Experimental Investigation of Dike Propagation Influenced by Graben Topography and Magma Viscosity Using Analog Modeling
본 연구는 아날로그 모델링을 활용하여, 지구라텐(graben) 환경에서의 방암(dike) 전파와 화산 분출구의 위치가 마그마 점성, 지형적 응력장, 그리고 지각의 역학적 층상 구조 사이의 상호작용에 의해 제어되며, 이러한 요소들이 집합적으로 관입이 정지할지, 기하학적 형태가 변이될지, 또는 지표면에 도달할지를 결정한다는 것을 입증한다.
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화산은 무작위적인 폭발이 아닙니다. 그것은 용암과 그 위의 고체 지표면 사이에서 벌어지는 깊고 압력이 가해진 투쟁의 표면적 표현입니다. 화산이 다음에 어디에서 분출할지 이해하기 위해, 과학자들은 디크(dike)의 경로를 추적해야 합니다. 디크는 단순히 깊은 저류층으로부터 위로 밀고 올라오는 마그마로 채워진 균열을 말합니다. 디크가 취하는 경로는 직선이 아닙니다. 그것은 주변 암석에 가해지는 힘, 즉 지형의 형태와 마그마가 마주치는 암석 층에 따라 변하는 응력장(stress field)에 의해 결정됩니다. 만약 지표면 위의 지층이 무겁다면, 마그마는 수직으로 곧게 밀고 올라갑니다. 하지만 지표면에 계곡이나 지구대(rift)와 같은 낮은 지점이 있다면, 그 구역에서는 암석의 무게가 줄어들어 마그마를 옆으로 끌어당길 수 있는 '언로딩(unloading)' 구역이 형성됩니다. 나아가, 마그마 자체도 균일한 물질이 아닙니다. 그것은 잘 흐르는 빠른 속도의 용암부터 걸쭉하고 느릿느릿한 슬러지에 이르기까지 다양합니다. 이러한 두께, 즉 점성(viscosity)의 차이는 마그마가 주변 암석의 응력에 어떻게 반응하는지를 변화시킵니다. 화산이 정확히 어디에서 입을 벌릴지 예측하는 것은 안전을 위한 중대한 과제이지만, 지형의 형태, 지각의 층, 그리고 마그마의 본질 사이의 복잡한 상호작용은 여전히 규명하기 어려운 과제로 남아 있습니다.
이러한 변수들을 풀기 위해, 연구자 칼레드 라히미(Khaled Rahimi), 마르쿠스 부르식(Marcus Bursik), 제닌 L. 카바나(Janine L. Kavanagh)는 단순하고 투명한 재료인 젤라틴을 사용하여 지구의 지각을 모사하는 실험실을 활용했습니다. 그들은 과거에 서로 다른 유형의 용암이 분출했던 실제 사례인 캘리포니아 북동부의 햇 크릭 그라벤(Hat Creek Graben)을 모델로 삼았습니다. 실험실에서 그들은 지구의 상부 지각을 나타내기 위해 젤라틴 층으로 채워진 투명한 탱크를 만들었습니다. 그들은 그라벤을 시뮬레이션하기 위해 젤라틴 윗부분에 길고 좁은 함몰부를 깎아 만들었습니다. 그런 다음, 상승하는 마그마 역할을 할 유체를 탱크 바닥에서부터 주입했습니다. 그들은 두 가지 뚜렷한 유체를 사용했는데, 물은 잘 흐르는 현무암질 마그마를 나타내고, 잔탄검(xanthan gum)으로 만든 걸쭉한 젤 형태의 용액은 훨씬 더 끈적한 현무암질 안데사이트 마가마를 나타냅니다. 젤라틴을 통해 유체가 움직이는 모습을 관찰함으로써, 연구팀은 계곡의 형태와 마그마의 두께가 표면으로 향하는 경로를 어떻게 변화시키는지 정확히 볼 수 있었습니다.
