0. 목차
- 지구의 내부 구조
- 맨틀의 대류
- 마그마가 만들어지는 메커니즘
- 화산의 3가지 유형
- 세계의 화산 사례
- 화산이 만든 지형
- 화산의 형태
- 용암의 종류에 따른 화산의 분화 형태
1. 지구의 내부 구조
지구는 약 46억 년 전 태양계의 일원으로 탄생했다. 태양계가 생겨날 때, 태양 근처에는 암석과 금속으로 이루어진 미행성이 가득했으며, 그 미행성이 충돌, 합체함으로써 커다란 행성들이 탄생했다. 그중 하나가 '지구(earth)'다. 이렇게 만들어진 지구는 탄생 직후, 암석과 금속이 녹아 질척거리는 마그마 덩어리이자 작렬하는 행성이었다. 지구의 표면에 육지는 없었고, '마그마의 바다(magma ocean)'가 펼쳐져 있었다.
- 핵(Core): 지구 탄생 후, 질척하게 녹은 지구의 내부에서는 무거운 물질이 심층부로 가라앉았다. '철(Fe: 원자번호 26번 원소)'이나 '코발트(Co: 원자번호 27번 원소)'가 먼저 가라앉아 지구의 중심부에서 구체가 되었다. 이 구체가 바로 '핵(Core)'이다. 지구의 '핵'은 마그마처럼 처음에는 유체였다. 하지만 중심부에서부터 서서히 식으면서 고체가 되었는데, 이렇게 고체가 된 부분을 '내핵(Inner Core)'이라고 한다. 내핵은 지름이 약 1300km에 이르는 거대한 '쇠공'이다. 내부 코어 바깥쪽에는 '외핵(Outer Core)'이 있다. 외부 코어는 지구가 탄생할 당시 코어 그 자체로, 두께가 약 2200km에 이르고 찐득찐득하게 녹은 유체이다.
- 맨틀(Mantle): '핵(Core)' 위에는 두께 약 2900km의 암석으로 이루어진 '맨틀(Mantle)'이 있다. '맨틀'은 '이산화규소(SiO₂)'를 주성분으로 하고 있다. 맨틀은 암석의 화학 조성에 따라 '상부 맨틀'과 '하부 맨틀'로 나누어진다. 맨틀에서는 몇 가지 이유로 '마그마(Magma)'가 만들어지는데, 이 마그마가 지표면에 도달해 분출하면 '화산'이 생긴다.
- 지각(Crust): 가장 바깥쪽에는 '이산화규소(SiO2)'를 주성분으로 하는 암석인 '지각(Crust)'이 있다. 우리는 지각 위에 살고 있지만, 지각은 너무나도 얇다. 지구를 달걀에 비유하면, 지각은 그 껍질 정도에 지나지 않는다고 할 수 있겠다.
1-2. 지진파로 지구 내부를 들여다본다.
우리는 맨눈으로 지구 내부를 결코 들여다볼 수가 없다. 그래서 지구 과학자들은 지구 내부의 모습을 알기 위해 '지진파(seismic wave)'를 이용한다. '지진파 단층 촬영(Seismic tomography)'은 지구 내부를 관통한 지진파를 이용해, 병원에서 쓰는 X선의 CT 스캔처럼 내부의 모습을 보는 기술이다. '지진파'는 지구 내부의 물질에 의해 전달 속도가 달라지기 때문에, 지진파를 자세히 분석하면, 지구의 내부 구조를 알 수 있다. '지진파'는 같은 물질에서도 압력이 높고 온도가 낮을수록 빨리 나아간다. 따라서, '같은 깊이'와 '같은 압력'에서 다른 곳보다 지진파의 속도가 빠른 곳은 저온으로 무겁게 가라앉는 곳이고, 속도가 느린 곳은 고온으로 가볍게 상승하는 곳이라고 생각할 수 있다.
지구의 전달에 변화가 일어나는 곳을 '불연속면(Discontinuity)'이라고 하며, 불연속면은 '지각(Crust)'과 '상부 맨틀(Upper Mantle)', '상부 맨틀(Upper Mantle)'과 '하부 맨틀(Lower Mantle)', '하부 맨틀(Lower Mantle)'과 '외핵(Outer Core)', '외핵(Outer Core)'과 '내핵(Inner Core)' 각각의 사이에 있다.
2. 맨틀의 대류
지구 내부는 최고 6000℃나 되고 '핵(core)'의 표층부의 온도는 약 4400℃라고 생각된다. 하지만 지표면은 기온이나 바다의 수온과 비슷한 온도까지 식었다. 한편, '판(plate)' 아래쪽 면은 수백~1000℃ 정도이다. 즉, 안쪽에 있는 맨틀은 핵에 의해 뜨거워지고, 반대로 지표면 가까이 있는 맨틀은 판에 의해 식는다. 이 온도차에 의해 맨틀은 대류를 하고, 이로 인해 지구 내부의 열은 외부로 달아나고 있다. 현재 지표면에서 방출되는 열은 약 42조 W(와트)로 추정된다.
