R&E FOR YOU(vol.09) -

화산성 지진(Volcanic Earthquake)

중국지진국(China Earthquake Administration; CEA)과의 국제 공동을 통한 자료 제공 협조를 통하여 입수한 화산성 지진의 월별 발생 빈도(그림3)와 규모로부터 2002년 7월~2005년 7월 사이에 화산 불안정(unrest)을 경험하였으며, 2020년 12월~2021년 6월 사이에도 소규모의 화산 불안정을 나타내었다. 2019년도 백두산 화산성 지진 발생 현상을 보면, 28회 지진 중 화산 구조성 지진(volcano tectonic earthquakes; VT) 7회, 장주기 지진(long-period volcanic earthquake; LP) 21회 발생하였었다. 화산성 지진의 에너지는 전년 대비 약간 감소하였으나, 지진 활동은 여전히 화산활동에 의한 배경 지진 활동의 수준에 해당하며, 다수의 LP 지진 발생에 주목할 필요가 있었다. 2021년 소규모의 화산 불안정 이후 발생한 지진의 위치(진앙 및 진원)(장주기 지진 사건 16건, 화산 구조성 지진 사건 54건, 산사태로 인한 사건 1건) 등이 기록되었으며, 2021년 여름 이후 화산성 지진 발생 빈도 배경수준을 유지하고 있다. 2024년 5월(2024년 초부터) 현재 장백산 화산관측소에서는 25건의 지진이 기록되었다.

이는 전자 거리측정기(Electric Distance Meter: EDM) 측정에 의한 천지 외륜산 지표면 변형에서 주목할 만한 아노말리 없이 안정적 추세를 보이는 관측 자료와 잘 일치하며, 화산가스 농도, 온천수 성분 변화 관찰에서도 특이한 아노말리는 없다.

2025년 1월까지 화산성 지진 모니터링, 화산가스 지구화학적 분석, 지표면 변형 관찰 결과에 따르면, 현재 백두산 화산에서는 마그마방의 비정상적인 활동 징후가 보이지 않는다. 그러나, 화산성 지진은 지속적으로 발생 중이므로 계속하여 화산성 지진의 발생 빈도 증가 추이에 대한 모니터링 필요하다.

백두산을 남북으로 가로지르는 장백현에서 북쪽의 돈화 현까지의 측선을 따른 지진파 탐사 결과, 백두산 화산 지대 지하에 4개 층의 마그마방(저속도층: -10㎞, -20㎞, -28㎞, -34㎞)이 존재하는 것으로 보고되었다. 저속도층의 식별은 구성 물질의 부분 용융으로 인하여 지진파 중 P파의 속도가 느려진 것에 기인한다. 부분 용융된 지점은 100% 액체 상태라기보다는 대부분이 고체인 상태에서 일부 10% 미만의 용융(액체) 상태를 나타내며, 용융되어 형성된 액체는 지압력과 부력에 의하여 상승하여 지표면을 향하여 위로 상승하게 된다.

지표 변형(Surface Deformation)

중국지진국과의 자료 제공 협조를 통하여 입수한 2018년도 백두산 화산체 주변 GPS 관측에 의한 지표 변형 자료를 분석하면, 2000년에서 2002년까지, 장기(長期) 구조운동을 제외한 후에 전체 운동은 6.0㎜/a 이하이다. 2002년에서 2005년까지 GPS 관측점은 화산을 중심으로, 사방으로 이동(팽창)하는 운동하는 중요한 변위(속도) 변화를 관찰했으며 CBP0와 CBP4는 큰 폭의 운동을 기록했다. 2005년에서 2010년까지 전반적인 운동은 뚜렷하지 않다. 2011년부터 2014년까지 GPS 관측점들은 전반적인 동남향(東南向) 운동을 기록했고, 체계적이었다. 2014년부터 2018년까지는 2011~2014년의 속도장 영역에 비해 남쪽 방향이 약하게 나타났다. 2019년 이후에도 미약한 GPS 변위 기록 중이므로 지속적 감시(모니터링)가 필요하다.

