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(1)Jour. Petrol. Soc. Korea Vol. 21, No. 1, p. 1~12, 2012. 백두산 화산의 전조활동 분석 연구 윤성효1*·이정현2 1. 부산대학교 지구과학교육과, 2기상청 국립기상연구소. Analysis of Unrest Signs of Activity at the Baegdusan Volcano Sung-Hyo Yun1* and Jeong Hyun Lee2 1. Department of Earth Science Education, Pusan National University, Busan 609-735, Korea National Institute of Meteorological Research, Korea Meteorological Administration, Seoul 156-720, Korea. 2. 요 약: 우리 민족의 영산인 백두산은 동북아시아 지역에서 가장 활동적인 화산의 하나이며, 10세기 대분화 는 지난 2,000년 이내에서 가장 격렬한 화산활동이었다. 백두산 천지 일원에서는 2002년에서 2005년까지 지 하 마그마의 관입에 의한 화산성 지진의 급증 및 비정상적인 지표 변형이 발생하였다. 화산구조성 지진의 규 모가 2002년 7월부터 갑자기 급증하였으며, 지진발생 빈도도 한 달에 수십 회에서 수백 회로 증가하였으며, 2002-2003년도에는 하루에 백 여 회의 군발(群發)지진이 발생하였으며, 2003년에는 연간 2,100여 회 발생하 였고, 2006년도부터는 감소하는 추세를 보여 현재에는 1999년-2001년의 수준을 유지하고 있다. 주파수가 대 체로 5 Hz 또는 5-10 Hz의 범위에 속하는 이러한 지진들은 B-형 화산구조성 지진(VT-B)과 장주기 지진(LP) 으로 지하 3~5 km 천부에 위치한 마그마방 상부의 균열과 마그마의 관입에 기인하는 것이다. 2002년도부터 2009년도까지의 GPS관측에 의한 지표면의 수평변위에 의하면 2002년 이후 천지 칼데라 정상부를 중심으로 화산체가 팽창하는 것이 감지되었으며, 2002년도 대비 2003년도에는 약 4 cm 이상이었고 2003년도 이후에 그 변화율은 감소하는 경향으로 보였다. 백두산 성층화산체 사면에서의 정밀수준 측량에 의한 지표면의 수직 적 팽창 또한 최대 10 cm 이상의 변위를 보였으며, 수직 변위와 수평 변위 모두 2006년도 이후 변화율은 다 소 감소하는 추세를 보이나, 여전히 불안정한 상태를 보이고 있다. 온천에서 채취한 화산가스로부터 분석된 헬륨 동위원소비(3He/4He)의 높은 값은 이들 가스들이 맨틀로부터 유래된 것임을 증명하고 있다. 천지 주변의 온천수의 온도가 69oC에서 점진적으로 증가하여 최대 83oC에 이르고 있다. 그간 비교적 큰 규모의 지진에 의 한 산사태, 암벽붕괴, 화산가스에 의한 나무의 고사 등이 관찰되었고, 올해 여름 천지 칼데라 외륜산의 절벽 으로부터 수차례의 암벽붕괴도 발생하였다. 이런 모든 현상들이 백두산 천지화산이 불안정한 상태에 있으며, 잠재적으로는 충분하게 분화 가능성이 있다는 것을 지시하는 것이다. 강력한 화산 감시 모니터링과 화산재해 경감을 위한 사전 방재대책이 필요한 단계라고 평가된다. 핵심어: 백두산, 화산성지진, 지표변형, 불안정, 화산분화 Abstract: The Baegdusan volcano is one of the most active volcanoes in northeastern Asia, and the 10th. century eruption was the most voluminous eruption in the world in recent 2,000 years. During the period from 2002 to 2005, volcanic earthquakes and abnormal surface distortions by suspected subsurface magma intrusion beneath the volcano were observed in the Baegdusan area. Seismic activity has gradually increased with earthquake swarms during 2002-2003 and hundreds of seismic event in a day, especially annual peak of 2,100 in 2003. Then the number of seismic activity has declined since 2006 to the background level in 1999-2001. According to the typical frequency of volcanic earthquakes in the Baegdusan volcano, the frequency distribution of typical volcanic earthquakes between 2002 and 2005 indicates that all the main frequency of the earthquakes basically falls down less than 5 Hz and 5-10 Hz. These events are all the VT-B and LP events caused by the shallow localized fracture and intrusion of *Corresponding author Tel: 051-510-2723 E-mail: [email protected] 1.