맨틀이 대류한다고 해서 액체일 것이라고 생각이 들 수도 있겠지만, 사실 맨틀은 액체라기보단 거의 고체에 가깝다. 현재 맨틀은 거의 고체의 암석이라서, 지진처럼 급격히 가해지는 힘에 대해서는 고체처럼 움직인다. 하지만 맨틀은 고온 고압에 노출되어 있어서, 긴 세월의 규모로 보면 부드러운 유체에 가깝고, 실제로 대류하고 있다. 물론 그 속도는 매우 느려서, 판의 속도로 본다면 연간 몇 cm 정도의 수준이다. 그리고 이 맨틀의 대류에 이끌려 '판(plate)'의 이동이 일어난다. 판의 이동은 지구를 식히는 '대류'가 지표면에 나타난 것이다. 만약 지구 내부가 식어있다면, 판도 움직일 필요가 없다.
고체가 유동하는 사례는 고위도 지방의 빙하에서도 볼 수 있다. 빙하는 지면 위를 미끄러져 움직이는데, 변형되면서 흐른다. 그 증거로 빙하의 복수의 장소에 깃발을 세우고 몇 년에 걸쳐 관찰하면, 중앙 부분의 깃발은 빨리 흐르고 가장자리에 가까운 깃발은 천천히 움직인다는 사실을 확인할 수 있다. 고체인 얼음도 긴 시간이 걸리면 물엿처럼 유동하는 것이다. 마찬가지로 맨틀도 1년에 몇cm~10cm 정도의 느린 속도로 유동하고 있다. 맨틀의 대류는 고온의 맨틀 바닥에서 저온의 지표로 열을 전달하는 역할도 한다.
2-1. 해령(Ocean Ridge)
'외핵'은 지금까지도 지구가 탄생했을 때와 같은 상태에 있다. 외핵의 고열은 하부 맨틀에 전해지고, 결국은 상부 맨틀에 전해진다. 이 열의 전달이 맨틀의 대류를 촉진하게 된다. 맨틀 속에서는 녹아서 마그마가 되는 곳도 생긴다. 대류하는 맨틀 속에서 마그마가 지표면 밖으로 얼굴을 내미는 곳에는 산맥이 만들어지는데, 그 대부분이 해저에 있어 그곳을 '해령'이라고 한다. 즉, '해령(Ocean Ridge)'은 지구의 해양 바닥에 넓고 길게 펼쳐진 해저 화산 산맥이다.
'해령'에서 상승한 마그마가 넘쳐흐르면 '해양 지각'이 만들어진다. 해령에서 분출하는 마그마는 대부분 현무암으로 이루어져 있기 때문에, 해양 지각도 현무암으로 이루어져 있어 무겁다. 지표면은 두께 100km 정도의 단단한 암석인 10장 이상의 판으로 덮여 있으며, 이 판들의 최상층이 '지각(Earth Crust)'이다. 판은 부분적으로 녹아서 흐르기 쉬운 맨틀층을 타고 1년에 몇 cm의 빠르기로 움직이고 있다. 해양 지각은 냉각됨에 따라 두께가 두꺼워져 해령으로부터 멀어져 간다.
2-2. 해구(Trench)
오랜 세월이 지나면 결국 '해양 지각'은 또 하나의 지각인 '대륙 지각'과 부딪친다. 대륙 지각은 '화강암' 등의 가벼운 암석으로 이루어져 있으므로, 해양 지각이 대륙 지각 밑으로 파고 들어간다. 그곳에는 '침강대'가 생기고, 해저에는 커다란 '도랑'이 생기는데, 이것을 '해구(Trench)'라고 한다. 대륙 지각의 두께는 30~50km를 넘는데 비해, 해양 지각은 두께가 5km 정도이기 때문에, 해양 지각은 100km 이상 깊게 파고들어간다. '해구'는 2개의 판이 만나 부딪치는 곳이기 때문에, 매우 커다란 힘이 작용한다. 그 힘에 의해 이루어지는 운동이 바로 '조산 운동(대규모의 습곡산맥을 형성하는 지각변동)'이다.
해구에서 마그마가 만들어질 때는 물이 커다란 역할을 한다. 땅속 깊은 곳에서 만들어진 마그마가 화산에서 분화하려면, 맨틀과 대륙지각을 지나야 한다. 그래서 해구에서 만들어진 마그마에는 해령에서 만들어진 마그마보다 다양한 물질이 녹아 있다. 하지만 대륙 지각에서는, 마그마가 화산에서 분출되지 않은 채 굳어버리는 경우도 많다. 땅속의 균열 속으로 들어간 마그마는 주변 암석에 변성 작용을 일으켜 다양한 광물을 만들어 낸다. 이러한 마그마의 활동이 '대륙 지각'을 두껍게 만들어 가는 것으로 보인다.
2-3. 플룸(Plume)
'플룸(Plume)'은 1990년대에 발전한 지구 '단층 촬영(Tomography)'으로 얻은 지구 내부의 3차원 구조의 해석에서 생긴 개념이다. '플룸 구조론'은 플룸의 상승이나 하강으로 지구 내부의 변동이 일어난다는 이론으로, 판 내부의 대규모 화산 활동을 설명하기 위해 등장했다. 판 구조론을 지구 표층 운동을로 한정시키고, 맨틀 대류설로 설명하지 못하는 판의 이동을 '플룸 구조론'으로 설명한다.