백두산 화산 분화에 많은 관심이 있는 일본도 ENVISAT 위성으로부터 백두산 천지 칼데라 일원이 팽창하고 있음을 감지(2004년-2005년 3㎝ 팽창)(Ozawa and Taniguchi, 2006, 2007)하였다. Ozawa and Taniguchi(2007)는 백두산 천지 칼데라의 산꼭대기로부터 지하 약 5㎞ 지점(해수면 하 2~3㎞ 지점)에 약 1.5×106㎥ 규모의 마그마방이 존재하여 팽창한 것으로, 잠정적으로 추정하였다.

화산가스 (Volcanic gas)

중국지진국과의 자료 협조를 통하여 입수한 2018년도 백두산 온천수에서 채취 분석한 화산가스 현황을 보면, 호빈온천, 취룡온천 및 금강온천 온천수에서 상승하는 기포로부터 채취한 화산가스 성분 중 CO₂ 농도 함량 변화는 취룡 > 호빈 > 금강 온천 순으로 나타나며, 화산가스 중 가장 많은 것이 CO₂이다.

백두산 온천수에서 채취한 화산가스 중 He 동위원소비 분석 결과, Ra=³He/⁴He=5.1-5.6으로 맨틀 마그마방으로부터 기원한 화산가스 He의 성분비를 암시한다.

화산으로 인한 자연재해 중, 백두산으로부터 남쪽으로 378㎞에서 500㎞ 이상 떨어져 있는 남한에는 광역 화산 재해 중의 강하 화산재가 날아올 가능성이 있다. 화구에서 나온 화산재는 대류권에서는 탁월풍으로 따라 풍하측(風下側)으로 화산재 구름을 형성하여 확산하여 가며 강하 화산재를 낙하하게 된다. 봄과 가을에 서풍이 불면 화산재 구름은 동쪽으로, 겨울철에 북서풍이 불면 화산재는 남동쪽으로 가면서 동쪽으로, 여름철에는 남서풍이나 남풍이 불면 화산재는 전향력(轉向力)을 받아 동쪽으로 이동하게 된다. 성층권으로 진입한 화산재 구름은 제트기류를 따라 동쪽으로 이동하게 된다.

폭발적 분화 시 강화 화산재 확산 이동 영향 범위의 수치 모의 결과(한반도 전체: 10년 기상장 평균)를 보면, 대부분의 화산재는 동쪽으로 이동 확산하여 낙하하게 된다. 이 경우, 북한 지역(양강도, 함경도)은 심각한 피해가 가능하며, 화산으로 인한 자연재해 발생에 대비하여 인도적 차원의 선제적 공동 대비 연구가 필요하며, 수치 모의 결과 남한 지역의 강원도, 경기, 경북 북부 지역의 피해가 예상된다.

화산특화연구센터에서 사용하는 USGS의 화산재 확산 소프트웨어인 Ash3d 프로그램을 이용한 백두산 화산재 확산 수치모의 결과(한국 시각 2019년 3월 1일 0시(UTC 2월 28일 15시)에 10㎦(=VEI 6)의 분출물, 분연주 높이 25㎞, 분화지속시간 6시간을 모의한 것임), 밀레니엄 분화에 의한 B-Tm 분포와 같은 양상을 나타낸다. 화산특화연구센터와 이탈리아 화산학및지구물리학연구원(INGV)과의 국제공동연구에서 발표한 B-Tm의 분포도이다(그림4). B-Tm 화산재 구성원의 한 부분인 유리 샤드들(crypto-tephra)은 그린란드 빙하코어(NEEM, NGRIP)에서도 발견되어 보고되었다.

백두산에서 발원한 강하 화산재의 한반도 침범 가능성을 검토해 보면, 백두산이 폭발적으로 분화하여 화산재를 확산시킬 수 있는 달은, 1) 역사 기록 분석에 의하면 4월, 5월, 6월의 순이며, 2) 분연주로부터 화산재 구름을 형성하여 바람장을 타고 화산재를 확산시킬 경우, 수치 모의 결과 한반도 남부에 영향을 미칠 수 있는 달은 2010년의 실제 기상장에서는 5, 6, 7, 9월 및 8월이며, 2014년의 실제 기상장에서는 6, 7 및 4월로 모의 분석되었다. 이는 기존의 "백두산 화산이 겨울철에 폭발하지 않는다면, 우리나라는 화산재에 의한 피해가 발생할 가능성이 크지 않다는 것이다."라는 견해(이지훈, 2010)와는 다른 결론이다. 그러므로 강하화산재에 대한 대비가 필요하다.