(2) 윤성효·이정현. 2. magma. The horizontal displacement measurement by GPS during the period from 2000 to 2007 of the Baegdusan stratovolcano area indicates that an inflated process has been centered at the summit caldera since 2002. The displacement between 2002 and 2003 reached at a maximum value of 4 cm. After 2003, the deformation rate of the volcano continued to decrease with unusual variation during the period from 2006 to 2007. After 2003 the vertical displacement uplift rate falls down gradually but still keeps in an uplift trend in northern slope. It is generally believed that when 3He/4He(R) in a gas sample from a hot spring exceeds 3He/4He(R) in the atmosphere, it can be concluded that mantle-source. And temperatures of hot springs are rising steadily to 83oC. It is unrest signals at the Baegdusan, which is potentially active. The Baegdusan volcano is now in unrest status, there is eruption threat in the near future. Intensified monitoring and emergency response plan for volcanic risk mitigation are urgent for the volcano. Key words: Baegdusan volcano, Volcanic earthquake, Surface deformation, Unrest, Volcanic eruption. 서. 언. 우리는 흔히 화산이 분화(噴火: eruption)하는 모습 을 폭발한다고 단정적으로 이야기한다. 지하에서 암 석이 녹아 있던 물질인 마그마가 화산의 화구(火口) 를 통하여 지표로 나오는 현상을 ‘화산 분화’라고 말 한다. 화산 분화에는 뿜어져 나오는 마그마의 물성에 따라 ‘폭발(爆發: explosive eruption)’과 ‘분출(噴出) 또는 일류(溢流)(effusive/extrusive eruption)’로 나눌 수 있다(Heiken and Wohletz, 1985; USGS, 2010). 폭발적인 화산 분화는 마그마가 화도를 통해 나오면서 산산이 부서지거나 조각난 고체 상태인 화성쇄설물 (火成碎屑物: pyroclastic materials)이 되어 화구로부터 빠른 속도로 격렬하게 뿜어져 나오는 현상이다. 화성 쇄설물(Gillespie and Styles, 1999)은 마그마로부터 1차적으로 직접 만들어진 화산재(火山灰), 화산력(火山礫), 화산암괴(火山岩塊)와 화산탄(火山彈) 등을 일 컫는 말로서, 화산재는 직경이 2 mm 이하, 화산력은 2~64 mm, 직경이 64 mm 이상인 것 중 모서리가 각 (角)이 진 것을 화산암괴라고 하며, 타원형이거나 둥 근 것을 화산탄이라고 부른다. 먼저 만들어진 화산암 이나 화성쇄설물이 풍화침식이나 재이동(再移動) 등 2차적인 현상으로 이동하게 되면 이를 화산쇄설물(火山碎屑物: volcaniclastic materials)이라고 부른다. 화 산 분출은 화구로부터 마그마가 액체 상태로 비교적 조용하게 뿜어져 나와 화구에서 흘러 넘쳐 주변의 낮 은 지형이나 골짜기를 따라 용암류(熔岩流: lava flow)로 흘러가는 현상이다. 만약 화산에서 화산재가 뿜어져 나와 공기 중으로 비산(飛散)한다면 화산 폭 발이라고 부르고, 용암이 뿜어져 나와 골짜기를 따라 흘러가면 화산 분출이라고 불러야 할 것이다. 2010년도에는 인도네시아 머라피(Merapi) 화산에서. 화쇄류가 흘러내려 많은 인명 피해가 있었고, 지구 여러 장소에서 화산 분화가 있었다. 백두산 화산의 폭발적 분화 가능설이 알려진 후 많은 주목을 받고 있다(윤성효 외, 2007; 윤성효, 2010; 윤성효와 이정 현, 2010). 백두산은 어떠한 화산체인지 그 형성과정 과 역사기록을 알아보고, 지난 10년 간의 화산전조 기록을 토대로 현재의 상태와 화산 분화 가능성 및 예상되는 재해에 대해 고찰해 본다.. 백두산 화산체 과거에는 화산의 현재 활동성(活動性) 유무(有無)에 따라 화산체를 활화산(活火山: 지금도 화산 활동을 계 속하고 있는 즉, 현재 수증기와 화산재를 뿜어 올리 고 있거나 용암이 흘러내리는 화산), 휴화산(休火山: 옛날에는 분화하였으나 지금은 분화를 멈춘 화산, 즉 현재는 분화활동을 하지 않으나 다시 활동할 가능성 이 있는 화산), 사화산(死火山: 활동이 완전히 끝난 화산, 즉 화산 활동에 의하여 이루어진 것이 분명하 지만, 역사에서 그 활동의 증거를 전혀 찾아볼 수 없 으며 앞으로도 화산 활동이 없을 산)으로 구분하였었 다. 그러나, 최근에는 휴화산이 갑자기 깨어나 인류에 게 재해를 입히는 경우가 빈번하게 발생하므로 스미 소니언 연구소(Smithsonian Institute in Washington, D.C.)에서는 1만 년 이내에 활동한 경험을 가진 휴화 산을 활화산의 범주에 포함하여 현재 활동 중이거나 잠재적으로 활동성을 가질 수 있는 화산체인 ‘활화산’ 과 앞으로 활동성이 전혀 없는 화산체인 ‘사화산’으 로 구분한다(Decker and Decker, 1991). 백두산은 1만 년 전 이전부터 현재까지의 홀로세 분화동안 주로 거대한 플리니안(plinian) 분화양식에 의해 화산재를 뿜어내고(소원주와 윤성효, 1999) 뒤 J. Petrol. Soc. Korea.

