Fluctuating conduit dynamics during the 877 CE Hrafntinnuhraun rhyolitic fissure eruption, Torfajökull, Iceland
본 연구는 아이슬란드 토르파요큿(Torfajökull)에서 발생한 서기 877년 흐라프틴누흐라우른(Hrafntinnuhraun) 유문암질 분출물의 근접 테프라에 대한 최초의 상세한 특성 분석을 제시하며, 이는 변동하는 도관 역학, 소결로 생성된 신생 옵시디언, 그리고 분출의 쇠퇴기 동안에도 지속적으로 높았던 마그마 감압율에 의해 주도된 복잡한 다단계 분출 이력을 밝혀낸다.
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화산은 흔히 단일하고 극적인 사건, 즉 산이 깨어나 불과 재를 뿜어내고 다시 침묵에 빠지는 모습으로 상상되곤 한다. 하지만 지질학자들에게 가장 위험하고 매혹적인 분출은 결코 그렇게 단순하지 않다. 그것들은 지하 깊은 곳의 마그마 행동이 지표면에서의 폭발 방식을 변화시키는 복잡하고 변화무쌍한 과정이다. 현대 화산학의 핵심 질문 중 하나는 어떻게 격렬하게 재를 뿜어내는 폭발이 서서히 완만한 용암 흐름으로 변할 수 있는지, 혹은 이 두 가지 행동이 어떻게 동시에 일어날 수 있는지이다. 이러한 전이는 화산의 목 부분 깊은 곳에서 발생하며 시야에서 가려져 있고, 남겨진 암석들이 종종 흩어지거나 파묻혀 있기 때문에 연구하기가 어렵다. 이러한 변화를 이해하는 것은 미래의 분출이 어떻게 행동할지 예측하는 데 매우 중요한데, 왜냐하면 전 세계 여행을 방해하는 거대한 화산재 구름과 지역 사회를 위협하는 느린 용암 흐름 사이의 차이가 바로 이러한 숨겨진 역학 관계에 달려 있기 때문이다.
아이슬란드에서는 서기 877년의 특정 분출이 이 혼란스러운 과정을 보여주는 드물고 잘 보존된 창을 제공한다. 흐랍틴누하로인(Hrafntinnuhraun) 분출로 알려진 이 사건은 토르파요쿨(Torfajökull) 화산에서 발생했으며, 아이슬란드의 정착 역사를 규정하는 데 도움을 준 거대한 화산재 층을 생성했다. 과학자들이 멀리 떨어진 지형까지 이동한 화산재를 오랫동안 연구해 왔지만, 분출구 바로 옆에 퇴적된 물질은 대체로 탐구되지 않은 채 남아 있었다. 최근 한 연구팀은 분출 시작 지점에서 2km도 채 되지 않는 곳에 위치한 4.5미터 두께의 화산암 층을 조사하기 위해 현장을 방문했다. 이들은 암석의 크기, 모양, 화학적 조성을 세밀하게 분석함으로써, 분출이 진행됨에 따라 화산의 내부 배관이 어떻게 변했는지에 대한 분 단위의 역사를 재구성할 수 있었으며, 이를 통해 갑작스러운 멈춤, 격렬한 재개, 그리고 폭발에서 흐름으로의 느린 변화라는 이야기를 밝혀냈다.
연구진은 분출이 단일하고 꾸준한 분출로 일어나지 않았음을 발견했다. 대신, 짧은 휴지기로 구분되는 일련의 뚜렷한 단계들로 이루어져 있었다. 시퀀스는 미세한 화산재 층으로 시작되었는데, 이는 분출이 작은 수증기 주도 폭발로 시작되었음을 시사한다. 이는 곧 강력한 폭발로 이어져 커다란 부석 형태의 암석들을 내뿜었다. 그 후 활동이 갑자기 중단되었다. 연구팀은 이 조용한 기간을 나타내는 얇은 진흙질 암석 층을 확인했는데, 이 기간은 아마도 몇 시간 동안 지속되었을 것이다. 연구진은 화산의 목, 즉 도관(conduit)이 벽면에서 떨어진 암석들에 의해 일시적으로 막혔고, 이로 인해 지하 깊은 곳에서 압력이 쌓였을 것이라고 믿는다. 막혔던 부분이 마침나서 터졌을 때, 분출은 새로운 강도로 재개되어 이전 층에서는 볼 수 없었던 어두운 유리질 암석과 붉은색의 변질된 암석들을 방출했다.