직경 2㎜ 이하의 화산재는 광물, 암석, 유리편 등을 구성되며, 매우 거친 표면을 가지며, 내부의 미세한 다공질의 공간에는 유독 화산가스를 함유할 수 있다.

사례 분석: 예상 가상 수치 모의(유사 기상장)

2010년 5월 13일과 같은 기상장에서는 화산재가 바로 남쪽으로 내려올 수 있다. 2010년 5월 13일과 같은 기상장에서는 화산재가 바로 남쪽으로 내려올 수 있다.

유사 기상장(2012년 5월 2일~3일)에서의 수치 모의 결과, 화산재 구름이 한반도 남부로 남하하는 사례가 확인되었다. 수치 모의 결과, 화산재 구름이 한반도 남부로 남하하는 경우 예상 강하 화산재 퇴적 두께를 나타낸다(그림5). 2013년 6월 7일, 유사 기상장에서의 수치 모의 결과는 한반도 미세먼지 농도에 영향을 미치고, 강하 화산재가 내린 지역에는 농업, 항공수송, 제조업, 물류 피해 및 화산재 청소비용 등 약 20조 원의 피해가 예상된다. 유사 기상장(2012년 5월 2일~3일)에서의 수치 모의 결과, 화산재 구름이 한반도 남부로 남하하는 사례가 확인되었다. 수치 모의 결과, 화산재 구름이 한반도 남부로 남하하는 경우 예상 강하 화산재 퇴적 두께를 나타낸다(그림5). 2013년 6월 7일, 유사 기상장에서의 수치 모의 결과는 한반도 미세먼지 농도에 영향을 미치고, 강하 화산재가 내린 지역에는 농업, 항공수송, 제조업, 물류 피해 및 화산재 청소비용 등 약 20조 원의 피해가 예상된다.

조선왕조실록 제35책 효종 13권(1654년 11월 29일의 기록)에는 백두산 화산재가 함경남도에서 경기도 적성, 장단 지역으로 남하한 것을 설명하는 기록이 있다. "至於黑氣, 則臣所目見也. 其氣若雨非雨, 若烟非烟, 自北而來, 聲若風驅, 臭若腥臊, 轉頭之頃, 彌滿山谷, 掩翳 三光, 咫尺不辨牛馬, 吁 亦異哉! 近則積城 長湍之間, 遠則咸鏡南道之界, 無處不然云" "흑기(黑氣)의 경우는 신이 목격한 것입니다. 그 기운은 비 같기도 하면서 비도 아니고, 연기 같기도 하면서 연기도 아닌 것이 북쪽에서 오는데 소리는 바람이 몰아치듯, 냄새는 비린내 같기도 한데 잠깐 사이에 산골짜기에 가득 차서 빛을 가려 지척에 있는 소와 말도 분별을 못할 정도였으니, 아, 역시 괴이한 일입니다. 가까이는 적성(積城)과 장단(長湍) 사이와 멀리는 함경남도의 남쪽 경계까지 모두 그러하였다고 합니다."

유사 기상장(2012년 5월 2일~3일)에서의 수치 모의 결과, 백두산 기원의 화산재 구름이 남하하여 적성-장단(서울 북부)을 통과하는 사례를 찾을 수 있었다. 2012년 5월, 3시간 간격, 4주간 생성한 궤적의 클러스터링 결과, 좌측부터 각 클러스터(9개)의 평균 이동 경로 및 한반도 영향을 미칠 수 있다고 예측되는 3개 클러스터의 궤적을 찾을 수 있었다(그림6).

근접 화산 재해

폭발적 분화 시 화쇄류(火碎流) 발생 영향 예측 범위(화산 폭발 지수에 따른, 분연주 붕괴 시) 연구에서, 화산 폭발 지수가 2에서 7로 증가함에 따라 반경 1.8㎞, 2.4㎞, 8.8㎞, 24.3㎞, 49.3㎞, 83.1㎞로 영향 범위 확대 증가하며, 이 경우 화산 폭발 지수 2, 3, 4인 경우: 천지 내에 퇴적, 북쪽 이도백하 계곡으로 8.8㎞ 확산, 화산 폭발 지수 5, 6, 7인 경우: 동심원상으로 퍼지면서 확산하여 막대한 인명 재산 피해 발생이 예상된다.