'플룸(Plume)'은 지각에서 '하부 맨틀'로 하강하거나, 맨틀과 핵의 경계에서 지각으로 상승하는, 고온의 열기둥을 말한다. '플룸'은 하강의 흐름인 '차가운 플룸(Cold Plume)'과 상승의 흐름인 '뜨거운 플룸(Hot Plume)'으로 구별된다. '차가운 플룸(Cold Plume)'은 '수렴형 경계'에서 섭입된 판의 물질이 상부 맨틀과 하부 맨틀이 쌓여 있다가, 밀도가 커지면 맨틀과 핵의 경계부까지 가라앚으며 형성된다. 반면 '뜨거운 플룸(Hot Plume)'은 '차가운 플룸(Cold Plume)'이 맨틀 하부에 도달하면서, 온도 교란과 물질을 밀어 올리는 작용이 일어나 맨틀과 핵의 경계로부터 공급된 열로 인해 형성된다.
나아가 '뜨거운 플룸(Hot Plume)'이 대륙 아래로 상승해 올 경우, 대륙의 분열로 이어진다. 동부 아프리카를 6000km 이상 남북으로 가로지른 장대한 단층 함몰 지대인 '아프리카 대지구대(African Rift Valley)'가 그러한 사례이다. 그리고 거대한 '뜨거운 플룸(Hot Plume)'이 지각을 돌파해 지표면에 나타나는 경우, 수백만 년이라는 규모로 대륙의 분화가 계속된다.
3. 마그마가 만들어지는 메커니즘
지구의 중심 온도는 약 6500℃나 된다. 이렇게까지 뜨거운 데에는 크게 두 가지 이유가 있다. 첫 번째 이유는 지구가 탄생했을 때 미행성이 충돌한 에너지가 열에너지로 그대로 갇혀있기 때문이고, 두 번째 이유는 내부의 방사성 물질이 붕괴할 때 열을 내기 때문이다. 지구 내부에서 외핵은 '철(Fe)'이나 '코발트(Co)'가 액체 상태로 존재한다. 하지만 '내핵(Inner Core)', '맨틀(Mantle)', '지각(Crust)'은 고체로 되어 있다. 마그마는 맨틀에서 만들어지는데, 어떻게 고체인 맨틀로부터 액체인 마그마가 만들어질까?
맨틀이 녹아 마그마를 만들어내는 메커니즘은 '압력의 감소'와 '물의 첨가' 덕분이다. 맨틀의 일부가 어떤 원인에 의해 온도가 높아지면 부력을 얻어 상승하기 시작한다. 그리고 맨틀의 덩어리가 맨틀 안을 상승하면서, 주위의 맨틀보다도 온도가 높아진다. 심지어 주위의 녹기 시작하는 맨틀의 온도보다도 높아진다. 이 때문에 상승하는 맨틀의 덩어리의 일부가 녹기 시작한다. 마그마의 밀도는 맨틀보다 작으므로, 부분적으로 녹은 맨틀은 더욱 부력을 얻어 상승을 계속하고, 이 때문에 녹아서 생기는 마그마의 양은 더 많아진다.
이렇게 만들어진 마그마는 이윽고 맨틀의 덩어리에서 분리되어 단독으로 상승하여, '마그마방(Magma Chamber: 지하에 마그마가 고여 있는 곳)'을 만들어 잠시 거기에 머문다. '마그마방'에 있는 동안 일부 결정이 되거나, 다른 마그마와 섞이거나, 마그마방 주변의 암석을 녹임으로써, 맨틀에서 탄생했을 때와는 그 조성이 아주 달라진다. 이후 분화에 의해 지각 바깥으로 모습을 비춘다.
3-1. 마그마가 만드는 다양한 암석과 광석
마그마방에 고여 있는 마그마가 화구에서 분출된 뒤, 마그마는 급속히 냉각되어 암석이나 광석이 된다. 이렇게 만들어지는 암석이 현무암, 안산암, 유문암이다. 한편, 건축 재료 등으로 쓰이는 '화강암'은 마그마가 지하 깊숙한 곳에서 오랜 시간에 걸쳐 굳은 것이다. 지하 깊은 곳에서는 고온의 마그마가 바위 틈새 등으로 들어가거나 주위의 암석에 열 변성 작용을 가함으로써 여러 가지 암석이 만들어진다. 이런 과정을 통해 유용한 광석도 만들어진다. '금(Au)'과 '은(Ag)'도 이런 광석에서 분리, 추출된 것이다. 광석의 다수는 마그마에서 분리된 뜨거운 물인 열수가 암석의 균열 등에 침입해, 주위의 암석과 반응하거나 냉각되는 과정에서 만들어지는 것이 많다. 마그마는 여러 가지 원소를 함유하고 있으므로, 그것이 냉각되어 결정으로 바뀔 때의 온도나 압력 등의 차이에 따라 여러 가지 광물이 만들어진다. 그리고 일단 만들어진 광물도 지하 깊은 곳에서 변성 작용을 받으면 다른 광물로 변한다.
