How pore size distribution affects fracture-enhanced permeability in lava domes
X선 마이크로 단층 촬영과 격자 볼츠만 시뮬레이션을 운젠 산 데사이트(Mt Unzen dacite)에 적용한 이 연구는, 균열 수 밀도가 주로 공극 연결성을 제어하는 반면, 균열 폭은 용암 돔의 투과율에 영향을 미치는 지배적인 요인이며, 두 지표 모두 초기 공극 크기 분포에 의해 유의미하게 조절된다는 것을 입증한다.
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화산 돔은 멀리서 볼 때 흔히 보이는 매끄럽고 둥근 언덕이 아니다. 분출구 위에 쌓이는 두껍고 느리게 움직이는 용암으로 형성된 이 구조물들은 끊임없이 스트레스를 받는다. 뜨거운 암석이 식으면서 수축하거나 갇힌 가스로 인해 압력이 높아짐에 따라, 고체 지각에는 균열이 생긴다. 이러한 균열은 단순히 외관상의 문제가 아니라, 가스가 빠져나가는 주요 통로 역할을 한다. 만약 가스가 연결된 기공과 균열의 네트워크를 통해 빠져나갈 길을 찾지 못하면, 압력이 암석을 산산조각 낼 때까지 쌓여 잠재적으로 폭발적인 분화를 유발할 수 있다. 이 숨겨진 경로들이 어떻게 형성되고 연결되는지를 이해하는 것은 화산 돔이 조용히 성장할지 아니면 격렬하게 붕괴할지를 예측하는 데 필수적이다. 그 핵심은 암석의 내부 구조, 즉 미세한 구멍들의 크기와 배열, 그리고 균열이 이 구멍들을 어떻게 연결하는지에 달려 있다.
독일, 영국, 일본의 연구팀은 이 숨겨진 세계를 지도화하기 위해 화산암 한 조각의 내부를 정밀하게 조사했다. 그들은 일본 운젠 화산의 1990년대 분화에서 채취한 데사이트(dacite)라는 유형의 화산암 샘플을 연구했다. 이 특정 암석은 용암 돔의 핵심을 구성하는 경우가 많은 밀도가 높고 결정이 풍부한 물질을 나타내는 블록과 화산재 퇴적물에서 온 것이다. 과학자들은 고해 解상도 X선 이미징을 사용하여 암석의 내부를 보여주는 3차원 디지털 모델을 제작하였으며, 이를 통해 기공의 복잡한 경관을 밝혀냈다. 이 기공들은 미세한 미시적 빈 공간부터 밀리미터 크기의 커다란 기포에 이르기까지 다양했다. 연구진은 이후 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 균열이 발생하는 과정을 모사했다. 암석을 물리적으로 부수는 대신, 디지털 방식으로 3D 모델에 균열을 도입하여 균열이 어떻게 퍼져나가고 기존의 구멍들을 연결하는지 관찰했다. 그들은 두 가지 서로 다른 초기 조건을 테스트했는데, 하나는 암석에 미세한 기공과 큰 기공이 모두 포함된 경우였고, 다른 하나는 미세한 기공을 제거하여 큰 기공만 남긴 상태로 만들어 결과가 어떻게 변하는지 확인하는 것이었다.
결과에 따르면, 암석 내에서 균열이 연결되는 방식은 연결하려는 기공의 크기에 크게 좌우된다. 암석에 크고 작은 기공이 모두 포함되어 있을 때, 균열은 모든 것을 연결하기 위해 더 많이 노력해야 했다. 미세한 기공들은 그 사이를 메우기 위해 높은 밀도의 균열을 필요로 하는 고립된 섬과 같은 역할을 했다. 그러나 연구진이 큰 기공만 있는 암석을 시뮬레이션했을 때, 균열은 훨씬 더 효율적으로 네트워크를 연결했다. 이 시뮬레이션에서는 균열의 수가 구멍들을 연결하는 데 가장 결정적인 요소였다. 일단 균열이 충분히 많아져서 기공들을 연결하면, 암석은 투과성을 갖게 되어 가스가 흐를 수 있게 된다. 하지만 가스가 실제로 얼마나 빨리 이동할 수 있는지는 그 균열의 폭이 가장 중요했다. 균열의 폭이 조금만 넓어져도 투과성이 급격히 증가하여 가스가 훨씬 더 빠르게 빠져나갈 수 있었다.
연구는 또한 암석의 초기 연결 상태가 균열이 시작된 이후에는 놀라 정도로 미미한 역할을 한다는 것을 보여주었다. 설령 암석이 처음에 연결된 경로가 거의 없는 상태로 시작했더라도, 균열이 도입되면 빠르게 고도로 연결된 네트워크가 형성되었다. 이는 실제 화산 돔에서 균열 작용이 압력이 쌓이는 밀폐된 암석을 가스를 배출할 수 있는 투과성 시스템으로 빠르게 변화시킬 수 있음을 시사한다. 연구진은 자신들이 디지털로 만든 균열 샘ful의 투과성이 운젠 화산의 천연 암석에서 관찰되는 범위 내에 있다는 것을 발견했으나, 시뮬레이션이 때때로 약간 더 높은 유동률을 보이기도 했다. 이러한 차이는 가스 흐름을 늦출 수 있는 거칠고 들쭉날쭉한 표면이 결여된 이상적인 형태의 디지털 균열 때문일 가능성이 높다. 그럼에도 불구하고, 이 모델은 암석의 질감이 가스 배출을 어떻게 제어하는지에 대한 근본적인 동작을 성공적으로 포착해 냈다.
이러한 발견은 왜 어떤 용암 돔들이 서로 다르게 행동하는지에 대한 더 명확한 그림을 제공한다. 기공의 크기와 균열의 밀도 사이의 상호작용은 돔이 가스를 부드럽게 방출할지, 아니면 폭발할 때까지 붙잡고 있을지를 결정한다. 만약 돔이 결정이 풍부하고 특정한 기공 분포를 가지고 있다면, 투과성을 갖추기 위해 일정 수준 이상의 균열이 필요할 수 있다. 일단 이 임계치를 넘어서면, 가스를 배출하는 암석의 능력은 극적으로 변화한다. 이러한 이해는 과학자들이 화산 돔의 안정성을 평가하는 데 도움을 준다. 암석의 내부 질감이 균열 및 가스 배출 능력에 어떻게 영향을 미치는지 파악함으로써, 연구자들은 돔이 붕괴하여 느린 붕괴를 일으킬지 혹은 갑작스럽고 위험한 분화로 이어질지 더 잘 예측할 수 있다. 이 연구는 화산체의 안전이 내부의 압력뿐만 아니라, 암석 자체의 복잡하고 미세한 기하학적 구조에 달려 있다는 점을 강조한다.
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