한인니문화연구원 57회 열린강좌

지구의 뜨거운 숨결과 맥박: 화산과 지진 이야기

한인니문화연구원(원장 사공경)은 지난 1월 19일 10시부터 57회 열린강좌를 진행했다. 서울대 이인성교수를 초청해 ‘지구의 뜨거운 숨결과 맥박’이라는 제목으로 화산과 지진에 대한 강의가 있었다. 참석자들의 깊이 있는 질문에서 알 수 있듯이 많은 분들이 화산과 지진에 관심이 많은 것을 알 수 있었다. 이인성교수는 100장 정도의 PPT로 성실하게 강의를 했다. 시간관계 상 다루지 못한 <숨어 있는 지구의 보고: 마그마 활동과 연관되어 인류 문명의 기초가 되는 소중한 광물자원의 생성>에 관한 내용도 함께 싣고자 한다.

강의 내용 요약문은 아래와 같다.

지구상에는 많은 화산(Volcano)들이 존재한다. 베수비오 화산과 같이 폭발적인 재해를 가져오기도 하고 하와이의 화산들처럼 붉은 용암이 바다로 흘러드는 장관을 연출하기도 한다. 인도네시아는 2017년 11월 발리의 아궁화산이 폭발한 적이 있고, 2018년 9월에는 중부 술라웨시에서 지진과 수나미(Tsunami)가 발생하였으며, 최근 2018년 12월에는 순다해협 양측 해안에서 수나미가 발생하는 등 세계 어느 곳보다도 자연 재해의 영향이 큰 곳이다.

마그마(Magma)는 지구 표면 아래에 존재하는 용융된 암석을 칭하는데 이러한 마그마가 지표면으로 분출된 것을 용암(Lava)라고 한다. 화산은 이러한 마그마가 지표면으로 분출된 것이며 마그마는 지하 50-250 Km 깊이에서 유래된 것이다. 마그마의 점성(viscosity)이 높을수록 더 강력한 화산 폭발이 일어난다. 화산의 폭발 정도는 마그마 온도, 마그마 조성, 포함된 가스의 양에 의존한다. 마그마 내 규소 성분이 높을수록, 점성이 높을수록, 가스함유량이 많을수록 더 폭발적인 경향을 보인다. 마그마 점성에 영향을 주는 요인은 마그마온도, 마그마 내 실리카(SiO2)의 양, 마그마 내 광물 결정(Crystal)의 양이다. 마그마는 현무암질(Basaltic), 안산암질(Andesitic), 유문암질(Rhyolitic) 마그마로 분류될 수 있으며 현무암질 마그마는 고철질 성분이 풍부하고 온도는 1000-1200℃로 낮은 점성을 가지며 굳으면 현무암이 된다. 안산암질 마그마는 그 조성과 점성에서 염기성과 규장질 마그마의 중간 정도 값을 보이며 굳으면 안산암이 된다. 유문암질 마그마는 규장질 성분을 가지며 온도는 800-1200℃로 높은 점성을 가지며 굳으면 유문암이 된다. 용암은 파호에호에, 아아, 베게용암, 블록용암 등으로 분류된다. ‘파호에호에’ 용암은 점성이 낮은 현무암질 용암으로 매끄럽고 끈적끈적한 느낌의 표면을 형성한다. ‘아아’ 용암은 점성이 높은 현무암질 용암으로 날카롭고 뾰족한 모서리 있는 표면을 가지고 있다. 베게 용암은 수면 하에서 분출되어 통통한 베게 모양을 갖는 것이 특징이다. 블록 용암은 안산암질 성분을 갖고 있고 ‘아아’ 용암보다 점성이 높으며 훨씬 규소 성분이 높고 층상화산(Stratovolcano)에서 흔히 관찰된다. 화산쇄설물(Pyroclastics) 화산 폭발 시 대기 중으로 분출되어 나온 물질들로 입자크기에 따라 화산재, 라필리, 화산탄으로 구분된다. 화산쇄설물이 고화되면 응회암(volcanic tuff)을 형성한다. 현무암질 용암은 비교적 완곡한 분출 경향을 보이며 유문암질-안산암질 용암은 격렬한 분출 성향을 보인다. 화산의 유형은 층상화산(Stratovolcano; 복합화산:composite volcano), 순상화산(Shield volcano)로 나눌 수 있는데 순상화산은 분출이 격렬하지 않아서 수차례 분출하는 경향이 있으며 완만한 경사면을 이루는 것이 특징이다. 하와이의 ‘마우나로아’가 순상화산에 속한다. 층상화산은 흘러내리는 용암과 폭발에 의한 화산쇄설물들이 교대로 쌓이는 형태를 보이며 순상화산의 경우보다 실리카 성분이 높고 경사면도 가파르게 생성된다. 일본의 ‘후지산’이나 미국의 ‘세인트헬레나’ 화산이 이에 속한다.

