 시뮬레이션 |
| 관련 직업 | |
| 화산학자 | 화산 연구, 화산재해 예측, 관련 연구 기관 및 교육 기관 종사 |
| 화산 관측 전문가 | 화산 관측소 근무, 화산 활동 모니터링 |
| 화산 지질학자 | 화산 지질 조사, 지도 제작 |
| 화산재해 전문가 | 화산재해 위험 평가, 대응 계획 수립 |
| 화산 관련 교육자 | 대학, 연구소, 학교에서 화산학 강의 |
| 추가 정보 | |
| 연구 분야 | 화산 기원 연구 마그마 성분 연구 화산 활동 예측 지진 연구 화산 가스 연구 화산 활동이 기후 변화에 미치는 영향 화산 지형 연구 화산 관련 재해 연구 고대 화산 활동 연구 |
2. 역사
화산학은 오랜 역사를 가지고 있으며, 가장 오래된 화산 폭발 기록은 기원전 약 7000년경 터키 아나톨리아의 차탈회유크 신석기 유적지에서 발견된 벽화이다.[15] 이 벽화는 쌍봉 화산이 폭발하고 그 기슭에 마을이 있는 모습으로 해석되어 왔지만, 최근 고고학자들은 이 해석에 의문을 제기하고 있다.[16] 이 화산은 하산다 또는 그보다 작은 이웃 멜렌디즈다(Melendiz Dağ)일 가능성이 있다.[17]
79년에는 이탈리아 베수비오 화산이 분화하여 폼페이 시가지를 매몰시켰다. 가이우스 플리니우스 세쿤두스와 가이우스 플리니우스 카에킬리우스 세쿤두스가 이 분화 상황을 조사하여 기록으로 남겼다.
1919년 국제화산학회(International Association of Volcanology, 약칭 IAV)가 발족했고, 이후 국제측지학 및 지구물리학 연맹의 분과회인 국제화산 및 지구내부화학협회가 되었다. 1932년에는 일본화산학회가 발족했다. 1943년에는 미마츠 마사오가 쇼와신잔 탄생을 기록한 미마츠 다이어그램을 그렸는데, 이는 세계 유일의 화산 탄생 기록이다.
1979년에는 목성의 제1위성 이오에서 활화산이 발견되었고, 1980년에는 미국 세인트헬렌스 산이 분화하여 대규모 산체 붕괴가 발생, 화산학자 데이비드 존스턴을 포함한 57명의 목숨을 앗아갔다.
2. 1. 고대와 중세
엠페도클레스(기원전 490-430년경)는 세상이 흙, 공기, 불, 물의 네 가지 원소로 구성되었다고 보았으며, 화산은 이 중 불 원소가 발현된 것이라고 주장했다.[18] 13세기 도미니크 수도회 학자 레스토로 다레초는 엠페도클레스의 견해를 바탕으로 지구 중심부가 용융 상태이며, 화산 폭발은 용융된 암석이 지표면으로 상승하는 과정이라고 설명했다.[20]2. 2. 르네상스 시대
게오르기우스 아그리콜라는 태양 광선이 화산과 아무런 관련이 없다고 주장했으며, 압력을 받는 증기가 '산유'와 현무암의 분출을 일으킨다고 믿었다.[21] 요하네스 케플러는 화산을 지구의 눈물과 배설물을 배출하는 통로로 보았고, 데카르트는 화산이 태양 광선이 지구를 뚫고 들어간 곳에 형성되었다고 말했다.[22]베수비오 산, 스트롬볼리, 불카노와 같은 남부 이탈리아의 화산들은 르네상스 이후 자연주의자들의 관심을 끌었다.[23] 이 화산들 근처에 살았던 이탈리아 자연철학자들은 화산 현상에 대한 연구를 진행했다. 조반니 알폰소 보렐리의 1669년 에트나 산 분화 기록과 프란체스코 세라오의 1737년 베수비오 산 분화 기록 등이 주요 자료로 활용되었다.[23]
아타나시우스 키르허는 에트나 산과 스트롬볼리의 분화를 목격한 후 베수비오 산의 분화구를 방문하여, 화산이 지구 내부의 불과 연결되어 있으며 일종의 안전밸브 역할을 한다고 주장했다.[24]
2. 3. 근대