(3) 백두산 화산의 전조활동 분석 연구. 이어 큰 규모의 화쇄류(이그님브라이트: ignimbrite)를 산사면을 따라 60 km 이상 흐르게 한 매우 위험한 화산체였다(Wei et al., 2007). 화산학적으로 백두산은 지하에 열원을 가지고 있으며, 역사시대 분화 기록을 가지고 있으므로 비록 지금은 휴지기에 있지만 당연 하게 활화산으로 분류되어야 한다(윤성효, 2010). 백두산 화산체의 형성 과정 약 2,840만 년 전인 신생대 올리고세에 광활한 만주 평원에서 북동-남서방향의 심부단열대(深部斷裂帶)가 만들어져서 이를 따라 소규모의 현무암이 틈새(裂隙: fissure)분화로 분출된 후, 약 1,500만 년 전에서부터 1백만 년 전까지 이 틈새를 따라 현무암이 대량으로 분출되어 현무암 용암대지(熔岩臺地: lava plateau, 우 리가 흔히 ‘개마용암대지(그림 1)’라고 부른다.)가 만 들어지고, 마그마가 뿜어져 나오는 활동이 주춤해지 면서 틈새의 한 지점을 중심으로 분출하여 현재의 천 지 하부에 장백산 순상화산체(楯狀火山體; shield volcano)가 형성되었다. 그 후 화산 휴지기(休止期)를 지 나고 약 60만 년 전부터 1만 년 전까지 중심분화(中心噴火: central eruption)에 의하여 조면암 및 알칼리 유문암 화산활동으로 화성쇄설물의 폭발적인 분화와 용암 분출이 교대로 여러 차례 발생하여 백두산 성층 화산체(成層火山體)를 형성하였으며, 약 4천 년 전과 1천 년 전에 부석을 위주로 하는 폭발적인 대분화로 성층화산체의 산정부가 파괴되고 함몰하여 천지(天池) 칼데라를 형성하였다(윤성효 외, 1993). 그 후, 서기 1014~19년, 1122년, 1176년, 1199~1201년, 1217년,. Fig. 1. The Gaema lava plateau (grey color) and summit Cheonji caldera of the Baegdusan stratovolcano in the Baegdusan volcanic field.. Vol. 21, No. 1, 2012. 3. 1373년, 1401년, 1403년, 1405~6년, 1668년, 1702년, 1903년 등 천지 칼데라 내에서 대소규모로 분화한 역 사시대 분화기록을 가지고 있다(윤성효와 최종섭, 1996; 윤성효 외, 2011). 약 천 년 전과 1702년의 대분화(윤 성효와 이정현, 2011)가 합쳐져 현재의 천지 모습을 이루었으리라 추정된다. 장백산맥의 최고봉인 백두산은 거대한 화산복합체 로서 형성되기까지 3단계의 과정, 즉 현무암 용암대 지와 순상화산체 형성단계, 조면암 성층화산체 형성 단계, 마지막으로 산정부의 칼데라 형성단계를 거쳤 다. 좁은 의미의 백두산은 성층화산체이지만, 넓은 의 미의 백두산화산체는 용암대지, 순상화산체, 성층화산 체와 칼데라가 함께 존재하는 복식화산체이다(윤성효, 2011). 백두산 화산체의 크기 백두산 주변의 개마용암대지의 면적은 18,350 km2 에 이르며, 그 중앙부의 백두산 성층화산체 정상부 부근에는 홀로세 역사시대 분화물인 강하화산재(降下火山灰)와 부석(浮石: pumice), 용결회류응회암(熔結灰流凝灰岩 또는 이그님브라이트) 그리고 흑요석(黑曜石: obsidain)이 산출된다. 백두산 산사면 주변의 골짜 기와 압록강 상류의 협곡에는 화성쇄설류(약칭 화쇄 류) 퇴적층이 분포하며, 침식되어 토주(土柱: earth pillar)를 형성하며 노출되어 있다. 백두산 꼭대기에는 천지(天池)라고 불리는 칼데라. Fig. 2. The Cheonji caldera lake and its somma. The caldera lake is 4.4 km × 3.37 km in diameter, and the area is 9.82 km2 and contains about 2 billions tons of water, surrounded mountains higher than 2,500 m. The elevation of water surface at caldera lake is 2,189 m, maximum depth is 374 m. The diameter of caldera is about 6~7 km and the caldera contains more than three big craters..

(4) 4. 윤성효·이정현. 호수가 있다. 이 천지 칼데라 호수의 장경은 4.4 km × 3.37 km이며, 천지의 면적은 9.82 km2, 천지수면의 해발고도는 2,189 m, 최대수심은 374 m이고, 여기에는 약 20억 톤의 물이 담겨있다. 주변에는 높이 2,500 m 이상의 외륜산이 둘러싸고 있는데, 외륜산 중 가장 높은 곳은 장군봉으로 해발고도 2,750 m이다(그림 2). 10세기 백두산의 폭발적 분화 사건 백두산 분화 가능성과 관련하여 가장 주목받는 백 두산의 분화 이력은 약 10세기 분화이다(Machida et al., 1990). 10세기 분화는 백두산 주변의 야외지질조 사 결과 크게 7개의 지층단위로 구분할 수 있으며(宮本外, 2004), 이들은 2단계의 화산 분화 사건으로 요약된다(그림 3). 즉 하부의 플리니안 강하부석퇴적 물과 이를 덮는 화쇄류퇴적물로 대표되는 화산활동상 으로 분화된 마그마의 성분은 알칼리유문암에 해당한 다. 