백두산 꼭대기에는 지름 약 5㎞의 산정 칼데라 내에 천지(天池)라고 불리는 호수가 있다. 천지 칼데라호(湖)의 긴 지름은 4.4㎞ × 3.37㎞, 천지의 면적은 9.82㎢이며, 여기에는 약 20억 톤의 물이 담겨있다. 천지 수면의 해발고도는 2,189m이며, 최대 수심은 384m이고, 주변에는 높이 2,500m 이상의 외륜산(16개 봉우리)이 둘러싸고 있다. 천지 물이 흘러가는 계곡 하천을 승차하/승사하(乘槎河)라고 부른다.

폭발적 분화 시 라하르(火山泥流) 발생 영향 예측 범위 수치 모의 결과(체적에 따른), 1×106㎥의 라하르가 발생할 경우, 각 하천에서는 근위 위험지역 경계로부터 2.8㎞(두만강)에서 14.2㎞(압록강)까지 라하르가 도달할 수 있다. 1×109㎥의 라하르가 발생했을 때, 근위 위험지역 경계로부터 35.7㎞(이도백하)에서 218.6㎞(압록강)까지 도달할 수 있다. 폭이 좁고 깊이가 깊은 협곡 형태인 압록강의 경우 라하르는 협곡을 따라 상대적으로 멀리까지 도달하며, 이때 압록강 주변의 보천읍, 장백 조선족 자치현, 혜산시, 김정숙읍, 김형직읍 등이 도달 거리 내에 있다. 15개 하천 유역에 있는 마을로는 두도백하, 이도백하 및 삼도백하 유역의 이도백하진, 송강하와 두도송화강이 만나는 곳에 위치한 무송진, 조자하와 송강하가 만나는 지점에 위치한 송강하진, 화피하와 금강하가 두도송화강과 만나는 지점에 위치한 만강진, 오도백하 유역의 송강진 등이 있다.

한반도에 강하 화산재를 낙하한 일본의 화산 분화(수치 모의와 지질학적 근거)

2011년 7월 17일의 실시간 기상장에서 아소산 분화 시 화산재가 한반도 쪽으로 오는 수치 모의 결과 확인할 수 있었다. 과거 지질학적 사례는 1) 화산재 구름 확산 수치 모의 결과 9만-8만 5천 년 전 아소 4-화쇄류 발생 때 강하 화산재의 확산 범위, 2) 7,300년 전 한반도 남부에 강하 화산재를 낙하한 K-Ah tephra, 3) 29,000~26,000년 전 한반도 중남부에 강하 화산재를 낙하한 AT tephra 등이 보고되어 있다(그림7).

역사 기록의 고증을 통하여 백두산 화산재가 한반도 남부로 남하하는 것이 확인되었으며, 일본 큐슈 지역의 아소 칼데라 화산, 아이라 칼데라 화산, 키카이 칼데라 화산체로부터 과거 칼데라를 형성하는 폭발적인 분화가 발생하였을 때(VEI 7), 그 화산재 구름이 한반도 남부를 통과하여 강하 화산재를 낙하시키고 지나갔음이 보고되어 있다.

잠재적 분화 가능성을 가진 백두산, 울릉도와 일본 큐슈 지역의 활화산으로부터 폭발적 분화가 발생할 경우, 특이기상당에서 화산재가 한반도를 향하여 확산하여 강하 화산재를 낙하할 가능성이 수치 모의 결과 확인되었다.

활화산으로 분류되는 한라산과 울릉도, 백두산에서 근접 화산 재해(화쇄류, 화산이류, 용암류, 화산가스, 강하 화산재 재해)가 발생할 가능성이 충분하다고 판단된다. 한반도 존재 활화산에서 근접 화산 재해(화쇄류, 강하 화산재, 화산이류, 용암류, 화산가스, 산불 재해) 발생 가능 지역은 북한의 양강도, 자강도, 함경도, 평안북도, 길림성 백두산 주변, 그리고, 백두산 및 한반도 주변 화산(일본 지역)이 특이 기상장에서 광역 화산 재해(강하 화산재 낙하) 재해 발생 가능하므로 국민의 안전을 위하여 화산 재해에 대한 철저한 대비(연구)가 필요하다.