1841년, 시칠리아 왕국에 최초의 화산 관측소인 베수비오 산 관측소가 설립되었다.[1] 화산학은 지질학, 판구조론, 물리학, 화학, 수학 등 여러 분야의 지식을 통합해야 하는 학문으로, 다른 과학 분야의 발전이 이루어진 후에야 비로소 발전할 수 있었다. 예를 들어, 1896년에 방사능에 대한 연구가 시작되었고,[2] 판구조론과 방사성 동위원소 연대 측정 이론은 그로부터 약 50년 후에 적용되었다. 1841년 이후 유체 역학, 실험 물리학 및 화학, 수학적 모델링 기법, 계측 등 다른 과학 분야의 발전이 화산학에 적용되었다.2. 4. 현대
1841년, 최초의 화산 관측소인 베수비오 산 관측소가 시칠리아 왕국에 설립되었다.[1] 화산학 발전에는 단순한 체계적인 관측 이상의 것이 필요했는데, 이 과학은 지질학, 판구조론, 물리학, 화학, 수학을 포함한 많은 분야의 지식을 이해하고 통합해야 했으며, 많은 발전은 다른 과학 분야에서 발전이 이루어진 후에야 가능했다. 예를 들어, 방사능에 대한 연구는 1896년에 시작되었으며,[2] 판구조론과 방사성 동위원소 연대 측정 이론 적용은 이후 약 50년이 걸렸다. 1841년 이후로 유체 역학, 실험 물리학 및 화학, 수학적 모델링 기법, 계측 및 기타 과학 분야의 많은 발전이 화산학에 적용되었다.
3. 현대 화산학
현대 화산학은 지질학, 판구조론, 물리학, 화학, 수학 등 다양한 분야의 지식을 통합하여 화산과 그에 따른 지질 현상을 연구하는 학문 분야이다. 1841년 최초의 화산 관측소인 베수비오 산 관측소가 시칠리아 왕국에 설립된 이후,[1] 유체 역학, 실험 물리학 및 화학, 수학적 모델링 기법, 계측 등 여러 과학 분야의 발전이 화산학에 적용되었다. 특히, 1896년 방사능 연구 시작[2]과 이후 판구조론과 방사성 동위원소 연대 측정 이론의 적용은 화산학 발전에 큰 영향을 미쳤다.
화산학은 지층학, 암석학, 지형학, 연대학 등의 지질학적 방법, 지진학, 지자기학 등의 지구물리학적 방법, 화산 가스 등의 지구화학적 방법 등 다양한 연구 방법을 활용한다. 또한, 수문학이나 역사 문헌학적 방법도 활용될 만큼 연구 분야가 매우 넓다.
화산 폭발 예측은 많은 인명을 구할 수 있기에 화산학에서 중요하게 다루는 주제 중 하나이다. 현재, 예측을 위한 정확한 방법은 없지만, 화산성 지진이나 미동, 지반 경사, 공진, 분기, 화영, 소규모 분화 등의 발생 상황과, 최첨단 기술인 뮤온 단층 촬영을 사용하여 마그마의 위치를 조사하고, 그 가능성을 모색하고 있다.
우스산이나 미야케섬과 같이 주기적인 화산 폭발 기록이 있는 화산에서는 폭발 예측이 비교적 용이한 편이다. 지진과는 달리, 화산은 산마다 특징이 다르기 때문에, 우선 화산 현상 관측에 힘쓰고, 그것을 바탕으로 연구를 진행하는 경우가 많다. 화산 관측소에 관측원을 상주시키는 등, 경험적·통계적으로 화산 활동이 논의되는 경우가 많은 반면, 화산 폭발 활동을 논하는 데에는 1950년대에 제창된 "모기 모델"(모기 키요오(茂木清夫))이 현재에도 주로 사용되는 등, 이론적으로는 미성숙한 부분이 많다.
3. 1. 연구 방법
화산학 연구에는 다양한 방법이 사용된다.- 지진 관측: 화산 근처에 설치된 지진계를 사용하여 지진 활동을 관찰한다. 특히 마그마의 움직임을 나타내는 장주기 조화 진동을 찾는다.[3]
- 지표 변형 관측: 수준 측량, 경사 측정, GNSS 관측, InSAR 등 측지 기술을 사용하여 지표면 변화를 감지한다.[4] 마그마가 상승하면 화산 중심부 표면이 팽창한다.
- 화산 가스 분석: 휴대용 자외선 분광계(miniDOAS)나 적외선 분광법(FTIR)을 사용하여 화산 가스의 성분과 양을 분석한다.[3] 가스 조성 변화는 화산 폭발의 전조 현상일 수 있다.