그리고 그 상부의 3회 이상의 간헐적인 플리니안 부석 분출과 화쇄류 퇴적층에 뒤이은 강력한 서브플. Fig. 3. Stratigraphic column of 10 century eruption materials at the Baegdusan volcano. It can be divided 7 unit(B~G, B-Tm ash) according to geological occurrence. The magma of eruption products is lower alkaline and upper trachytic in composition. And it is characterized by upper pyroclastic flows which cover the Plinian fallout deposits. Revised by Kim et al. (2010) after Miyamoto et al.(2004).. 리니안 강하부석퇴적층과 이와 동반된 화쇄류퇴적층 의 형성으로 대표되는 조면암질 마그마의 분화 사건이 다. 이 때 날아간 화산재가 일본 홋카이도와 혼슈 북 부에서 발견되는 데 이를 B-Tm ash(백두산-토마코마 이 화산재)라고 부른다(町田 외, 1981; Machida and Arai, 1983). 알칼리유문암질 강하부석퇴적층(유니트 B)은 백두 산을 중심으로 남동~남동동 쪽으로 퍼져가면서 퇴적 되었고, 백두산 동쪽 약 40 km 지점의 두만강 유역 에서는 90 cm의 두께를 나타내고, 70 km 지점에서는 약 10 cm의 두께를 나타낸다. 유니트 D는 백두산으 로부터 북동동 쪽으로 퍼져 나가면서 퇴적되었다. 이 는 이들이 분화되는 시기의 탁월풍의 방향이 달랐음 을 지시한다. 유니트 E는 북쪽으로 퇴적되었다. 백두 산 주변의 산사면과 골짜기에 주로 퇴적된 유문암질 화쇄류(유니트 C)와 조면암질 화쇄류(유니트 F)의 분 포는 천지 칼데라 주변 약 60 km 이내에 주로 분포 한다(그림 4). 백두산의 10세기 분화 사건에 대한 직접적인 기록 이 남아있지 않기에 그 분화시기를 단언할 수 없으나, 일본 혼슈 동북부 아오모리현의 오가와라 호수 바닥 에 퇴적된 진흙층에서 서기 915년에 분화한 일본 도 와다 화산재(To-a)와 그 상부의 B-Tm화산재를 발견. Fig. 4. Distribution of pyroclastic flows of 10 century eruption at the Baegdusan volcano. It extents to 60 km around the summit Cheonji caldera. Blue color is unit C (rhyolitic pyroclastic flow deposits) and red color is unit F (trachytic pyroclastic flow deposits). Revised by Kim et al.(2010) after Miyamoto et al.(2004). J. Petrol. Soc. Korea.

(5) 백두산 화산의 전조활동 분석 연구. Fig. 5. Three big craters in the Cheonji caldera lake at the Baegdusan volcano. Unit B from southern crater (red color) and unit E from northern crater (blue color) originated. Revised by Kim et al.(2010) after Miyamoto et al.(2004).. 할 수 있다. To-a 화산재와 B-Tm 화산재 사이에는 13 cm의 호수 퇴적물이 쌓여 있으며, 이들은 모두 22 개의 연호(varve: 1년에 한 세트씩 쌓이는 점토층)가 발견되어 백두산 분화시기를 서기 937년-938년으로 해석하고 있다(福澤外, 1998). 또한, 10세기 백두산 화산 분화 시기에 대한 많은 연구에서 백두산 화쇄류 에 매몰된 탄화목으로부터 연구된 14C연대는 서기. 5. 461년, 605~871년, 750~960년, 760~960년, 915년 ~1334년, 916~936년, 934±6년, 937~938년, 937±8년, 938년, 939년, 946년, 969±20년, 1014~1019년, 1039± 18년, 1215±15년 등 많은 자료가 보고되어 있다(좌용 주 외, 2003). 이런 연대측정 자료와 역사기록으로부 터, 10세기의 백두산의 폭발적인 분화는 서기 937년 에서 938년 사이에 알칼리유문암질 마그마의 플리니 식 분화로 시작하여 뒤이어 거대한 조면암질 화쇄류 의 분화로 마감하였으며, 이때 현재 모습의 천지 칼 데라를 형성하였다. 그 후, 백두산 화산 분화에 대한 간접적인 분화 기록으로 고려사와 일본역사서에 기록 된 명동(鳴動) 사건과 강하화산재(灰雨)로부터 대략 서기 946년부터 947년 2월 7일 사이에도 분화 사건 이 있었다고 추론된다(早川와 小山, 1998). 백두산 천지 칼데라의 직경은 약 6~7 km이며, 칼 데라 내에서 크게 3개의 큰 분화구를 추적할 수 있 다(宮本外, 2004). 알칼리유문암질 강하부석퇴적층은 칼데라 외륜산인 서쪽 청석봉에서 남쪽 와호봉을 지 나 남동쪽 장군봉과 동쪽 해산 일원에 주로 분포하며, 조면암질 강하부석퇴적층은 북쪽의 천문봉 일원에 주 로 분포한다(그림 5). 이로부터 이들이 분화한 직경 3.5~4.5 km의 분화구를 추정할 수 있다. 홋카이도와 혼슈 북부에 화산재가 현재에도 약 5 cm 이상 쌓여 있는 곳이 발견되는데(그림 6) 폭발적으로 뿜어져 나 온 화산재는 대기 상층으로 약 25 km 이상 솟구쳤 으며, 편서풍과 제트류를 타고 함경도를 지나 동해를 건너 일본과 태평양으로 비산하였으리라 추정된다.. Fig. 6. Baegdusan-Tomakomai tephra(B-Tm) blanket (envelope and thickness) related to the 10 century eruption. Revised by Kim et al.(2010) after Machida and Arai (1983). Vol. 21, No. 1, 2012.