실험 결과, 유체의 두께에 따라 놀라운 행동 차이가 드러났습니다. 연구진이 묽고 물 같은 유체를 주입했을 때, 그것은 속도와 결단력을 가지고 위로 솟구쳤습니다. 그것은 젤라틴을 거의 수직으로 통과하며 계곡 위의 응력 변화를 거의 신경 쓰지 않았습니다. 표면에 도달했을 때, 그것은 중심부에서 짧은 거리 내에 머물며 함몰부 내부로 직접 분출되었습니다. 물은 너무 빠르고 운동량이 커서 주변 암석의 변화하는 힘에 의해 쉽게 휘둘리지 않았습니다. 반면, 걸쭉한 잔탄검 유체는 매우 다르게 행동했습니다. 그것이 상승함에 따라 속도가 느려졌고, 이는 주변 젤라틴이 그 경로에 영향을 미칠 시간을 주었습니다. 이 걸쭉한 유체는 곧게 올라가는 대신 상당한 깊이에서 휘어지고 굴절되어 계곡의 가파른 벽 쪽으로 굽어 들어갔습니다. 결국 이 유체는 중심부가 아닌 계곡 벽의 측면을 뚫고 나와 단층애(fault scarp)를 통해 분출되었습니다. 유체의 점성이 마그마가 계곡의 형태를 무시할지, 아니면 그 끌림을 따를지를 결정한 것입니다.
연구진은 또한 지각이 하나의 암석 덩어리가 아니라 서로 다른 강도를 가진 여러 층으로 이루어져 있을 때 어떤 일이 발생하는지도 탐구했습니다. 일부 실험에서 그들은 하부 층과 상부 층의 젤라틴 사이에 약한 경계면을 만들었습니다. 마그마가 이 약한 지점에 도달했을 때, 마그마는 위로 올라가려는 시도를 멈추고 대신 옆으로 퍼져나가며, '실(sill)'이라고 불리는 평평한 팬케이크 모양의 관입체를 형성했습니다. 주입이 계속되면, 이 평평한 판은 두꺼워지며 돔 형태로 솟아올라 '라콜리스(laccolith)'라고 불리는 버섯 모양의 구조물을 만들었습니다. 흥러운 점은, 상부의 계곡이 이 과정에 영향을 미쳤다는 것입니다. 계곡에 의해 형성된 응력장은 실(sill)이 함몰부 바로 아래에서 라콜리스(laccolith)로 성장하도록 유도하여 계곡 바닥을 들어 올히게 했습니다. 그러나 층 사이의 경계가 강할 경우, 마그마는 층 사이의 인터페이스를 뚫고 지나가 층의 구조와 상관없이 여정의 끝까지 계속 나아갈 수 있었습니다.
마지막으로, 연구팀은 두 개의 마그마 줄기가 동시에 상승하는 상황, 즉 여러 개의 균열이 동시에 열리는 화산 지대에서 흔히 발생하는 시나리오를 조사했습니다. 그들은 두 개의 상승하는 기둥이 서로를 무시하지 않는다는 것을 발견했습니다. 그것들이 위로 밀고 올라오면서, 서로의 압력 구역을 만들어 간섭을 일으켰습니다. 한 가지 특정 사례에서, 한 번의 주입으로 인해 퍼져나가는 유체 시트의 존재는 근처에 있는 두 번째 주입의 경로를 바깥쪽으로 밀어내어 굴절시켰습니다. 이러한 상호작용은 단일 디크의 경로가 단순히 위의 암석뿐만 아니라, 근처에 있는 다른 관입체의 존재에 의해서도 결정된다는 것을 보여주었습니다. 이 연구는 화산의 분출 위치를 예측하기 위해서는 세 가지 요소에 대한 정밀한 이해가 필요함을 시사합니다. 즉, 지형의 형태, 지각의 기계적 층, 그리고 마그마의 두께입니다. 이 세 가지를 모두 알지 못한다면 분출구의 정확한 위치를 예측하는 것은 여전히 어려운 난제이지만, 이 실험들은 이러한 힘들이 지하 깊은 곳에서 어떻게 경쟁하고 협력하는지에 대한 명확한 지도를 제공합니다.
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