- 원격 탐사: 위성을 이용하여 화산재 기둥 확산,[6] SO2 배출량,[7] 지표 온도 변화 등을 관측한다. 넓은 지역을 쉽게 관찰할 수 있다.
- 지구물리학적 방법: 전기적, 중력, 자기 관측을 통해 화산 아래 구조와 마그마 움직임을 파악한다.[5]
- 층서학적 분석: 화산재와 용암 퇴적물을 분석하여 과거 화산 분출 패턴과 주기를 파악한다.[8]
- 조성 분석: 화산암의 화학 조성을 분석하여 마그마의 기원과 진화 과정을 연구한다.[9]
3. 2. 화산 예측
화산 폭발 예측은 화산학의 중요한 목표 중 하나이다. 단기 예측은 지진, 지표 변형, 화산 가스 등 다양한 관측 데이터를 종합하여 이루어진다. 장기 예측은 과거 화산 활동 기록을 분석하여 화산의 분출 주기와 패턴을 파악하는 방식으로 이루어진다.[13] 1991년 필리핀 피나투보 산 분화 예측은 화산학적 예측 기술의 발전으로 2만 명의 목숨을 구한 대표적인 사례이다.[14]우스산이나 미야케섬 등 주기적인 화산 폭발 기록이 있는 화산에서는 폭발 예측이 비교적 용이한 편이다. 그러나 2015년 사쿠라지마에서는 다이쇼 대분화 이후 최대 규모의 화산 폭발을 예측하고 섬 주민이 대피했지만, 실제 화산 폭발은 일어나지 않았다.
지진의 경우 "플레이트 경계형 지진"과 같이 일괄적으로 논하는 것이 어느 정도 가능하지만, 화산은 산마다 특징이 다르기 때문에 우선 화산 현상 관측에 힘쓰고, 그것을 바탕으로 연구를 진행하는 경우가 많다.
4. 화산학자
화산학자는 화산을 연구하는 과학자로서, 활화산 지역에서 현장 조사를 수행하고, 암석, 화산재, 용암 샘플을 채취하여 분석한다. 화산학자는 조사 중에 갑작스러운 분화가 일어날 수 있기 때문에 가장 위험한 과학 직업 중 하나이다.[1]
4. 1. 화산학자의 역할
화산학자는 화산의 분화를 연구하기 위해 활화산에 들어가 테프라, 암석, 용암 샘플을 채취한다. 화산학자는 연구 도중 갑작스러운 분화가 일어날 수 있어 가장 위험한 과학 직업 중 하나로 꼽힌다.[1]프랑스의 화산학자 카티아와 모리스 클라프트 부부는 일본의 운젠 후겐다케에서 연구하던 중 사망하였다.[1]
4. 2. 위험성
화산학자는 화산의 분화를 조사하기 위해 활발하게 활동하는 화산에 들어가 테프라, 암석, 용암의 샘플을 채취한다. 화산학자는 조사 중에 갑작스러운 분화가 일어날 수 있기 때문에 가장 위험한 과학적 직업 중 하나이다.[1]1991년 일본 운젠 화산 폭발 당시, 프랑스의 저명한 화산학자 부부인 카티아와 모리스 크라프트 부부, 그리고 미국의 화산학자 해리 글리켄이 화산쇄설류에 휩쓸려 사망한 사건은 화산학 연구의 위험성을 보여주는 대표적인 사례이다.[1]
4. 3. 저명한 화산학자
- 플리니우스 장로 (서기 23년–서기 79년)
- 플리니우스 2세 (서기 61년 – 서기 113년경)
- 조지 줄리어스 풀렛 스크로프 (1797년–1876년)
- 주세페 메르칼리 (1850년–1914년)
- 토마스 재거 (1871년–1953년), 하와이 화산 관측소 설립자
- 데이비드 A. 존스턴 (1949년–1980년), 1980년 세인트헬렌스 산 폭발 중 사망
- 카티아와 모리스 크라프트 부부 (각각 1942년–1991년, 1946년–1991년), 1991년 일본의 운젠 산에서 사망
5. 종교 및 신화와의 상호작용
고대 그리스와 초기 로마 제국에서는 화산을 여러 신들의 영역으로 설명했다. 그리스인들은 불의 신인 헤파이스토스가 에트나 산 아래에 앉아 제우스의 무기를 만들고 있다고 생각했다. 화산을 묘사하는 데 사용된 그리스어는 제우스의 아들인 헤라클레스를 따서 '에트나' 또는 '히에라'였다. 로마 시인 베르길리우스는 그리스 신화를 해석하면서 거인 엔켈라두스가 신들에 대한 반란에 대한 벌로 여신 아테나에 의해 에트나 아래에 묻혔다고 주장했다. 산의 울림은 그의 고통스러운 울부짖음이었고, 불꽃은 그의 숨결이었으며, 진동은 감옥 막대에 대한 그의 저항이었다. 엔켈라두스의 형제인 미마스는 헤파이스토스에 의해 베수비오 산 아래에 묻혔고, 다른 패배한 거인들의 피는 베수비오 주변의 플레그레이 평야에 솟아올랐다.[18]
그리스 철학자 엠페도클레스(기원전 490-430년경)는 세상을 흙, 공기, 불, 물의 네 가지 원소로 나누었다고 보았다. 엠페도클레스는 화산이 원소 불의 발현이라고 주장했다. 플라톤은 지하 강을 통해 무한한 양의 뜨겁고 차가운 물이 흐른다고 주장했다. 지구 깊숙한 곳에는 ''피리플레게톤''이라는 거대한 불의 강이 흐르는데, 이것이 전 세계의 화산에 불을 공급한다. 아리스토텔레스는 지하의 불을 "바람이 좁은 통로로 쏟아져 들어갈 때의…마찰"의 결과로 보았다.