판구조론(Plate Tectonics)은 오랜 세월동안 축적된 과학적인 증거들(화석, 고지자기역전 기록, 극자기 이동, 해저지형, 해양지각연령, 해저확장 등)을 바탕으로 오랜 지구 역사상 일어난 지각권의 이동 과정과 메커니즘, 판운동과 관련된 여러 가지 지질현상들을 설명하고 있다. 이 이론에 의하면 지각은 20개 정도의 크고 작은 판으로 이루어져 있으며(7개의 주요 지판) 연약권위에 놓인 지각권 판이 지속적으로 움직이고 있다는 것이다. 대부분의 판은 연간 약 15-100 mm 정도 이동하며 조금 빠르게 이동하는 Nazca Plate 경우에는 연간 약 150 mm 정도 이동하고 있다. 이들 판들의 경계는 발산경계, 수렴경계, 변환단층경계로 나눌 수 있으며 지표면에 나타나는 화산활동과 지진의 발생 등을 이러한 판의 이동과 관련하여 설명할 수 있다. 수렴경계의 예로는 일본열도, 안데스산맥, 히말라야 산맥들을 들 수 있으며, 캘리포니아의 산안드레아스 단층대는 변환단층의 대표적인 예이다. 발산경계로는 중앙해령을 들 수 있다. 90% 이상의 화산활동은 판 경계부에서 발생하였고 나머지 10%는 열점(Hot spot)에서 발생하였다. 80% 이상의 마그마 분출은 해양의 확장부(발산경계: 중앙해령)에서 발생하였고, 섭입대에서는 대략 7-13%의 마그마만 분출되었다. 열극분출(Fissure eruption)은 발산경계의 대표적인 분출 양상이며 열점 화산작용도 해저나 육지에서 활발하게 일어나고 있으며 아이슬란드가 열극분출의 한 예가 될 수 있으며, 열점분출의 잘 알려진 예로는 하와이 열도를 들 수 있다. 열점은 맨틀 플룸의 형태로 상승하게 되는데 용암대지나 범람현무암도 이러한 맨틀 플룸이 분출된 예이다. 지구상 생물의 멸종과 범람현무암 분출 사이의 관계에 대하여 연구가 진행되어 오고 있다. 지난 4억년간 속의 20% 이상이 사라진 12번의 멸종이 있었고 이 중 4회는 40%이상의 대량 멸종에 해당된다. 그리고 지난 4억년간 상당량의 범람현무암이 분출한 12번의 시기가 존재하고 이 중 4회는 대륙의 상당 부분을 피복할 만한 대규모 분출이었다.

