백두산 폭발 언제? < 이종호 박사의 재미있는 과학이야기 < 기사본문

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 이종호 박사


[뉴스데일리]백두산 천지의 여름은 한 마디로 돛대기 시장과 같다. 관광 성수기 때는 하루 16,000〜18,000명이 정상을 밟는다. 이들 중 상당히 많은 사람들이 한국인인데 이는 한국인에게 백두산이 주는 의미가 그 무엇보다도 높기 때문이다.


백두산 정상에 오르려면 반드시 백두산 입구에서 지프 승합차로 갈아타야 한다. 많은 사람들이 울창한 숲을 뚫고 심하게 구불구불한 길을 오르면서 가파른 곳도 많아 자동차가 추락하면 어떻게 하나라는 생각이 절로 나지만 백두산 정상이라는 말을 듣자마자 그동안 불안해했던 위험은 곧바로 잊어버린다고 말한다. 그런데 이러한 우려와 기대감이 근간 사라질지 모른다는 말에 많은 한국인들이 촉각을 곤두세운다. 한마디로 백두산이 조만간 폭발할지 모른다는 예상 때문이다.


백두산은 함경북도와 함경남도, 중국 길림성 조선족자치주가 경계하는 곳에 있는 높이 2,744미터(중국 측은 2,749미터로 계산)의 우리나라 최대 높이의 산으로 천지라는 호수가 있다.


천지의 물은 지하수가 60퍼센트 이상이며 나머지는 비나 눈이다. 천지의 평균 수심은 213.3미터, 최대 수심은 384미터이며 수온은 고지에 있는 관계로 0.7도에서 11도로 비교적 차서 겨울에 표면이 어는 것은 자연스러운 일이다.


화산(Volcano)은 로마신화에 등장하는 불의 신 불카누스(Vulcanus)의 이름을 따서 붙인 것이다. 불카누스는 제우스와 헤라의 아들로서 얼굴도 못생기고 절름발이로 화산의 신이면서 대장장이ㆍ장인ㆍ금속ㆍ야금과 관련된 신이다. 이탈리아 시칠리아섬 동부에 있는 에트나(Etna) 화산이 그의 대장간이었다. 고대 그리스인들은 화산이 대장장이 신인 ‘벌칸’의 대장간 굴뚝이라고 생각했다. 또 화산 폭발 때 튀는 용암 파편과 화산재는 벌칸이 제우스의 번개 창을 만들기 위해 쇠를 두드릴 때 나오는 것들이라고 생각했다. 그리스신화에서는 헤파이스토스(Hephaistus)라는 이름으로 등장한다.


그는 신들의 궁전을 만들고 가장 아름다운 여신 아프로디테를 아내로 삼는다. 미술작품에서 헤파이스토스는 수염을 기른 건장한 중년남자로 손에는 쇠망치나 연장을 들고, 오른쪽 어깨는 옷을 걸치지 않은 모습으로 표현되고 있는데 못생긴 그가 화산의 신으로 인식되는 것은 화산이 그만큼 인간에게 못된 인상을 많이 주었기 때문으로 생각된다. 실제로 화산폭발은 인류가 직접적으로 영향을 받는, 지구상에서 가장 위험한 사건 중의 하나이다.


화산활동이란 지구 내부에 있는 마그마가 지각의 얇은 틈을 뚫고 지표로 솟아오르는 것으로 이는 격렬한 지구 활동의 하나다. 화산을 영어로 볼카노(volcano)fk 하는데 그 어원은 지중해에 있는 작은 섬의 이름에서 유래했다. 고대 그리스인들은 화산이 대장장이 신인 ‘벌칸’의 대장간 굴뚝이라고 생각했다. 또 화산 폭발 때 튀는 용암 파편과 화산재는 벌칸이 제우스의 번개 창을 만들기 위해 쇠를 두드릴 때 나오는 것들이라고 생각했다.


인류가 기억하는 가장 오래된 화산폭발은 기원전 693년에 있었던 그리스의 에트나 화산이다. 에트나 화산은 높이 3,329m로 유럽에서 가장 높고, 약 250만 년 전부터 화산활동이 시작되었을 것으로 추정되는데, 역사상 200번 넘게 폭발한 것으로 알려져 있다. 에트나 화산은 원뿔형으로 둘레가 140km, 바닥 면적은 1,190km2에 이른다. 그리스인들이 화산의 신으로 에트나에 있는 대장장이 헤파이스토스를 거론하는 이유를 이해할 것이다.


우리에게 가장 잘 알려진 화산재해 중의 하나는 79년 8월 24일 폭발한 이탈리아의 베수비오 화산폭발이다. 이 폭발로 인해 이탈리아 남부 나폴리 만(灣) 기슭에 있던 고대도시인 폼페이가 화산재에 의해 완전히 덮여버렸다. 이후 폼페이시는 로마 귀족들의 휴양 도시이자 농업과 상업의 중심 도시였다는 문헌상의 기록만 존재할 뿐 실제 그곳이 어디인지는 밝혀지지 않았었다. 그러던 중 1599년 어느 날, 수로공사 중에 우연히 유적이 발견되면서 발굴되기 시작하여 로마인들의 화려한 도시생활을 엿볼 수 있게 되었는데 현재까지 3분의 2가 발굴되었다.


