A community model for integrated studies of trans-crustal magmatic system

화산은 지구에서 가장 극적인 특징 중 하나이지만, 그들에게 에너지를 공급하는 숨겨진 배관 시스템은 여전히 지질학의 거대한 미스터리 중 하나로 남아 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 분출을 일으키는 용암인 마그마가 지하 깊은 곳에 있는 하나의 거대한 단일 챔버에 머물며 폭발을 기다리는 것인지, 아니면 작은 포켓과 채널들이 거대한 수직 네트워크를 이루어 지각 전체에 흩어져 있는 것인지를 두고 논쟁해 왔습니다. '횡단 지각 마그마 체계(trans-crust even magmatic system)'라고 알려진 이 두 번째 가설은 마그마가 깊은 맨틀에서부터 지표면까지 이동하며 열과 암석의 연속적이지만 복잡한 고속도로를 형성한다고 제안합니다. 문제는 우리가 지구 내부를 볼 수 없다는 점입니다. 암석층에 반사되는 지진파나 지면을 흐르는 전류와 같이 과학자들이 지표 아래를 들여다보기 위해 사용하는 도구들은 종종 이 시스템의 윗부분만을 보여줄 뿐입니다. 이들은 깊은 곳에 숨겨진 연결 고리를 밝혀내는 데 어려움을 겪습니다. 이러한 체계가 어떻게 구축되는지에 대한 명확한 그림이 없다면, 화산이 언제 깨어날지 예측하거나 시간이 흐름에 따라 어떻게 행동하는지 이해하기 어렵습니다.

이 퍼즐을 풀기 위해 미국 전역과 중국의 대학들로부터 모인 연구팀은 완벽하고 가상의 화산을 만들기로 했습니다. 진실이 알려지지 않은 실제의 복잡한 화산을 지도화하려고 노력하는 대신, 그들은 이용 가능한 최선의 이론들을 바탕으로 횡단 지각 마그마 체계의 상세한 3차 Mass 입체 컴퓨터 모델을 구축했습니다. 그들은 이 디지털 모델을 특정 온도, 화학적 조성, 그리고 용융된 암석의 양으로 채워 넣어 자신들이 정확히 알고 있는 '지상 실측값(ground truth)'을 만들었습니다. 그런 다음, 그들은 표준적인 과학적 도구들이 이 완벽한 모델을 보고 있다면 무엇을 보게 될지 확인하기 위해 가상 실험을 수행했습니다. 그들은 지진파가 어떻게 이동하는지, 전류가 어떻게 흐르는지, 그리고 용융된 암석이 결정 속에 어떤 화학적 흔적을 남기는지를 시뮬레이션했습니다. 이 시뮬레이션의 결과와 알려진 모델의 구조를 비교함으로써, 그들은 현재 기술의 한계를 테스트할 수 있었습니다.

결과는 냉혹한 현실을 보여주었습니다. 단 하나의 도구로는 전체 그림을 볼 수 없다는 것이었습니다. 연구팀이 의료용 초음파와 유사하게 지구를 위한 음파를 사용하는 가상 지진파를 사용했을 때, 데이터는 시스템의 얕은 부분에 대해서는 잘 작동했습니다. 파동은 지표 근처의 마그마 포켓을 명확하게 식별하여 그 위치와 크기를 보여주었습니다. 그러나 파동이 더 깊은 곳으로 내려갈수록 신호는 흐릿해졌습니다. 파동이 깊고 뜨거운 암석과 상호작용하는 복잡한 과정은 혼란스러운 메아리와 산란된 신호의 덩어리를 만들어냈습니다. 화산에 어떻게 영양분을 공급하는지 이해하는 데 중요한 깊은 하부 구간은 이러한 방법들로 인해 대체로 보이지 않는 상태로 남았습니다. 연구진은 깊은 구조가 데이터 속에서 너무 희미해서 쉽게 노이즈로 오해받거나 얕은 지표의 특징으로 잘못 해석될 수 있다는 것을 발견했습니다.