지구의 곳곳에서 일어나는 지진활동은 화산이 많은 곳에서 일어나기도 하지만 그렇지 않은 곳에서도 빈번히 일어날 수 있다. 1755년 포르투갈의 리스본에서 일어난 리히터 규모 9의 지진은 엄청난 피해를 가져온 역사적 사건이었다. 지진은 에너지의 단시간적인 방출에 의하여 야기되는 지구의 진동이다. 에너지는 진원(Focus)으로부터 모든 방향으로 방사되는 파동이며 세계적으로 지속적으로 모니터링 되고 있다. 지진은 보통 지각에 존재하는 단층대와 관련되어 있으며 이러한 단층을 따라 일어나는 움직임은 판구조론에 의하여 적절히 설명될 수 있다. 판경계부(중앙해령지역, 변환 단층지역, 해구와 판의 섭입지역)를 따라 일어나는 지진의 또 다른 원인으로는 핵실험, 건물의 붕괴 등을 들 수 있으며 단층대의 양쪽부분이 지구조적인 힘에 의하여 변형되면서 지각의 가장 약한 부분에서 미끄러지면서 시작된다. 1906년 일어난 샌프란시스코 대지진은 대표적인 예이다. 지진파에는 P파, S파, 표면파가 있으며 이들 전파 속도의 차이를 이용하여 진앙의 위치와 지구의 내부 구조를 연구하는 것이 가능하다. 대부분의 지진은 판 경계부에서 일어난다. 지진의 강도를 나타내는데 사용되는 단위는 메르칼리 스케일, 리히터 스케일, 모멘트 스케일 등이 있으며 대부분의 강하고 치명적인 지진은 수렴 경계를 따라 일어나는 경우가 많다. 그러나 판경계부가 아닌 판 내부에서 일어나는 경우도 있는데 1811-1812년에 일어난 ‘뉴마드리드지진‘이나 1886년 일어난 ‘찰스톤지진’이 그 좋은 예이다. 진도에 영향을 주는 요인 중에는 부지효과(amplified by top soil layer)를 들 수 있다. 1985에 일어난 진도 8.0의 멕시코 지진이 부지효과를 잘 보여주고 있다. 지진과 관련된 액상화(Liquefaction) 작용에 의하여 건축물들이 심각한 피해를 입을 수도 있다. 해저에 위치한 단층에서의 수직적인 지반 이동이나 지진에 의하여 야기된 산사태에 의하여 수나미(Tsunami: 지진해일)가 발생할 수 있으며 해안지역에서는 이러한 수나미에 의하여 치명적인 피해들이 일어나고 있다. 과학자들은 여러 가지 방법(매질의 P파 속도변화; 지반의 상하변위; 라돈가스 방출 측적; 전기비저항 측정; 작은 지진의 발생횟수변화 모니터링)들을 사용하여 지진을 예보하는 노력을 진행하고 있으나 정확한 단기 예보에는 늘 어려움이 따르고 있다.

지구상에는 인류 문명의 기초가 되는 소중한 광물 및 에너지 자원들이 소장되어 있다. 이 중 광물자원들은 화성활동과 관련되어 광물들이 생성되어 질 수 있는데 화성활동과 직접 연관되어 생성되는 마그마광상이나 열수작용에 의하여 운반, 농집되어진 열수광상들을 예로 들 수 있다. 인간의 문명이 석기-청동기-철기 시대로 발전하면서 현대 사회는 점점 더 많은 비금속광물들을 활용하고 있다. 최근 많이 사용되는 재료들(세라믹, 플라스틱, 종이, 페인트 등)에는 과거 어느 때 보다도 많은 양의 비금속 광물들이 사용되고 있어 인류문명의 철기시대 다음 단계를 세라믹-플라스틱의 시대라고 표현할 수 있겠다. 금(Gold)의 수요는 산업용 수요가 아닌 당시의 유행과 정서에 좌우되는 경향이 있는데 올해 초 금 1돈(3.75gr)의 한국 내 시세는 18만 원 정도이다. 마그마의 분별정출작용에 의하여 농집되어지는 광상들에는 크롬, 철, 백금, 바나듐, 티타늄 등이 있으며, 페그마타이트 광상에서는 리튬, 베릴륨, 세슘, 니오븀 등이 주요 채광 원소가 되고 있다. 마그마와 연관되어 유용 광물성분을 농집시키는 열수광상은 마그마내에 용해되어 있던 물이나 지각내 깊이 순환하는 강수 혹은 해수로부터 형성된다. 북미와 남미 태평양 해안을 따라 형성된 대규모 구리(-금) 광상들은 판의 수렴경계면을 따라 섭입하는 해양지각이 함수용융작용을 받아 생성된 마그마로부터 공급된 열수용액에 의하여 형성되었다. 주요 광상들의 밀집 부존 지역들은 생성당시 기후환경이나 판구조운동의 결과 만들어진 결과들이다(예: 보오크사이트광상, 반암동광상, 마그마광상, 열수광상, 층준규제형광상). 지구상에 유용광물이 풍부하게 부존된 것은 골디락스 문제 (Goldilocks Problems)와 무관하지 않다. 인간의 문명발달을 가져온 금속광물의 풍부한 농집 과정에는 물이 세 가지 상태(고체-액체-기체)로 존재할 수 있도록 지구 표면 온도가 유지되는 것도 매우 중요한 요인으로 작용하였다.

강연을 해 주신 서울대학교 지구환경과학부 이인성교수(1997-현재)는 동대학교 지질환경연구소 소장과 지질박물관장을 역임하고 있다. 앞으로 1년에 네 차례 인도네시아를 방문하여 지구환경과 인도네시아 지질에 대해 연구할 예정이다.