분출이 계속됨에 따라 패턴은 다시 변화했다. 연구팀은 강한 맥동과 약한 맥동이 반복되는 리드미컬한 순환을 관찰했다. 강한 맥동이 일어나는 동안, 화산은 자신의 도관 벽에서 깊은 곳의 유리질 암석들을 굴착했다. 조용한 순간에는 벽면이 식고 서로 융합되어 새로운 유리질 안감을 형성했다. 이 안감은 다음 강한 맥동 중에 부서져 밖으로 던져졌다. 이 유리질 벽을 만들고 부수는 순환은 반복적으로 일어났으며, 이는 암석 유형의 복잡한 혼합물을 만들어냈다. 연구원들은 이 암석들 안에 갇힌 아주 작은 기포들을 측정하여 마그마가 얼마나 빠르게 상승하고 감압되었는지 결정했다. 그들은 분출이 잦아드는 것처럼 보임에도 불구하고 마그마가 여전히 빠르게 상승하고 있다는 것을 발견했는데, 이는 분출 종료 직전에 도관이 좁아지고 폭발이 더욱 집중되고 격렬해졌음을 시사한다.
결국, 폭발 단계는 용암이 분출구 밖으로 흐르는 동시에 낮은 강도의 화산재 기둥이 계속 솟아오르는 하이브리드 상태로 넘어갔다. 이 시퀀스의 마지막 암석 층들은 이러한 전이의 징후를 보여주는데, 화산재는 더 미세해졌고 암석들은 물질의 근원이 지표면과 더 가까워졌음을 나타냈다. 이 연구는 전체 폭발 단계가 이러한 다중의 강도 주기와 휴지를 포함하여 약 5일 동안 진행되었을 가능성이 높다고 제안한다. 이 발견은 그러한 분출이 단순하고 선형적인 사건이라는 생각을 뒤엎는다. 대신, 화산의 내부 구조가 끊임없이 변화하며, 도관의 벽이 반복적으로 부서지고, 융합되고, 다시 부서지는 물질의 원천 역할을 하는 역동적인 시스템임을 보여준다.
분출구 바로 옆의 암석들을 상세히 들여다보는 것은 멀리 떨어진 화산재 퇴적물을 연구하는 것보다 규산염 분출(silicic eruptions)이 어떻게 진화하는지에 대해 훨씬 더 명확한 그림을 제공한다. 이는 격렬한 폭발에서 완만한 용암 흐름으로의 전이가 매끄러운 경사가 아니라 압력과 조건의 변화가 요동치는 울퉁불퉁한 경로임을 드러낸다. 연구진은 자신들이 연구한 암석들이 마그마가 물 및 화산의 벽면과 상호작용했다는 증거를 포함하고 있으며, 이는 멀리서는 추측할 수 없는 복잡한 질감을 만들어낸다고 언급했다. 화학적 신호와 암석의 물리적 형태를 종합함으로써, 연구팀은 단일 화산이 어떻게 짧은 시간 내에 그토록 다양한 행동을 나타낼 수 있는지를 설명하는 통합된 모델을 구축했다. 이 작업은 화산의 위험을 진정으로 이해하기 위해서는 과학자들이 가장 극적이고 급격한 성격 변화가 기록되어 있는 분출구 주변을 반드시 살펴봐야 한다는 점을 강조한다.
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