Volcanic similar earthquakes driven by aseismic slip associated with volcanic activity at Ogasawara Ioto

지각이 끊임없이 움직이는 지구의 해저 깊은 곳에서, 화산은 단순히 분출하는 것 이상의 일을 합니다. 화산은 숨을 쉬고, 부풀어 오르며, 지속적인 저주파 지진 소음과 함께 떨립니다. 이 역동적인 거인들을 이해하기 위해 과학자들은 암석 사이로 퍼져 나가는 미세한 진동에 귀를 기울이며, 이를 화산의 건강 상태를 보여주는 심장 박동처럼 취급합니다. 이러한 진동 중에는 '유사 지진(similar earthquakes)'이라 불리는 특별한 종류의 사건이 있습니다. 이것은 무작위적인 충격이 아니라, 정확히 같은 지점에서 반복해서 발생하는 거의 동일한 복사본들입니다. 화산이 이러한 반복적인 충격을 만들어낼 때, 이는 작은 특정 암석 구역이 마치 문 경첩이 열릴 때마다 일정한 리듬으로 삐걱거리는 것처럼 계속해서 미끄러지고 있음을 시사합니다. 연구자들은 이러한 반복적인 신호를 연구함으로써, 지표면이 눈에 띄게 흔들리지 않을 때도 지하 깊은 곳에서 일어나는 마그마와 유체의 숨겨된 움직임을 지도화할 수 있습니다.

원격지에 위치한 이즈-오가사와라 열도에서, 이오토(Ioto, 또는 이오지마)라고 알려진 작은 화산섬은 이러한 활동의 중심점이 되어 왔습니다. 이 섬은 고대의 분출로 형성된 거대한 칼데라 분화구를 가진 활발한 칼데라 화산이며, 현재 극적인 변화를 겪고 있습니다. 수 세기 동안 섬 전체는 아래에서 밀고 올라오는 마그마에 의해 서서히 상승해 왔습니다. 이러한 융기는 잘 기록되어 왔지만, 섬 내부의 암석이 이 압력에 어떻게 반응하고 있는지에 대한 정확한 방식은 미스터리로 남아 있었습니다. 일본 국립지질재난연구소(NIED) 연구진의 최근 연구는 마침내 이 숨겨진 활동의 커튼을 걷어냈습니다. 5년간 수집된 수천 개의 지진 기록을 분석함으로써, 그들은 섬의 지속적인 상승이 단순히 매끄럽고 조용한 상승이 아님을 발견했습니다. 대신, 지면은 숨겨진 단층을 따라 발생하는 끊임 없는 미세하고 반복적인 미끄러짐에 의해 위로 밀려 올라가고 있으며, 이는 스트레스와 해소의 명확한 이야기를 들려주는 뚜렷한 패턴의 유사 지진을 만들어냅니다.

연구진은 먼저 2018년부터 2023년 사이에 이오토에서 기록된 약 60,000개의 지진 목록을 분류하는 것으로 시작했습니다. 이 사건들의 대부분은 화산 지역의 전형적인 특징인 짧고 날카로운 고주파 진동이었습니다. 그들은 노이즈 속에서 패턴을 찾도록 설계된 컴퓨터 알고리즘을 사용하여 파형이 얼마나 서로 유사한지에 따라 지진들을 그룹화했습니다. 이것은 마치 수천 통의 손편지 더미를 뒤져서 같은 사람이 쓴 편지를 찾아내는 것과 같습니다. 필체가 매우 일관적이어서 그 기원을 오해할 수 없기 때문입니다. 연구팀은 파형이 거의 동일하게 보이는 19개의 뚜렷한 '유사 지진' 그룹을 식별해 냈으며, 이는 모두 동일한 작은 근원에서 발생했음을 시사합니다. 놀랍게도, 이러한 반복적인 사건들은 연구 기간 동안 감지된 모든 화산 지진의 약 4분의 1을 차지했으며, 이는 이러한 반복적인 미끄러짐이 섬의 지진 활동에서 드문 예외가 아니라 지배적인 특징임을 입증합니다.

그룹이 식별된 후, 과학자들은 이러한 미끄러짐이 정확히 어디에서 발생하는지 찾아내기 위해 노력했습니다. 파동의 시간, 파동이 이동하는 방향, 그리고 강도를 결합하여 19개 클러스터의 위치를 지도화했습니다. 결과는 놀라운 패턴을 보여주었습니다. 유사 지진은 섬 전체에 무작위로 흩어져 있는 것이 아니었습니다. 대신, 그들은 알려진 활성 단층, 특히 섬의 남서부 지역 주변에 밀집해 있었습니다. 놀랍게도, 칼데라 중앙의 융기된 돔(resurgent dome) 바로 아래에서는 유사 지진이 발견되지 않았습니다. 이러한 부재는 중요한 의미를 갖습니다. 이는 돔 바로 아래의 암석이 이러한 반복적인 충격을 만들어내는 데 필요한 취성(brittle) 방식으로 파쇄되기에는 너무 뜨겁거나 유체가 가득 차 있을 가능성이 높음을 시사합니다. 대신, 스트레스는 융기하는 돔이 주변 암석과 마찰하는 가장자리 부분에서 해소되며, 이 과정에서 좁은 단층선을 따라 작고 반복적인 미끄러짐을 일으킵니다.

