Imaging shallow magma storage and fluid pathways beneath Aso volcano using ambient-noise tomography
연구진은 임시 지진계 네트워크를 이용한 배경 잡음 토모그래피(ambient-noise tomography)를 통해 아소산 나카다케 분화구 아래의 얕고 가압된 마그마 저장 구역과 그 상부의 열수 통로를 영상화하였으며, 이를 통해 이러한 구조들이 어떻게 유체 이동을 촉진하고 화산성 미동을 생성하는지 밝혀냈다.
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지각을 단단하고 변하지 않는 암석이 아니라, 거대하게 부글거리는 압력솥이라고 상상해 보십시오. 지하 깊은 곳에서는 용암(마그마)과 매우 뜨거운 유체들이 끊임없이 움직이며 지표면으로 나갈 길을 찾고 있습니다. 때때로 이들은 숨겨진 주머니 속에 갇혀, 마치 주전자의 증기처럼 압력을 쌓아갑ates. 만약 이 압력이 너무 높아지면 "주전자"가 터질 수 있으며, 이는 화산 분출로 이어집니다. 과학자들은 이 압력솥 내부가 어떻게 작동하는지 이해하기 위해 오랫동안 그 안을 들여다보고 싶어 했지만, 지구는 불투명합니다. 우리는 화산을 X-레이로 찍을 수 없습니다. 대신, 그들은 "주변 소음 토모그래피(ambient-noise tomography)"라는 영리한 기술을 사용합니다. 이것은 마치 교통 소음이나 바람 같은 지속적이고 낮은 웅성거림의 메아리가 벽에 부딪혀 돌아오는 소리를 듣고 방의 모양을 파악하려는 것과 같습니다. 화산 주변에 많은 마이크(지진계)를 배치하고 지면을 통해 전달되는 자연적인 진동을 경청함으로써, 과학자들은 어디의 암석이 단단하고 어디가 부드럽거나 균열이 있는지, 혹은 유체로 채워져 있는지를 지도화할 수 있습니다. 이것이 중요한 이유는 만약 우리가 화산의 "배관 구조"를 지도화할 수 있다면, 화산이 언제 폭발할지 예측하여 잠재적으로 인명과 재산을 구할 수 있기 때문입니다.
이제 시선을 일본의 가장 큰 활발한 칼데라 화산 중 하나인 아소산으로 돌려봅시다. 이곳은 초거대 분출의 역사를 가진 거대한 시스템이지만, 최근에는 나카다케라고 불리는 더 작은 중앙 화구에 활동이 집중되어 있습니다. 수년 동안 과학자들은 지하에서 무언가 이상한 일이 일어나고 있다는 것을 알고 있었지만, 그 지도는 흐릿했습니다. 이 연구에서 연구진은 훨씬 더 선명한 그림을 얻기로 결정했습니다. 그들은 화산 주변에 40개의 지진계를 임시 네트워크로 설치하고 약 35일 동안 지구의 자연스러운 웅성거림에 귀를 기울였습니다. 지면을 하나의 거대한 악기처럼 다루는 방법을 사용하여, 그들은 약 5km 깊이까지의 S파 속도(전단파가 암석을 통과하는 속도)에 대한 고해상도 3D 지도를 제작했습니다.
그들이 발견한 것은 화산 주방의 비밀스러운 건축 구조를 발견한 것과 같습니다. 첫째, 그들은 나카다케 화구 아래 2.5~4.5km 지점에 위치한 매우 부드러운 암석으로 이루어진 뚜렷한 달걀 모양의 "덩어리(blob)"를 포착했습니다. 이 구역에서는 암석의 이동 속도가 매우 느려(약 1.5km/s), 이는 암석이 단순히 고체 상태가 아니라, 고도로 균열이 가 있고 압력이 가해진 상태임을 시사하며, 아마도 화산 유체와 가스의 혼합물을 머금고 있을 것입니다. 저자들은 이것을 얕은 마그마 저장 구역이라고 제안합니다. 이것은 거대하고 열린 용암 웅덩이가 아니라, 뜨거운 유체를 흡수하고 있는 균열된 암석으로 만들어진 스펀지와 같습니다. 암석이 매우 갈라지고 압력을 받고 있기 때문에 쉽게 팽창하거나 수축할 수 있으며, 이는 왜 지표면이 때때로 부풀어 오르거나 꺼지는지를 설명해 줍니다.
이 "스펀지" 위쪽에서 연구팀은 지표면을 향해 뻗어 있는 좁고 수직적인 터널 형태의 구조물을 발견했습니다. 이것은 유체 통로, 즉 압력을 받은 유체를 저장 구역에서 화구로 전달하는 파이프처럼 보입니다. 이곳의 암석 역시 매우 느리게 움직이며, 이는 열린 균열로 가득 차 있음을 시사합니다. 이곳은 아마도 가스가 좁은 파이프를 통해 솟구쳐 올라오면서 발생하는 "초장주기(very long-period)" 진동(저주파의 떨림 종류)이 생성되는 곳일 것입니다. 마지막으로, 화구 바로 아래의 암석은 가장 부드러우며, 속도가 약 1km/s까지 떨어집니다. 이 최상층은 격렬하게 변질된 암석과 조밀한 균열 네트워크로 이루어진 구역으로 해석되며, 아마도 산성도가 높은 뜨거운 물로 채워져 있을 것입니다.
또한 논문은 유체가 상승하면서 일어나는 흥미로운 이야기를 제시합니다. 깊은 곳에서 유체는 아마도 "초임계(supercritical)" 상태, 즉 액체도 아니고 기체도 아닌 묘하고 밀도가 높은 단계에 있을 것입니다. 이들이 얕은 저장 구역으로 상승함에 따라 압력이 낮아지면, 갑자기 가스로 변할 수 있습니다. 이러한 상변화는 엄청난 부피 팽창을 일으키며, 이는 균열된 암석 저장 구역의 압력을 높이고 가스를 좁은 통로를 통해 밀어 올립니다. 이 과정이 현재 화산 활동을 주도하는 엔진인 것으로 보입니다.
흥arly하게도, 이 연구는 더 넓은 지역을 조사하여 2016년 인근에서 발생한 주요 지진을 일으킨 단층을 포함하여 알려진 단층선과 일치하는 저속도 구역을 발견했습니다. 이는 화산의 배관 시스템이 지구 피질의 광범위한 지구조적 균열과 연결되어 있음을 시사합니다. 이 연구가 아소산의 미스터리를 영원히 해결했다고 주장하는 것은 아니지만, 얕은 배관 시스템에 대한 훨씬 더 명확한 지도를 제공합니다. 저자들은 이 특정 저장 구역과 그 압력 변화를 계속 관찰함으로써 미래의 화산 불안정성을 더 잘 예측할 수 있을 것이라고 제안합니다. 그들은 심지어 방금 찾아낸 구조적 단서들을 사용하여 화산의 심장 박동을 더 면밀히 감시하기 위한 새로운 모니터링 실험이 시작되고 있다고 언급했습니다.
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