마그마에 의해 가열된 열수 속에도 많은 원소가 녹아 있다. 예컨대 온천에서는 황의 덩어리를 볼 수 있는데, 그것은 열수에 들어가 있던 황이 굳은 것이다. 불용성 성분은 열수에 함유되어 있던 황, 알루미늄, 칼슘, 등 여러 가지 원소가 석출된 것이다. 열수의 활동을 가장 역동적으로 관찰할 수 있는 것은 해저의 '블랙 스모커(Black Smoker)'이다. '블랙 스모커'란 고온의 수용액이 '열수 분출공(Hydrothermalvent)'을 통해 검은 연기처럼 솟아오른 것이다. '블랙 스모커'는 해저의 균열 등에서 스며든 물이 마그마 등에 의해 가열되거나, 마그마로부터 분리된 열수가 해저의 균열로부터 분출할 때 만들어진다. 블랙 스모커는 마그마나 지각에서부터 그 속에 함유되어 있던 여러 가지 원소를 방출하며, 냉각됨으로써 결정을 침적시켜 광상을 만든다. 심해저에서 분출하는 열수인 '블랙 스모커'는 바닷물을 만나 냉각됨으로써, 열수에 있던 원소가 고체가 되어 굴뚝 모양으로 성장해 간다. 블랙 스모커는 심해저에 있기 때문에 최근까지 그 존재가 알려지지 않았다. 하지만 심해 탐사선의 발달 등에 의해 심해를 활발할게 관찰할 수 있게 되자 여기저기서 발견되기 시작했다. 아주 흔하게 발견되는 곳은 '해령' 부근이다.
4. 화산의 3가지 유형
화산은 어떻게 해서 생길까? 화산은 그 성립 과정을 바탕으로 해서 크게 3가지 종류로 분류할 수 있다. 첫 번째는 해령에서 만들어지는 화산, 두 번째는 해구에서 만들어지는 화산, 세 번째는 '핫 스폿(Hot Spot)'에서 만들어지는 화산이다. 현재 지구상에 있는 화산의 62%는 '해령'에서 만들어졌다. 26%는 '해구'에서 만들어졌고, 나머지 12%는 '핫 스폿'에서 만들어졌다.
| 화산이 만들어지는 곳 | 지구상에 존재하는 화산의 비율 |
| 해령 | 62% |
| 해구 | 26% |
| 핫 스폿 | 12% |
4-1. 해령에서 만들어지는 화산
깊은 바다에 있는 길고 좁은 산맥 모양의 솟아오른 부분인 '해령'은 판이 새로 만들어지는 곳이다. 보통 맨틀은 고체 상태이지만, 뜨거운 맨틀이 상승하는 부분에서는 맨틀의 맨 윗부분과 지각이 녹아 마그마가 된다. 이 마그마가 분출함으로써 화산 분화가 일어나는 것이다. 이런 장소는 거의 해저에 있으며, '해령'이라고 한다.
주요 해령은 태평양 동쪽에 있는 '동태평양 해령(East Pacific Rise)'과 대서양 중앙부에 있는 '대서양 중앙 해령(Mid-Atlantic Ridge)'이 있다. 해령은 거대한 산맥이지만, '대서양 중앙 해령'에 있는 '아이슬란드'와 동아프리카의 '대지구대(rift system)' 외에는 모두 해저에 있다. '대지구대'는 해령과 마찬가지로 맨틀의 상승류에 의해 판이 계속 갈라지는 곳이다. 이 지구대에는 이어지듯 많은 화산이 존재한다. 지구에서 만들어진 마그마의 75% 해령에서 활동하고 있을 정도로 해령의 규모는 압도적으로 거대하다.
해령은 맨틀의 대류에 의해 '암류권(지구 표면에서 지하로 약 100~250km에 걸쳐 있는 층으로, 암석권 바로 아래에 위치하며, 맨틀 물질이 부분적으로 융해되어 있어 소성체의 성질을 가지는 영역)'이 상승하는 장소이다. 상승하면서 압력이 낮아지므로, 암류권은 부분적으로 녹기 시작해 마그마를 만든다. 이것을 '부분 융해'라고 한다. '감람암'으로 이루어진 '암류권'이 '부분 융해'해 생긴 마그마는 현무암질 마그마로, 해령에서 분출해 굳으면 해양 지각을 만든다. 해양지각이 현무암으로 이루어진 것은 이 때문이다.
하지만 4000m보다 낮은 해저에서는 높은 수압 때문에 지상의 화산처럼 폭발적으로 분화하지 못하고, 아래의 사진처럼 치약 튜브에서 치약이 나오듯 중간에 끊어지지 않고, 뜨겁게 솟아오른다. 수천 m의 깊은 바다에서 수압 때문에 마그마가 폭발적인 분화를 하지 않으므로, 해저 탐사선이 바로 옆까지 가서 관측할 수 있다.
4-2. 해구에서 만들어지는 화산
해령에서 흘러나온 마그마는 해저에서 서서히 식고 굳어서 '해양판'이 된다. 그리고 이렇게 만들어진 '판(plate)'는 연간 몇 cm의 빠르기로 움직여, 최종적으로 판의 침강대인 '해구'에서 대륙판 아래로 침강한다. 침강한 판은 지하 100km 정도의 깊이에 이르면 물을 방출한다. 이 물의 작용으로 맨틀의 녹는점이 낮아짐으로써 맨틀이 녹아 마그마가 된다. 그래서 판의 침강대 위에서 화산이 만들어지는 것이다. 본에 있는 화산들은 해구에서 가라앉은 판이 만들어낸 화산이다.