이 사건들의 타이밍은 또 다른 결정적인 단서를 제공했습니다. 연구진은 유사 지진의 빈도와 섬이 상승하는 속도 사이에 강력한 연관성이 있음을 발견했습니다. 지면이 더 빠르게 융기할 때 지진도 더 자주 발생했습니다. 실제로, 이러한 반복적인 미끄러짐 사이의 시간 간격은 매우 짧아 종종 불과 며칠에 불과했습니다. 이는 주요 판 경계에서 발생하는 반복 지진보다 훨씬 빠른 속도입니다. 판 경계에서의 반복 지하는 수년 또는 수십 년을 기다릴 수도 있습니다. 이오토에서의 재발 속도는 연간 최대 1미터에 달하는 빠른 융기 속도의 직접적인 결과입니다. 이 강렬한 압력은 작은 단층 패치들에 매우 빠르게 하중을 가하여, 이들이 다시 거의 즉시 실패하고 미끄러지게 함으로써 연속적인 미세 지진 시퀀스를 만들어냅니다.

이러한 미끄러짐의 물리적 성질을 이해하기 위해, 팀은 단층 패치의 크기와 방출된 스트레스 양을 추정했습니다. 그들은 각 사건에서 미끄러지는 암석의 면적이 반지름 약 21미터 정도로 믿기지 않을 만큼 작다는 것을 계산했습니다. 스트레스 낙차(stress drop)라고 알려진 방출된 스트레스의 양 또한 매우 낮았으며, 거의 모든 클러스터에서 1메가파스칼 미만으로 측정되었습니다. 이를 체감해 보자면, 이는 거대하고 파괴적인 지진에서 보이는 엄청난 스트레스 낙차와 비교했을 때 매우 완만한 에너지 방출입니다. 낮은 스트레스와 작은 크기는 이 지역의 암석이 약해져 있음을 시사하며, 이는 아마도 뜨거운 화산 유체와 증기가 단층선을 윤활 작로 작용하고 있기 때문일 것입니다. 암석이 매우 약하고 미끄러지는 영역이 작기 때문에, 지진은 규모 1.0을 거의 넘지 않으며, 이것이 이 섬에서 큰 규모의 파괴적인 지진이 발생하지 않는 이유입니다.

연구는 또한 이러한 미끄러짐에 의해 발생한 총 이동량을 조사했습니다. 5년간의 유사 지진으로부터 발생한 미끄러짐을 모두 합산했을 때, 연구진은 누적 이동량이 약 3미터에 달한다는 것을 발견했습니다. 이는 상당한 양의 움직임이지만, 지표에서 관찰된 전체 융기량의 약 60%만을 설명합니다. 이 차이는 중요한 퍼즐 조각을 드러냅니다. 즉, 유사 지진이 스트레스를 해소하는 주요 수단이긴 하지만, 그것이 전부는 아니라는 점입니다. 섬 융기의 상당 부분은 지진 없이 매끄럽게 미끄러지는 '비지진성 미끄러짐(aseismic slip)'을 통해 조용히 일어나고 있습니다. 이는 섬이 격렬하고 작은 급격한 움직임과 꾸준하고 조용한 흐름의 조합을 통해 변형되고 있음을 의미합니다.

이 연구 결과는 폭발적인 분출과 흔히 연관되는 방식과는 구별되는, 살아있고 활동적인 화산의 모습을 그려냅니다. 이오토의 반복적이고 소규모인 지진은 상승하는 마그마의 엄청난 압력에 적응하는 지각의 소리입니다. 이것들은 임박한 파괴적 분출의 징후가 아니라, 끊임없이 스트레스를 방출하는 작은 윤활 단층 네트워크의 증거입니다. 연구는 섬의 빠른 융기가 이러한 반복적인 미끄러짐을 유도하고 있으며, 화산 유체의 존재가 단층의 강도를 낮게 유지하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것을 확인해 줍니다. 작은 섬에 설치된 제한된 지진 관측소로 인해 단층의 정확한 기하학적 구조를 파악하는 것은 여전히 어렵지만, 전체적인 그림은 명확합니다. 이오토는 아래에서 밀어 올리는 느리고 강력한 힘에 의해 지면이 끊임없이 움직이고, 미끄러지고, 솟아오르는 역동적인 시스템입니다. 이러한 이해는 과학자들이 화산 활동을 더 잘 모니터링하고, 융기하는 돔의 무해하고 반복적인 조정과 주요 분출에 앞서 나타날 수 있는 더 위험한 신호를 구분하는 데 도움을 줍니다.