연구팀은 다음으로 지면을 통해 전기가 얼마나 쉽게 흐르는지를 측정하는 방식인 자력 탐사 이미징(magnetotelluric imaging) 기법으로 눈을 돌렸습니다. 용암은 고체 암석보다 전기를 훨씬 더 잘 전달하므로, 이 기술은 마그마가 어디에 있는지 찾는 데 탁월합니다. 시뮬레이션에서 이 방법은 깊은 지각에서 지표면을 향해 뻗어 있는 넓은 수직 기둥을 성공적으로 찾아냈습니다. 이는 거대하고 연결된 시스템이 존재함을 확인해주었습니다. 하지만 지진파와 마찬가지로, 이 방법 역시 세부적인 사항을 볼 수는 없었습니다. 이 방법은 실제 모델이 포함하고 있던 뚜렷하고 분리된 마그마 포켓과 그것들을 연결하는 좁은 채널들을 보여주는 대신, 전도성이 있는 물질의 매끄럽고 흐릿한 덩어리를 보여주었습니다. 이 기술은 너무 거칠어서 복잡한 구조를 해상할 수 없었으며, 모든 분리된 부분을 하나의 크고 불분명한 형체로 뭉뚱그려 버렸습니다.

마지막으로 연구진은 암석과 광물을 연구하는 학문인 암석학의 관점에서 문제를 살펴보았습니다. 마그마가 식을 때 광물이 그 안에서 형성되는데, 이 광물들은 마그마가 형성된 깊이를 기록하는 아주 작은 압력계 역할을 할 수 있습니다. 과학자들은 보통 분출된 용암을 수집하여 이 광물들을 분석함으로써 마그마가 어디에서 왔는지를 추측합니다. 시뮬레이션에서 연구팀은 모델로부터 수천 개의 가상 광물 샘플을 생성한 다음, 실제 세계에서 암석을 수집하고 분석하는 과정을 모방하여 이 샘플들만을 이용해 시스템의 형태를 재구성하려고 시도했습니다. 그들은 광물이 서로 다른 깊이에서 마그마가 존재했다는 사실을 기록하긴 했지만, 데이터가 너무 흩어져 있고 불확실하여 정확한 지도를 그리기에는 역부족이라는 것을 발견했습니다. 현재의 측정 오차 수준과 일반적으로 사용 가능한 샘플의 제한된 수를 고려할 때, 재구성된 그림은 종종 틀린 결과를 보여주었으며, 마그마가 없는 곳에 있다고 표시하거나 아예 놓치기도 했습니다. 깊은 저장 구역의 구체적인 기하학적 구조는 데이터의 노이즈 속에서 사라져 버렸습니다.

이 연구는 실제 화산에서 횡단 지각 마그마 체계의 명확하고 연속적인 이미지가 보이지 않는다는 것이 그러한 체계가 존재하지 않는다는 의미는 아니라고 결론짓습니다. 대신, 이는 우리의 현재 도구들이 마치 복잡한 건물을 단 하나의 각도에서만 보거나 단 한 종류의 카메라로만 보고 있는 것과 같다는 것을 의미합니다. 각 방법은 퍼즐의 서로 다른 조각을 보여줍니다. 지진파는 얕은 방들을 보고, 전기적 방법은 넓은 구조를 보며, 암석 샘플은 깊이에 대한 힌트를 줍니다. 그 어떤 것도 건물의 전체를 한 번에 볼 수는 없습니다. 연구진은 화산이 어떻게 작동하는지 진정으로 이해하기 위해서, 과학자들이 단일 기술에 의존하는 것을 멈추고 이 모든 서로 다른 관찰들을 하나의 통합된 틀로 결합하기 시작해야 한다고 주장합니다. 지진학, 전기, 그리고 암석 화학으로부터 얻은 부분적인 견해들을 하나로 엮어낼 때 비로소 우리는 발밑에 숨겨진 뜨거운 엔진의 완전하고 정확한 그림을 그려낼 수 있을 것입니다.