아래의 지도는 세계의 주요 화산의 위치를 나타낸 것이다. 가장 먼저 눈에 들어오는 것은 태평양을 에워싸듯 화산이 잇달아 있는 모습이다. 이 부분을 '환태평양 화산대'라고 하며, 하나의 판이 다른 판의 아래로 파고들어감으로써 생긴 화산들이다. 태평양의 대부분은 '태평양판'이라는 커다란 1장의 판으로 되어 있다. '태평양판'은 서쪽의 '오가사와라 제도(Ogasawara Islands)'부터 '알류산 열도(Aleutian Is.)'에 걸쳐 파고 들어가고, 동쪽은 북아메리카 대륙 아래로 파고 들어가고 있다. 그래서 그 침강대에 인접한 지역에서는 화산이 만들어지고, 침강대와 인접한 지역에서 화산이 띠 모양으로 만들어 진다.
고체인 맨틀이 부분 융해할 때 마그마가 생기는 방식에는 3가지 형태가 있다. 첫째는 지하의 온도가 국소적으로 고온이 되어 주위의 맨틀을 녹이는 경우, 둘째는 맨틀이 국소적으로 상승함으로써 주변의 압력이 낮아져 융해 온도가 낮아서 녹는 경우, 셋째는 해구에서 들어온 물이 맨틀의 융해 온도를 낮추어 녹는 경우다.
'해양판이 가라앉는 곳(침강대)'에서 만들어진 화산에는 땅속 깊은 곳까지 해양판과 함께 가라앉는 물이 커다란 역할을 한다. 물은 맨틀의 융해 온도를 낮추어, 비교적 저온에서 마그마를 만드는 성질이 있다. 해양판은 점점 가라앉음에 따라 서서히 물을 토해낸다. 침강대의 대륙판 쪽은 해양판의 침강에 의해 맨틀이 쐐기 모양을 하고 있다. 해양판이 토해 낸 물이 그 쐐기 모양의 맨틀 속을 상승해 가는데, 지하 수십 km 정도가 되면 맨틀이 '부분 융해'하기 시작한다. 부분 융해한 맨틀은 주변의 맨틀보다 밀도가 낮아지기 때문에 위를 향해 움직인다. 이것이 상승함에 따라, 맨틀 속의 마그마 양은 증가하고, 마그마가 모인 커다란 흐름이 되어 맨틀에서 분리되어 다시 상승한다. 대륙 지각의 밑바닥까지 상승한 마그마는 일단 그곳에 고이지만, 지각 하부보다 밀도가 낮기 때문에 부력에 의해 또 상승한다. 그리고 주변과 밀도가 같은 곳에서 '마그마방'을 만들고 축적되어 간다.
마그마방에 축적된 마그마가 모두 분화돼서 지표면으로 방출되는 것은 아니다. 마그마방에서 굳거나 틈 사이를 파고 들어가서 굳기도 하고, 이런 식으로 땅속에서 고체의 암석이 되는 경우도 많다. 지각의 암석과 반응해, 여러 가지 화학 조성으로 변화에 다양한 화산암도 만들어 낸다. '해령'의 화산이 만들어낸 암석이 '현무암'뿐이었던 것에 비해, 침강대에서는 이런 식으로 다양한 화산암이 만들어진다. 바다의 판위에 고인 퇴적물은 해양판이 가라앉을 때 대륙판으로 떨어져 나간다. 결국 이들은 대륙판의 끝에 붙어 대륙판의 일부가 된다. 이처럼 해양판의 퇴적물이 대륙판의 끝으로 떨어져 나가 붙은 것을 '부가체(Accretionary Prism)'라고 부른다. 이처럼 판의 움직임은 육지를 만드는 작용도 있다. 그리고 일단 만들어진 대륙 지각은 맨틀보다 가볍고, 대륙판이 가라앉는 일은 없다.
4-3. 핫 스폿에서 만들어지는 화산
해령과는 달리 대류에 의해 심층부로부터 상승한 맨틀은 지각을 파괴하고 국지적으로 뜨거운 맨틀이 상승하는 부분도 있다. 이와 같은 것을 '핫 스폿(hot sopt: 맨틀 깊은 곳에서 기둥 모양으로 올라오는 물질의 흐름이 지표에서 화산이나 융기로서 나타난 지점)'이라고 한다.
태평양에 있는 '하와이 제도(Hawaii)'와 '갈라파고스 제도(Galapagos Islands)'처럼 독립되어 존재하는 화산이 그 예다. 이것은 '핫 스폿'이 만들어낸 화산이다. '옐로스톤'의 지하에도 '핫 스폿'이 있어 대량의 마그마가 만들어지고 있다.
5. 세계의 화산 사례
5-1. 하와이 제도
하와이의 북서쪽에는 '해산(seamount: 수중에 잠겨 있고 해저로부터 1000m 이상의 높이로 솟아 있는, 해저 화산활동으로 형성된 원추형의 고지)'이 이어져 있고, 마지막에 '알류샨 해구(Aleutian Trench: 북태평양 알류샨 열도에 있는 큰 해구)'로 가라앉는다. 원래 이들은 같은 열점에서 만들어진 화산인데, 판이 북서쪽으로 이동하면서 열점과 화산이 분리되어, 화산의 활동이 멈춘 것이다. 열점의 장소는 기본적으로 수천만 년 이상에 걸쳐 변하지 않는 것으로 생각되며, 하와이의 열점 또한 7000만 년 이상 활동이 계속되고 있다.