기원전 5세기에 아낙사고라스가 화산 폭발이 거대한 바람에 의해 발생한다고 제안한 이후 16세기까지 바람이 화산 설명에서 중요한 역할을 했다.[19] 로마 철학자 루크레티우스는 에트나 산이 완전히 비어 있고 지하의 불이 해수면 근처에서 순환하는 거센 바람에 의해 움직인다고 주장했다. 오비디우스는 불꽃이 "지방질 음식"에서 공급되고 음식이 떨어지면 폭발이 멈춘다고 믿었다. 비트루비우스는 황, 명반, 역청이 지하의 불을 공급한다고 주장했다. 플리니우스 장로는 지진이 화산 폭발에 앞서 발생한다고 관찰했으며, 스타비아이에서 조사하던 중 79년 베수비오 화산 폭발로 사망했다. 그의 조카인 플리니우스 2세는 삼촌이 사망한 화산 폭발에 대한 자세한 묘사를 남겼고, 그의 죽음을 유독 가스의 영향으로 돌렸다. 이러한 폭발은 두 저자를 기리기 위해 플리니식으로 명명되었다.
르네상스 시대에는 베르나르 팔리시, 콘라트 게스너 등 여러 관찰자들이 지구의 본질, 행동, 기원, 역사에 대해 깊은 관심을 보였다. 16세기 후반에서 17세기 중반에 걸쳐 많은 화산 활동 이론들이 제기되었다. 게오르기우스 아그리콜라는 태양 광선이 화산과는 아무런 관련이 없다고 주장했다. 아그리콜라는 압력을 받는 증기가 '산유'와 현무암의 분출을 일으킨다고 믿었다. 요하네스 케플러는 화산을 지구의 눈물과 배설물을 배출하는 통로로 간주하여 역청, 타르, 황을 배출하는 곳으로 보았다.[21] 데카르트는 신이 순식간에 지구를 불의 심연,[22] 물의 층, 그리고 공기의 세 층으로 창조했으며, 화산은 태양 광선이 지구를 뚫고 들어간 곳에 형성되었다고 말했다.
