이창열 교수팀, 동해 형성이 동일본 화산 군집의 원인임을 규명

‘동해 형성이 동일본 화산 군집의 방아쇠’

지구물리학 분야 권위지 지구물리학연구회보(Geophysical Research Letters)에 게재

[그림1. (왼쪽) 일본의 제4기 활화산 분포. 적색 삼각형은 제4기 화산을 지시하며 동일본 및 이주-보닌 (호)화산대를 따라 군집으로 분포한다.

(오른쪽) 3차원 컴퓨터 수치모델링으로 재현한 동일본 섭입대 지역의 현재 모습으로서 뜨거운 맨틀의 유입이 동일본 하부 맨틀에 나타난다.]

이창열 교수(지구시스템과학과) 연구팀이 동해 형성이 동일본 화산 군집의 원인일 수 있다는 것을 밝혔다. 이 연구 결과는 지구물리학 분야 권위지 지구물리학연구회보(Geophysical Research Letters)에 4월 11일(현지시간) 게재됐다.

해양판이 맨틀로 침강(섭입)하는 섭입대에서는 해양판에서 빠져나온 물에 의해 발생한 마그마로 인해 (호)화산이 형성된다. 태평양판과 필리핀판이 섭입하는 일본은 활발한 화산 활동이 발생하는 대표적인 섭입대이다. 마이오세(Miocene epoch)는 신생대에 속한 지질시대로 약 2,300만 년 전에서 530만 년 전까지를 말하는데, 태평양판이 섭입하는 동일본 섭입대는 후기 마이오세 이후 화산이 집중적으로 형성되어 다수의 화산 군집이 나타난다(그림 1 왼쪽). 

화산 군집의 하부 맨틀에는 높은 온도의 맨틀이 손가락 모양(뜨거운 손가락-hot finger)으로 분포하고 있음이 기존 연구를 통해 밝혀졌으며 이 맨틀이 화산 군집의 원인으로 제시됐다. 그러나 이러한 가설 제시 이후 약 20년이 지난 지금까지도 왜 화산 군집이 동일본을 포함한 일부 섭입대에서만 나타나는지에 대해 명확한 설명이 제시되지 못했다.

이를 규명하기 위해 이창열 교수팀은 마이오세 시기 일본을 현재의 위치로 이동시킨 동해의 형성에 주목해 이를 3차원 컴퓨터 수치모델링으로 재현했다. 실험 결과, 동해의 형성으로 인해 얇아진 배호 분지의 암석권과 동일본 암석권이 만나는 지점 하부에서 발달한 맨틀 하강류가 맨틀의 유입을 방해함으로써 동일본 하부 맨틀에 손가락 모양의 뜨거운 맨틀이 형성되는 것으로 나타났다(그림 1 오른쪽). 

섭입한 태평양판에서 빠져나와 뜨거운 맨틀에 유입된 물에 의해 다량의 마그마가 형성되며 이는 화산이 집중적으로 형성되는 군집 작용을 잘 설명한다(그림 2). 

[그림2. 동해의 형성에 의해 얇아진 배호 분지의 암석권과 동일본 하부 암석권이 만나는 지점 하부에서 발생한 맨틀 하강류가 동일본 하부로의 맨틀 유입을 방해해 뜨거운 맨틀의 유입(적색선)이 발생한다. 뜨거운 맨틀에서 다량의 마그마가 발생해 지표면에 분출함으로써 화산 군집을 형성한다.]

이 연구는 동해의 형성이 동일본 화산 군집을 일으킨 방아쇠 역할을 했음을 직접 밝혔을 뿐만 아니라 이와 유사한 시기 필리핀판의 확장 이후 형성된 이주-보닌 섭입대에서의 화산 군집을 설명할 수 있다.

이창열 교수는 “배호 분지의 형성이 화산 군집의 방아쇠 역할을 한다는 것을 동해의 형성과 동일본 화산 군집 형성과의 인과 관계에서 밝힐 수 있었으며, 과거 및 현재 다수의 섭입대에서 배호 분지가 형성됐다는 점에서 이 연구가 화산 연구에 널리 활용될 수 있을 것”이라고 이번 연구 결과가 갖는 의미를 설명했다.

지구동력학 전공인 이창열 교수는 2020년 4월 같은 학술지와 2021년 1월 지구과학 분야 저명학술지 곤드와나 연구(Gondwana Research)에 일본 화산 연구 논문을 게재하는 등 화산 연구를 활발하게 수행하고 있다. 이 연구는 한국연구재단과 연세미래선도연구사업의 지원으로 수행됐다.

논문정보

● 논문제목: Volcano Clustering Promoted by the Cessation of Back-Arc Spreading and Ensuing Nascent Lithospheric Drips

● 논문주소: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL091433

용어설명

● 섭입대(subduction zone): 해양판(oceanic plate)이 다른 판(plate) 아래 맨틀로 침강하는 작용으로 주로 해양판이 식으면서 증가된 밀도에 의해 일어난다. 일본 섭입대, 미국/캐나다 서부의 캐스캐디아(Cascadia) 섭입대, 칠레 섭입대 등이 있으며 강력한 지진 및 화산 활동이 자주 발생한다.

● 일본의 섭입대: 남서 일본에서는 필리핀판이 북쪽 방향으로 침강하고 있으며 동(동북)일본에서는 태평양판이 서쪽 방향으로 침강하고 있다(그림 1 좌측). 태평양에서는 필리핀판 아래로 태평양판이 섭입하고 있으며 이주-보닌 섭입대에서 다수의 화산섬 및 해저화산이 형성됐다.

● 호화산(arc volcano): 섭입해양판에서 빠져나온 물에 의해 형성된 마그마가 분출되어 형성된 화산들이 섭입대를 따라 분포한다. 마그마는 섭입한 해양판에서 빠져나온 물이 상부에 존재하는 맨틀로 유입되어 유체유입용융(flux melting)을 일으켜 생성된다. 마그마는 부력에 의해 상승하여 지각에 관입(intrusion)하거나 분출(extrusion)하여 화산을 형성한다.

● 화산 군집(volcano clustering): 여러 화산이 모여 집단을 이루는 것을 가리키는 용어로써 동일본 (호)화산 군집이 대표적인 예이다. 

● 뜨거운 손가락(hot finger): 동일본 화산 군집 하부 맨틀에 존재하는 뜨거운 맨틀을 지칭하는 용어. 동일본을 따라 다수의 뜨거운 맨틀이 손가락 모양으로 분포하고 있다고 하여 ‘뜨거운 손가락’으로 이름 붙여졌다.

(참고 그림 주소: http://publications.iodp.org/scientific_prospectus/350/350_f7.htm 출처: 국제해저지각시추사업(IODP) 원정 350 보고서)

● 배호 분지(back-arc basin): 섭입해양판의 후퇴(retreat)에 의해 섭입대가 해양 방향으로 이동함으로써 발생한 인장응력(extensional stress)에 의해 섭입대 배호(back-arc)의 암석권이 확장해 형성되는 고도가 낮은 분지이다. 배호 분지는 주로 두꺼운 퇴적물에 의해 덮여 있다. 동해는 초기 마이오세기 태평양판의 태평양 방향으로의 후퇴에 의해 형성되었으며 울릉분지, 야마토(대화) 분지, 일본 분지가 존재한다. 

● 컴퓨터 수치모델링: 컴퓨터와 수치해석을 이용하여 자연 현상을 연구하는 방법으로써 본 연구에서는 콤솔 멀티피직스(COMSOL Multiphysics®) 소프트웨어가 사용됐다.