하와이 제도 아래에는 지구 심층부에서 올라오는 맨틀 상승류가 태평양 판에 억눌린 채 그 아래에 우산처럼 펼쳐져 있는데, 이것을 '핫 스폿(Hot Spot)'이라고 부른다. '핫 스폿'은 수천만 년에 걸쳐 마그마를 계속 공급하고 있으며, 그 지름은 무려 1000km에 이른다고 한다. 하와이 제도는 '핫 스폿'이 일으킨 화산 활동으로 분출한 마그마에 의해 만들어졌다.
하와이 제도의 섬은 남동쪽에서 북서쪽으로 한 줄로 늘어서 있다. 그 이유는 하와이 제도가 얹혀있는 태평양판이 연간 약 8~9cm 정도의 속도로 북서쪽으로 이동하고 있기 때문이다. 반면, 핫스폿은 기본적으로 위치가 바뀌기 어렵다. 그래서 핫 스폿 위에 화산이 생긴 뒤, 태평양판이 북서쪽으로 이동하기를 되풀이해서 북서쪽으로 남동쪽으로 늘어서는 섬들이 생긴 것이다. 현재는 하와이 섬의 남동쪽 해저에서 '로이히(Loihi) 해저 화산'이 활동을 시작하고 있다. 수만 년 후에는 로이히 해저 화산도 해수면 밖으로 모습을 드러내리라 생각된다.
5-2. 아이슬란드(Iceland)
'아이슬란드(Iceland)'는 '대서양 중앙 해령(Mid-Atlantic Ridge)' 위에 위치해 있다. 대부분의 해령은 해저에 위치해 있지만, 아이슬란드만은 해상에 얼굴을 내밀고 있다. 그 이유는 아이슬란드 지하에 '핫 스폿(Hot Spot)'이 있기 때문인 것으로 생각된다. 아이슬란드의 '핫 스폿'은 약 2500만 년 전, 아이슬란드 북서쪽 위에 위치한 그린란드 부근에 있었다. 그 후 '대서양 중앙 해령'이 서서히 서쪽으로 이동해, 약 1500만 년 전에, 이 '핫 스폿'과 합체되었다고 생각된다. 2개의 마그마 공급원이 겹쳐진 결과, 현재 아이슬란드가 있는 장소에서 대량의 마그마가 분출해 지금의 아이슬란드가 생겨난 것이다. 즉, 아이슬란드는 '핫 스폿(Hot Spot)'과 '해령'이 겹쳐진 곳에 위치한 매우 희귀한 섬이다.
아이슬란드의 지하에서는 항상 대량의 마그마가 만들어지고 있기 때문에, 대분화가 자주 일어난다. 예컨대, 1783년에는 아이슬란드 남동부에 있는 '라키(Laki) 화산'에서 유사 이래 최대급의 분화를 일으켰다. 이때 26km에 걸쳐 균열이 생기고, 이 균열로부터 약 15km³나 되는 용암이 분출되었다.
이 분화로 인해 대량의 화산 가스가 방출되었고, 아이슬란드의 환경은 크게 변했다. 대부분의 가축이 죽었고, 그 후에는 흉년에 따른 식량 부족으로 주민의 21%가 목숨을 잃었다고 한다. 나아가 북반구 전체의 성층권에 '에어로졸(aerosol)'이 가득 차, 일조 시간이 극단적으로 줄었어, 세계 각지에서 기후가 추워지고 흉년이 들었다. 1789년에 일어난 '프랑스 대혁명'의 발단이 된 식량 부족도 '라키 화산'의 분화가 하나의 원인이었다고 한다.
5-3. 대지구대
아프리카 대륙 동부에는 6000km 이상에 걸쳐 북쪽에서 남쪽으로 종단하는 대지의 균열선인 '대지구대(Great Rift Valley)'가 있다. 이곳은 지금도 대지가 계속 갈라지고 있다. 대지구대는 거대한 단층이 여러 개 늘어서 있는, 계단 모양으로 함몰된 지형을 이루고 있다. 대지구대 전체의 낙차는 약 1500m나 된다.
'대지구대'를 만든 것은 대륙의 지하에서 상승하는 뜨거운 맨틀의 덩어리이다. 약 1000만 년 전 아프리카 동부의 지하 심층부에서 맨틀이 상승해 대지가 융기했다. 이 마그마에 밀려 대지가 부풀어 올라 많은 화산이 탄생했다. 이어 부풀어 오른 대지가 둘로 갈라져, 현재 모습의 대지구대가 만들어졌다. 아프리카 대륙의 최고봉인 '킬리만자로(해발 5895m)'도 대지구대 안에 위치한 화산으로, 거듭된 분화에 의해 만들어졌다. 산맥에 속하지 않은 독립된 봉우리로는 세계 최고의 높이를 자랑한다. 킬리만자로는 약 100만 년 전에 분화를 시작했으며, 최근에는 약 200년 전에 분화했다. 앞으로도 분화할 가능성이 있는 화산이다. 그리고 에티오피아에 있는 '달롤(Dallol) 화산'은 오히려 화구가 해발 -45m에 위치한다. 이것은 세계에서 가장 낮은 화구이다. 대지구대라는 갈라진 대지에 생긴 화산이기 때문에 이런 특이한 화산이 되었다.