(6) 6. 윤성효·이정현. 이 화산재를 B-Tm ash라고 부르는 데, 이 때 대략 100±17 km3(최대 150~170 km3)의 화산분출물을 뿜어 내고 화산폭발지수(VEI: Volcanic Explosivity Index) 7.4 이상으로 역사시대 최대의 화산 분출 사건을 기록 하였다(Gill et al., 1992; Liu and Wei, 1996; Dunlap, 1996; Horn and Schmincke, 2000). 역사시대 최대의 화산 분화 사건으로 기록된 인도네시아 탐보 라(Tambora) 화산의 1815년 분화 때 분출물의 양이 100 km3으로 화산폭발지수 7.1로 기록되어 있고 그 다음 해 여름은 없었다고 알려져 있다(Oppenheimer, 2003). 백두산의 분화 사건은 아마 이보다 훨씬 컷을 것으로 추정할 수 있다. 2010년 4월과 5월 아이슬란 드 에이야프얄라요쿨 화산에서 분화된 화산분출물의 양이 0.1 km3으로 화산폭발지수 4에 해당하는 것 (Gudmundsson et al., 2010)과 비교하면, 백두산의 천 년 전 폭발적인 분화는 얼마나 큰 화산활동이었던 가를 짐작할 수 있다. 한편, 서기 79년에 분화하여 폼 페이 시를 매몰한 베수비우스 화산과 1980년 5월의 세 인트 헬렌즈 화산 분화 사건은 화산폭발지수 5로 알려 져 있다(Sigurdsson et la., 1982; Fisher et al., 1998).. 백두산 화산의 현재 상태와 전조현상 일반적으로 화산 분화에 앞선 지질현상을 화산 분 화의 ‘전조(前兆)현상’이라고 한다. 특정 화산에서 이 러한 전조현상들이 매우 빈번해져서 화산 분화가 임 박하였다는 주의(caution)나 경고(warning)에 도달하면 우리는 ‘화산위기(volcanic crisis)’를 맞이하였다고 말 한다(Tilling, 2000). 화산위기에 도달하여도 그 전조 현상과 화산활동이 지속적으로 증가하여야만 화산 분 화로 이어질 수 있다. 백두산에 이러한 화산전조(火山前兆) 현상으로 평가할 만한 불안한 변동들이 나타나 기 시작하였다. 다음은 이러한 화산 전조현상들을 정 리하였다. 2002년 6월 말, 평소와는 달리 갑작스럽게 화산성 지진활동이 빈발(頻發)해지고 지진규모도 증가하기 시 작하였다(그림 7). 2002년 6월 28일 중국 동북부 왕 청(汪淸)현에서 리히터 지진규모 M=7.3의 심발지진이 566 km 깊이에서 발생한 후 백두산 지역에서는 화산 성 지진이 군발(群發)로 급증하였다(Wu et al., 2005). 2003년에서 2005년 사이에는 지진규모 M=3.7까지, 월 최대 270회 정도 기록된 지진은 백두산 천지를 중심으로 그 진앙이 밀집하고, 지진이 발생한 지하의. Fig. 7. Time distribution of seismic events recorded at the Baegdusan volcano from mid-1999 to end-2008. Top plot indicates number of seismic events per month; bottom plot indicates magnitude of each seismic event. From Liu et al.(2011). The monthly number of the seismic activity uprised from dozens to hundreds with a peak annual number of 1293 in 2003. Then the number declined till 2005 and resumes the background level same as in 1999-2001.. 진원은 평균해수면 아래 -2 km ~ -3 km 이내로 집중 적으로 근접하였다( 雨文 외, 2011). 이러한 화산성 천발지진의 규모가 커짐에 따라 산사면을 따라 균열 (2003년 8월 23일, M=2.3 지진발생 후), 산사태 (2004년 9월 8일, M=3.7 지진발생 후)와 붕괴(2003 년) 등이 일어났고, 2004년도 여름에는 곡저삼림(谷底森林)의 나무들이 원인 모르게 말라 죽은 것이 관 찰되었는데, 병충의 사체는 발견할 수 없었다고 한다. 그 원인은 마그마방에서 분리되어 지하의 틈새를 통 하여 지표로 방출된 유독화산가스에 의해 말라죽은 것으로 해석할 수 있었다(윤성효 외, 2007). 그리고 천지온천의 수온이 증가하고, 온천에서 나오는 화산 가스 중 헬륨(He)과 수소(H2)의 함량이 10배 이상 갑 자기 증가하기 시작하였다(Gao, 2004; 高玲 외, 2007). 2002년에서 2005년 사이 수준계(水準械)에서도 7 cm 융기한 것이 관측되었으며, GPS 관측에서 천지 칼데 라 호수 주변의 지형이 10 cm 이상 팽창하였음이 관 측되었다(그림 8, Liu et al., 2011). 이러한 화산 전 조현상이 2002년 6월 이후 급증하였으나 2005년 말 이후 지진발생 빈도는 상대적으로 감소하였다. 그러 나 화산성 지진규모와 군발지진 특성은 여전히 유지 하는 경향을 보였다. 2002년 이후, 화산성 군발지진이 2002년도 68회, 2003년도 172회, 2004년도 158회, J. Petrol. Soc. Korea.