루크레티우스와 스트라보와 같은 저술가들의 고전적인 묘사가 재발견되면서, 남부 이탈리아의 화산들은 르네상스 이후 자연주의자들의 관심을 끌었다. 베수비오 산, 스트롬볼리, 불카노는 화산 현상의 본질을 연구할 수 있는 기회를 제공했다. 이탈리아 자연철학자들은 이 주제에 대한 책들을 저술했다. 조반니 알폰소 보렐리의 1669년 에트나 산 분화에 대한 기록, 줄리오 체사레 레쿠피토의 1631년 베수비오 산 분화에 대한 기록(1632년 및 이후 판본), 프란체스코 세라오의 1737년 베수비오 산 분화에 대한 기록(1737년, 프랑스어와 영어판 출판)은 표준 정보 출처가 되었다.[23]
예수회 사제 아타나시우스 키르허(1602~1680)는 에트나 산과 스트롬볼리의 분화를 목격한 후 베수비오 산의 분화구를 방문하여 황, 역청, 석탄의 연소로 인해 발생한 수많은 다른 불과 연결된 중앙의 불을 가진 지구에 대한 그의 견해를 발표했다. 그는 화산을 일종의 안전밸브로 보았다.[24]
1650년 이후 100년 동안 발표된 수많은 지구 이론에서 화산 현상의 원인이 논의되었다. 이론 저자들은 직접 관찰자는 아니었지만, 다른 사람들의 관찰 결과를 뉴턴, 데카르트, 성경 또는 애니미즘 과학과 결합하여 다양한 시스템을 만들었다. 화산 폭발과 지진은 일반적으로 지구 아래에 있는 큰 열린 동굴의 존재와 관련이 있었는데, 이곳에서 가연성 증기가 쌓이다가 발화될 수 있었다. 토마스 버넷은 지구 자체가 가연성이며 피치, 석탄, 유황은 모두 연소할 준비가 되어 있다고 보았다. 윌리엄 위스턴은 점화가 일어나려면 지하 공기가 필요하다고 했고, 존 우드워드는 물이 필수적이라고 강조했다. 키르허는 동굴과 열원이 깊고 지구 중심으로 향한다고 주장한 반면, 조르주 뷔퐁 등은 이것이 비교적 천박하며 화산의 불은 화산 원추 내부에 위치한다고 믿었다. 토마스 로빈슨을 비롯한 많은 저술가들은 지구가 동물이며, 내부 열, 지진, 분출은 모두 생명의 징후라고 믿었다. 이러한 애니미즘 철학은 17세기 말까지 쇠퇴했지만, 18세기까지도 그 흔적이 남아 있었다.
당시 알려진 화산은 모두 물 근처에 있었기 때문에, 과학은 황철석과 물의 연소, 암석이 고화된 역청이라는 생각, 암석이 물에서 생성된다는 개념(해성론)과 씨름하며 육지에 대한 바다의 작용을 사용하여 화산 작용을 설명했다.
5. 1. 폴리네시아의 화산 신앙
태평양 불의 고리와 아메리카 대륙에서는 화산에 대한 부족 전설이 많으며, 이러한 전설들은 대개 초자연적인 힘이나 신성한 힘을 통해 화산의 격렬한 분출을 설명한다.[25] 마오리 신화에 따르면 타라나키와 통가리로는 피항가를 사랑한 연인이었고, 질투심에 찬 싸움을 벌였다고 한다. 일부 마오리족은 오늘날까지도 통가리로와 타라나키 사이의 직선상에 거주하지 않는데, 이는 분쟁이 다시 일어날까 두려워하기 때문이다.[26]
하와이 신화에서 펠레는 화산의 여신이자 인기 있는 인물이다.[27] 펠레의 머리카락, 펠레의 눈물, 리무 오 펠레(Pele's seaweed)와 같이 다양한 과학 용어에 펠레가 사용되었다. 목성의 위성인 이오에 있는 화산에도 펠레라는 이름이 붙어 있다.[28]
5. 2. 기독교 성인과 화산
성 아가타는 에트나 산 근처 카타니아의 수호 성인이며, 초기 기독교 시대부터 매우 존경받는 순교 성녀이다.[30] 253년 그녀가 잔혹하게 죽은 지 1년 후, 에트나 산의 분화가 그녀의 중재 덕분에 멈춘 것으로 여겨졌다.[31] 그러나 1169년 에트나 산 분화로 카타니아는 거의 완전히 파괴되었고, 15,000명 이상의 주민이 사망했다. 그럼에도 불구하고 성 아가타는 1669년 에트나 산 분화와 1886년 니콜로시(Nicolosi) 마을을 위협했던 분화 때 다시 소환되었다.[31] 이탈리아 민속 종교에서 성인에게 기도할 때 사용되는 방식은 제임스 프레이저가 언급한 이전의 이교도적 신념 및 관행과 관련이 있는 것으로 보인다.[32]1660년 베수비오 산 분화는 근처 마을에 쌍정된 휘석 결정과 화산재를 쏟아냈다. 이 결정들은 십자가 모양과 비슷했고, 성 야누아리우스의 업적으로 해석되었다. 나폴리에서는 베수비오 산의 주요 분화 때마다 성 야누아리우스의 유물을 도시를 통해 행진한다. 이러한 행렬의 기록과 1779년과 1794년 아톤시오 피아지오(Antonio Piaggio) 신부의 일기는 영국 외교관이자 아마추어 자연주의자였던 윌리엄 해밀턴 경이 베수비오 산 분화에 대한 자세한 연대기와 설명을 제공할 수 있도록 했다.[33]
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火山学とは何か
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