과거 하나의 대륙이었던 아프리카 대륙과 남아프리카 대륙은 1억 2000만 년 전에 갈라져, 그 사이에 대서양이 생겼다. 이처럼 대지구대의 지하에서 앞으로도 맨틀의 상승이 계속된다면, 수십만~수백만 년 뒤에는 이곳이 바다가 되고 해령이 될 것으로 생각된다.
6. 화산이 만든 지형
6-1. 용암 대지(Lava Plateau)
'용암 대지(Lava Plateau)'는 지표면에 생긴 무수한 균열에서 용암이 대량으로 흘러나와 만들어진 대지이다. 용암 대지는 분출해서 굳은 용암 위를 새로운 용암이 덮어 천천히 굳는 주기를, 100만 년 정도라는 짧은 기간에 반복함으로써 만들어진다.
인도 아대륙을 넓게 덮고 있는 '데칸 고원'은 세계에서 가장 광대한 '용암 대지'로 그 넓이는 한반도의 약 2.4배인 52만 km2에 이른다. 하나의 용암류가 수백 km 이상 흘렀던 사실도 확인되며, 분출률이 높은 용암류가 용암 터널 등을 만들면서 흘러서 매우 멀리까지 도달할 수 있었다. 세계에는 인도의 '데칸 고원(Deccan Plateau)'처럼, 일반적인 화산의 수백 배 이상 되는 용암이 분출해 형성된 곳이 있다. 이들은 과거에 대규모 맨틀의 상승류인 '핫 플룸(Hot Plume: 지하 맨틀 내부에서 솟아 나온 뜨거운 용암)'이 분출되어 만들어진 '대지(고도가 높고 넓은 면적의 평탄한 지형)'이다. 그중 거대한 것은 생물의 대량 멸종이나 초대륙의 분열과 관련이 있다는 이야기도 나와있다. 판이 가라앉는 곳에서는 대지가 성장한다. 대륙의 판 아래에 가라앉은 해양판에서는 해양 지각에 포함된 수분에 의해 맨틀이 녹아 마그마가 발생한다. 그리고 마그마가 상승해 지각을 두껍게 하고 일부는 화산을 형성하여, 지표면에서 분출하고 지각에 내려 쌓인다.
6-2. 칼데라(Caldera)
'칼데라(Caldera)'는 커다란 분화에 의해 만들어진 '웅덩이'이다. 칼데라 중에는 너무나도 거대해서 화산 활동에 의해 생겼는지 판별하기 어려운 것도 있다. 거대한 분화에서는 대량의 마그마가 단시간에 분출한다. 그 결과, 마그마방은 텅 비게 되는데, 그곳으로 마그마방의 천정이 무너져 내리면 거대한 웅덩이가 생긴다. 이것을 '함몰 칼데라'라고 부른다.
'백두산(白頭山)' 정상의 분화구에는 '천지(天地)'라는 이름의 칼데라 호수가 있다. 수량은 빗물과 지하수 등으로 유지된다. '천지'는 칼데라 호수 중 세계에서 가장 높은 곳에 있으며, 면적은 9.165km2, 둘레는 14.4km나 된다.
7. 화산의 형태
7-1. 성층 화산(Stratovolcano)
'성층 화산(Stratovolcano)'은 거의 같은 화구로부터 폭발적 분화와 용암 유출을 반복함으로써, 층 구조를 만들며 성장함에 따라 원뿔 모양으로 형성된 화산이다. 화쇄류나 토석류 등이 자주 발생할 때는 주변에 완만하게 경사진 넓은 들판을 만든다. 또 같은 성층 화산이라도, 화산의 발달 단계와 용암의 점성 등의 분화 형태에 따라 산의 모습은 크게 변한다. 또 분출량이 화산에 따라 각각 다른 것도 화산의 형태와 크게 관련 있다.
'후지산'은 대표적인 '성층 화산'이고, 일본에 있는 화산도 대부분 '성층 화산'이다. 후지산처럼 능선이 직선으로 뻗은 아름다움은 용암 등의 분출량과 점성의 균형이 만들어준 것이다.
7-2. 순상 화산(Shield Volcano)
'순상 화산(Shield Volcano)'의 '순(楯)'은 '방패'라는 뜻으로, 과거에 유럽의 기사들이 사용하던 방패를 뒤집어 놓은 듯이 보인다고 해서 붙여진 이름이다. 점성이 약한 용암은 바로 흘러버리기 때문에 두꺼운 용암류를 이루지 못해, 완만하게 경사진 넓은 들판을 가진 화산이 된다.
하와이에 있는 화산은 대부분 '순상 화산'이다. 하와이나 아이슬란드 같은 '핫 스폿'이나 해령에서 만들어진 화산은 비교적 이산화규소가 적어 점성이 약한 현무암 용암을 분출한다. 그래서 순상화산이 되는 경우가 많은 것이다. 아래의 사진은 '하와이 섬'에 있는 '마우나케아 산'이다. 4200m를 넘은 완만한 정상부는 천체 관측의 최적지로 생각되어, 여러 나라 연구 기관의 천문대들이 설치되어 있다.