(7) 백두산 화산의 전조활동 분석 연구. 7. Fig. 8. Horizontal displacement from GPS surveys from 2000 to 2007, showing inflation at Cheonji caldera of the Baegdusan volcano. Reference arrow at the top of each frame is 10 mm/yr. (Data from CEA, China). 2005년도 221회 감지되었으며, 2006년도 말 이후에도 지속적으로 군발지진이 보고되고 있는 것(중국지진국 제공자료)은 사실이다. 북한 지진국에서는 2003년에 2,100여 건, 2004년에는 M3.3의 지진을 포함한 2,600 여 건의 지진을 관측하였다. 그리고 가스 분출 및 온 천의 온도 상승도 확인되었다. 다행히 2005년에 540 건으로 지진 발생수는 줄었다. 백두산 화산 분화에 많은 관심을 가지고 있는 일본 도 ENVISAT 위성으로부터 백두산 천지 칼데라 일원 이 팽창하고 있음을 감지(2004년~2005년 3 cm 팽창) 하였다(Ozawa and Taniguchi, 2006, 2007). 이로부터 Ozawa and Taniguchi(2007)는 백두산 천지 칼데라의 산정부로부터 지하 약 5 km 지점(해수면 하 2~3 km 지점)에 약 1.5×106 m3 규모의 마그마방이 존재하여 팽창한 것으로 추정하였다. 천지 주변에서 수준계에 의한 지표면의 팽창 연구 에서 2002년 대비 2007년 말에는 약 10 cm 이상 부 풀어 올랐음이 관측되었다(그림 9, Liu et al., 2011). 2006년 이후 화산성 지진은 약간 줄어들었으며, 2009년 말 이후 지표면은 약간 침강하는 기미를 보이 고 있으나 이는 지하 마그마방의 맥동으로 해석할 수 Vol. 21, No. 1, 2012. 있으므로 예의 주시할 필요가 있다. 2002년도 이후 2011년까지 발생한 화산성 군발지 진의 진앙을 분석하여 보면(그림 10), 천지 칼데라 일 원에 밀집하여 N50W방향과 N10W~NS방향의 2조의 단층을 따라 집중 분포하고 있다( 雨文 외, 2011).. Fig. 9. Vertical displacement from levelling surveys from 2002 to 2007, showing inflation at the summit Cheonji caldera of the Baegdusan volcano. Scale of Y-axis is mm. Number of X-axis is distance (km) from observing sites. The total length of level line route in north slope is 24.8 km and the relative elevation difference is 901 m. Data from CEA, China..

(8) 8. 윤성효·이정현. Fig. 10. Calculated hypocenters for earthquakes occurring at the Baegdusan volcano since 2002. (Top) plan-view distribution: triangles(blue) are seismic stations, red circles are hypocenters. (Bottom) depth distribution: colors from green to red indicate increasing depth (0 = sea level). Most earthquakes originated directly under the Cheonji caldera, within 5 km of the surface. From Liu et al. (2011).. 특히 화산성 지진의 발생 심도는 지하 -2 km에서 -4 km 에 집중되어 있으며, 일부는 천지 호수면의 해발고도 가 2,189 m임을 고려하면 천지수면으로부터 지하 2 km에 까지 도달하여 나타난다(吳建平 외, 2005). 이 는 일본방재과학연구소가 SAR Interferometry 분석을 통해 지표면의 3 cm 팽창으로부터 추론하여 분석한 내용(Ozawa and Taniguchi, 2006, 2007)과 잘 일치 한다. 러시아에서는 2006년 10월에「백두산에서 고온의 열과 가스가 발생하였다」고 발표하였다(Asahi TV news, 2006).. 토의 : 백두산 화산 분화 가능성과 그 영향 유라시아 대륙의 동쪽에 위치하고 있는 백두산 화 산대는 대략 2,000만 년 전부터 계속적으로 화산활동. 을 하고 있으며, 그 중에서도 현재의 백두산 천지를 형성한 10세기 분화는 총 분출량 100 km3가 넘는 과 거 2,000년 동안 지구 최대규모의 분화활동(VEI 7급) 이었다(윤성효 외, 2007). 이것은 2010년 4월의 아이 슬란드 화산분화의 1,000~1,500배에 상당하는, 그야 말로 격변적인 대분화(super-colossal eruption)였다. 이러한 대분화가 장래에 다시 일어날 가능성은 지구 가 살아있는 한「제로」가 아니다. 백두산 화산이 언제 분화할 것인가는 지금 어느 누 구도 예측할 수 없다(윤성효, 2010; 윤성효와 이정현, 2010). 이것은 천지 칼데라 화산 지하의 마그마의 거 동 즉 마그마가 수직으로 어떻게 움직이는 가를 지속 적으로 관측 모니터링하여야만 해답을 얻을 수 있다. 전술한 바와 같이 백두산 지하의 마그마방이 활동적 이라는 점에 대하여서는 의문의 여지가 없다. 이 마 그마방이 상승하고 있는지? 커지고 있는지? 또 언제 쯤 지표에 도달하여 천지 물과 만날 것인지? 혹은 지 표면 밖으로 나올 것인지?에 대한 것은 마그마 플러 밍 시스템(magma plumbing system)이라고 부르는 마그마방의 수직 팽창 거동을 지속적으로 모니터링 하여야 만 이야기할 수 있다(Pallister et al., 1992; Tilling and Dvorak 1993; Clague and Dixon, 2000; Sims et al., 2002; Klugel et al., 2005; Nicole et al., 2009). 지금의 단편적인 자료로부터 백두산의 앞 날을 이야기하는 것은 마치 장님이 코끼리 다리를 만 지는 꼴일 것이다. 그러나 백두산은 지하의 마그마가 사라지지 않는 한, 계속적으로 잠재적인 분화 능력을 가진 활동적인 화산으로 남아 있을 것이다. 우리는 백두산을 폭발한다고 이야기한다. 앞에서 말 한 바와 같이 화산 분화에는 화산 분출과 화산 폭발 이 있다. 만약 백두산에서 화산 분출이 일어난다면 마그마가 조용하게 분화구를 흘러나와 용암의 형태로 주변의 골짜기를 따라 아래로 흘러가는 정도의 화산 활동이 일어날 것이며, 화산 폭발이 일어난다면 화산 재를 뿜어내는 격렬한 화산활동이 될 것이다. 만약 백두산이 가까운 장래에 분화한다면, 현재의 지질학적 상태 및 조건, 즉 백두산 지하의 화산성 천 발지진의 진앙이 천지 칼데라 내에서 2방향이 교차하 면서 밀집한다는 것(그림 10), 천지 칼데라 호수 내에 20억 톤의 물이 존재한다는 점, 홀로세(Holocene)에 들어와서 주로 점성이 큰 조면암질 내지 알칼리유문 암질 마그마가 분화하였다는 점(윤성효 외, 1993), 지 구물리 탐사 결과, 천지 하부에는 4층의 마그마방이 J. Petrol. Soc. Korea.

(9) 백두산 화산의 전조활동 분석 연구. 9. Fig. 11. The crustal and upper mantle structure in the Baegdusan volcano region and its adjacent area. The crust in this region consists of the upper crust and the lower crust separated by C2 interface. The upper crust is 1923km thick, P wave velocity is 6.00-6.25 km/s. The lower crust is 12-17 km thick, which consists of a homogeneous velocity layer and a transient layer of 6-9 km thick. The crustal thickness is 31-33 km thick in the Dunhua, and becomes thicker gradually towards the southeast direction, reaching 39 km deep in the Baegdusan volcano region. There is a low velocity body in the Baegdusan volcano region, and its velocity is lower about 0.15 km/s than its adjacent medium velocity. The results of the seismic prospecting, seismic tomography and magnetotelluric sounding show that there is a low velocity, low density and low resistivity abnormal body, suggesting a magma chamber in the crust of this region. Revised by Kim et al.(2010) after Zhang et al.(2002).. 존재하는 것(그림 11, 張先康外, 2002; 張成科外, 2002) 등을 고려하여야만 한다. 이 경우 점성이 큰 마그마가 상승하는 장소는 아마도 천지 칼데라 안일 것이고, 칼데라에서 지하로부터 상승하는 1,000oC 이 상의 점성이 큰 규장질 마그마가 물을 만나게 되면 필연적으로 폭발적인 분화를 하게 될 것이다. 즉 물 은 뜨거운 마그마를 만나 순간적으로 기화하여 수증 기로 변할 것이며, 마그마는 차가운 물을 만나는 순 간 급랭하여 수축하면서 산산이 조각나 화산재로 변 하게 될 것이다. 이렇게 발생한 수증기와 화산재의 양은 지하에서 상승하는 마그마의 양에 따라 달라지 겠지만, 수증기마그마분화작용으로 엄청난 양의 수증 기와 화산재가 발생하여 대기 중으로 비산될 가능성 이 농후하다. 백두산의 과거 분화 이력으로 보아, 화산재 기둥이 분화구로부터 만들어져 대기 중으로 상승하다가 탁월 풍을 따라 이동하다가 낙하하면 그 지역은 강하화산 재가 비처럼 내릴 것이다. 화산재 분화 말기에는 분 화구 주변에는 고온의 화쇄류가 발생하여 산사면을 따라 이동하면서 주변 산지에 산불이 발생하여 태우 Vol. 21, No. 1, 2012. 면서 황폐화시킬 것이다. 천지 칼데라 내에서는 마그 마가 갑작스럽게 출현하여 물을 만나 부피가 팽창하 면 쓰나미가 발생하여 물이 칼데라 외륜산을 부수거 나 흘러넘칠 수도 있으며 이때 대홍수가 발생할 수 있으며, 대홍수가 화산체의 부서진 암석과 화산재를 동반하여 이동하면 ‘라하르’라고 부르는 토석류, 화산 이류 등도 발생하여 주변지역을 매몰하면서 황폐화시 킬 수 있다(Xu, 2011). 그리하면 주요 시설물의 기능 이 마비 혹은 파괴되고, 생태계의 변란, 토양 침식, 호흡기 질환, 식수의 오염 그리고 냉해 등 악순환을 초래할 가능성이 있다. 우리나라에는 백두산이 겨울에 분화하여 북풍이 불 어 화산재가 남쪽으로 바로 이동하지 않는 한, 화산 재가 비처럼 내리거나 1차적인 화산재해의 직접적인 재앙을 당할 가능성은 매우 희박하다. 그러나 한반도 주변으로 북풍~북동풍이 발달하는 경우에는 계절에 관계없이 우리나라 전역이 영향을 받을 가능성이 있 다(이순환과 윤성효, 2011). 최근 5년간(2005년~2009 년)의 모의 실험 결과, 백두산 화산재의 국내 유입 가능 일수는 분출고도가 3 km의 경우 연간 약 164일,.