7-3. 해저 화산(Submarine Volcano)
'해저 화산(Submarine Volcano)'은 해저에서 솟아오른 화산이다. 해저 화산이 해저에 있는 동안에는, 높은 수압에 의해 육상의 화산 같은 격렬한 분화를 일으킬 수는 없다. 하지만 해저 화산이 해수면에 모습을 드러낼 때는, 마그마와 바닷물의 반응에 의해 격렬한 폭발적 분화가 일어난다. 해저 화산이 성장해 해수면 가까이 이르면, 마그마가 그 열로 바닷물을 한순간에 기화시킴으로써 격렬하게 분화한다. >이러한 격렬한 분화에 이르기 전에 마그마가 가져온 화산 가스와 바닷물이 반응해, 미세 침전물을 포함한 '변색수(discolored water)'가 나타나는 경우가 많기 때문에 경계가 필요하다.
아래의 사진은 북대서양의 '아이슬란드' 남쪽의 해저 화산이 모습을 드러낸 것으로 '슈르체이 섬(Surtsey Island)'이라고 한다. 1963년~1967년에 분화 활동으로 새로 만들어진 화산섬이다. 생태계가 어떻게 형성되어 가는지를 관측하는 실험장으로서, 현재에는 허가받은 과학자만 상륙할 수 있다.
8. 용암의 종류에 따른 화산의 분화 형태
화산의 분화라고 하면, 화산재를 대량으로 분출하는 장면을 떠올리는 사람이 많을 것이다. 하지만 실제로는 화산 분화의 종류에는 여러 가지가 있다. 그리고 같은 화산이라고 해도 분화하는 시기에 따라 서로 다른 분화 형태를 보일 수 있다. 예컨대, 후지산은 지난 2000년 동안 커다란 분화를 2번 일으켰지만, 그 분화의 형태는 서로 달랐다. 후지산에서는 864~866년에 '조칸 분화'가 일어났는데, 이때 화산재를 분출하는 폭발적인 분화는 일으키지 않았고, 대량의 용암만 흘러내렸다. 이 분화 형태는 '열극 분화'에 해당된다. 또 1707년에는 '호에이 분화'는 폭발적인 분화를 일으켜 대량의 화산재를 분출했다. 이 분화의 형태는 '플리니우스(Plinius)식 분화'에 해당된다.
분화의 형태를 결정하는 요소 가운데 하나는 '마그마의 점착성'이다. 점착성이 적어 쉽게 흐르는 마그마는, 액체 모양의 용암이 되어 산허리를 흐른다. 한편, 마그마의 점착성이 높으면 폭발적인 분화가 일어난다. 마그마의 점착성은 주로 마그마에 들어있는 '이산화규소(SiO₂)'에 의해 정해지며, 이산화규소의 양이 많을수록 점착성이 높아진다. 이러한 마그마의 성질은 마그마가 만들어질 때 녹은 암석의 종류와, 마그마방에서 분화를 기다리는 기간의 길이 등에 의해 정해진다.
- 열극 분화(Fissure Eruption): '열극 분화'는 지표면에 직선 모양의 긴 분열선이 생기고 그곳에서 대량의 용암이 흘러나오는 특징이 있는 분화이다. 마그마의 점착성이 낮은 경우가 많다. 일본의 후지산은 과거에 여러 번 '열극 분화'를 일으켰다. 아이슬란드에서도 많은 열극 분화가 보인다.
- 하와이식 분화(Hawaiian Eruption): 마그마의 점착성이 낮은 경우, 마그마와 대량의 흐르며, 폭발을 수반하는 경우가 거의 없는 '하와이식 분화'가 된다. 하와이의 킬라우에아 화산 등에서 볼 수 있다.
- 플리니식 분화(Plinian Eruption): '플리니식 분화'는 화산의 분화 가운데 가장 폭발력이 큰 분화로, 매우 점착성이 높은 마그마가 일으키는 분화이다. 대량의 화산 가스와 마그마 파편이 수십 km 상공으로 뿜어져 나온다. 1991년, 필리핀의 '피나투보 화산'에서 '플리니우스식 분화'가 일어났다.
- 스트롬볼리식 분화(Stromboli Eruption): '하와이식 분화'를 일으키는 마그마보다 점착성이 높고, '플리니우스식 분화'보다 점착성이 낮은 마그마는 '스트롬볼리(Stromboli)식 분화'를 일으킨다. 이탈리아의 '스트롬볼리 섬'에서 일어난 분화의 양식에 따라 명명되었다. 암석을 분수처럼 뿜어올리는 특징이 있다.
- 펠레식 분화(Pelectic Eruption): 마그마의 점착성이 높을 경우, 마그마는 화산의 꼭대기 부분에서 굳어 '용암 돔'이 된다. 그 후 내부 압력에 의해 붕괴하면, 안에 축적되어 있ejs 마그마가 분출해, '파쇄류'가 발생한다. '펠레식 분화'라고 불리며, 위험하고 파괴력이 큰 분화이다.