(10) 10. 윤성효·이정현. 6 km의 경우 약 76일, 9 km의 경우 약 60일, 15 km 의 경우 약 54일로 분출고도가 높을수록 영향 가능 일수는 줄어든 것으로 나타났다. 이들 중에서 전체 고도에 대한 평균 월별 발생빈도 비율은 4월에 35% 로 가장 높았다(기상청, 2011). 모든 분출 고도에 대 해 연중 봄철에 국내 유입가능성이 제일 높은 것으로 나타났으며, 4월에서 7월까지 이동해 온 화산재의 농 도가 다른 월들에 비해 가장 높았다. 분출고도가 9 km 의 경우 국내 지표 농도가 가장 높게 나타났고, 분출 량을 백만 톤/48시간으로 가정한 경우 최고 농도는 5 월에 평균 약 980 µg/m4(황사 경보급 이상)으로 나타 났다. 백두산에서 분화된 화산재가 국내로 유입되기 용이한 기상 조건은 중국 쪽에 지상 고기압, 우리나 라 동쪽 상부에 상층 기압골이 자리 잡아 우리나라로 북풍이 발달하는 경우였다(기상청, 2011). 이 외에도 화산재의 분화로 인하여 백두산 동측 북한-중국 동북 부-러시아 원동지역-일본 동북지방을 통과하는 항공 노선 마비와 이들 지역의 전자산업에 악영향을 줄 것 은 더 말할 나위가 없다. 이로 인해 주변 국가의 경 제·산업·사회에 심각한 도미노 현상을 파급시킬 수 있으며, 화산재의 분화량이 많을 경우 마이크로메 타 크기의 화산재들이 에어러졸 상태로 성층권에 머 물면서 태양복사를 차단하면 냉해, 기근을 포함하는 전 지구적인 재앙을 초래할 가능성도 배제할 수 없다. 특히 화산 분화 후 수 년 간 전 세계 곡물 작황의 악화를 초래하여 장기간 식량 수급에도 타격을 줄 것 이다. 백두산에서 화산재를 폭발적으로 분화한다면, 뿜어 져 나오는 화산재의 양에 따라 우리나라에도 다음과 같은 직간접적인 손해가 발생할 가능성이 크다. 농업, 어업 피해에 따른 농작물 식량·피해, 항공기 운항 취소에 따른 경제적 손실, 기업 휴지, 청소비용 담보 (clean-up cost) 증가, 향후 지구 규모의 기후변화에 따른 날씨, 각종 행사취소, 호흡기 질환 증가, 식수 오염 및 수질 관련 질병, 화산재와 산성비로 인한 건 물 노후화 속도 증가에 따른 직접적 손실 및 이로 인한 보험 손해 발생 가능성 그리고 원화가치 하락, 금융시장 충격에 따른 투자 포트폴리오 악화 등 많은 손해를 예상할 수 있다. 비록 학계에서는 “2014-2015년 분화설”에 대해 부 정적이지만, 근년 전문가들 사이에서는 백두산에서 발 생하고 있는 분화 위기에 대해 다각적으로 논의가 진 행되고 있다(Stone, 2010). 이미 백두산 주변에는 중. 국 측에서 11군데, 북한 측에서 7군데의 관측점을 설 치하여 상시 모니터링을 하고 있다. 따라서 이들과의 공식적인 정보 교류와 더불어 예상되는 백두산의 화 산 분화 가능성과 그 대안에 대해 주도적인 연구가 추진되어야 한다.. 결. 론. 백두산은 약 1천 년 전 폭발적인 대분화를 한 후, 역사시대 분화 기록을 가진 활동적인 화산체이며, 2002년도 이후 백두산 천지칼데라 호수 내에 화산성 군발지진의 진앙이 집중하여 분포하며, 그 진원 깊이 가 지하 -2 km에서 -4 km에 집중되어 있으며, GPS 관측과 수준계을 통한 지표면의 팽창이 10 cm 이상 감지되고, 화산가스에서 헬륨의 농도 증가, 화산가스 의 방출로 인한 삼림의 고사, 산사태, 암석균열 등이 감지되었다. 이는 백두산이 화산위기를 맞이하고 있 다는 증거가 될 수 있다. 만약 백두산이 분화한다면 진앙이 천지 호수 내에 밀집하여 분포하며, 천지 칼데 라 호수 내의 20억 톤의 물이 존재한다는 점, 홀로세 에 들어와서 주로 점성이 큰 조면암질 내지 알칼리유 문암질 마그마가 분화하였다는 점을 고려하여 볼 때, 이 경우 점성이 큰 마그마가 상승하는 장소는 아마도 천지 칼데라 안일 것이고, 칼데라에서 지하로부터 상 승하는 1,000oC 이상의 점성이 큰 규장질(硅長質) 마 그마가 물과 만나게 되면 필연적으로 폭발적인 수증 기마그마분화작용으로 엄청난 양의 수증기와 화산재 가 발생하여 대기 중으로 비산될 가능성이 농후하다. 아울러 화쇄류를 발생시키고 백두산 주변 산지에는 홍수, 라하르, 토석류, 화산이류 등이 발생할 가능성 이 많으므로, 화산재해를 경감하기 위한 준비가 필요 하다고 사료된다.. 감사의 글 이 연구는 기상청 기상지진기술개발사업(CATER2011-5307)의 지원으로 수행되었다. 자료 제공 및 많 은 토의를 해 주신 中國科學院地質與地球物理究所嘉麒院士, 中國地震局地質硏究所活火山究室建 , 魏海泉博士에게 감사드리며, 본 논문을 읽고 건설적인 비평과 문장을 개선해 주신 박준범 박사와 장윤득 교수에게 감사드린다.. J. Petrol. Soc. Korea.

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