세계인들에게 백두산 폭발이 초미의 관심사인 것은 과거의 화산 폭발 전력 때문이다.


백두산의 현재 지형은 당시 분화만으로 형성된 것이 아니라 수억 년의 지질활동과 여러 차례의 대규모 화산 활동을 통해 만들어진 것이다. 백두산 일대는 적어도 약 2,840만 년 전부터 화산 분화가 있었고, 지금으로부터 100만 년 전까지 대지에 갈라진 틈새를 따라 현무암이 분출했다. 용암이 여러 차례 분출되면서 이 일대에 개마용암대지가 형성됐고, 경사가 완만한 돔 모양의 순상화산체(shield volcano)도 만들어졌다. 이들이 현재 백두산의 하부를 이루고 있다. 이 위에 60만 년 전부터 10,000년 전까지 조면암 및 알칼리유문암 화산활동으로 점성이 큰 용암과 화성쇄설물(화산폭발로 방출된 다양한 크기의 암석 조각)이 교대로 쌓여 경사가 급한 성층화산체(strata volcano)가 형성됐다.


백두산은 계속 폭발했는데 4000년 전과 1000여 년 전 폭발적인 대분화가 일어나서 성층화산체의 상층 부분이 함몰되면서 거대한 호수인 천지(天池)가 만들어졌다. 천지 내에는 크게 보면 3개의 분화구가 있는데, 이 중 2개는 946년과 947년의 대폭발 당시 만들어진 것이다. 즉 우리가 알고 있는 백두산의 모습이 완성된 것은 불과 1000여 년 전이라는 얘기다. 이후에도 계속 백두산은 분화했는데 최후의 기록은 1903년이다. 한국의 역사에서 최초의 백두산의 대폭발 기록은 고려 정종 원년(946)과 947년이다.


『고려세가』에 ‘이 무렵 하늘에서 고동 소리가 들려 사면했다’라는 기록이 있다. 『고려사절요』는 백두산이 폭발한 날을 ‘10월 7일’로 기록했다. 『일본략기(日本略記)』는 ‘정월(947년) 2월 7일에 하늘에서 천둥 같은 소리가 났다’고 했다. 946년에 이어 947년에도 백두산이 폭발했다는 뜻이다. 지질학자들은 이때의 폭발 증거를 일본에서 찾았다. 백두산 화산재는 편서풍을 타고 동해 바닥에 10㎝, 일본 홋카이도 남부와 혼슈섬 북부에 5㎝ 화산재 층을 남겼다.


946년과 947년 백두산이 폭발할 때의 VEI는 7.4이며 화산재는 100〜150km3로 추정된다. 이 정도면 백두산 분출은 1815년 지구촌에 ‘여름 실종’ 사태를 부른 인도네시아 탐보라 화산폭발 등과 함께 역사기록으로 남겨진 세계 최대 규모의 화산활동인 셈이다.


천지 분화구에서 분출한 화산재와 가스는 강한 편서풍을 타고 북한의 함경도를 거쳐 초속 120미터(시속 400km)로 1,000km 이상 떨어진 동해와 일본 동북부와 홋카이도까지 퍼졌다. 이는 폭발 후 겨우 3〜4시간 뒤의 이야기로 당대에 백두산 폭발에 대한 정보를 알아도 속수무책일 수밖에 없다. 궈정푸 중국 과학아카데미 연구원은 이 당시 불화수소 약 2억 톤과 아황산가스 2,300만 톤이 함께 분출되어 야생동물과 가축의 질식, 산성비, 나아가 성층권의 오존층 파괴도 일으킨 것으로 추정했다. 학자들의 우려대로 백두산 화산이 폭발하면 유사 이래 최대 규모라는 전망이 나오는 이유이다.


백두산은 조선시대에도 폭발했다는 기록이 보인다. 기록을 보면 1413년, 1420년, 1597년, 1668년, 1702년, 1903년 마지막으로 분화한 후 100여 년 넘게 화산활동을 멈추었다.


KAIST 인공위성연구센터 채장수 박사는 “백두산 아래 마그마가 들어차 있는 ‘마그마 방(magma chamber)’ 2~4개가 자리 잡고 있다”고 했다. 조용한 마그마 방에 뜨거운 마그마가 밀려들면 마그마 방 전체가 출렁거리고, 휘발성 가스와 수증기가 나오면서 압력이 커지며 임계조건을 넘으면 일시에 고압의 화산가스가 팽창되면서 폭발한다.


백두산 아래 마그마의 움직임은 지각판의 이동과 관련 있다. 태평양 바다 아래 지각판인 태평양판이 일본 동해안 쪽에서 유럽·아시아 대륙을 이루는 지각판인 유라시아판과 만난다. 태평양판이 유라시아판 아래로 파고 들어가고, 그로 인해 결국은 백두산 아래 마그마 방에 마그마가 채워지는 것이다.


화산 폭발은 지하의 마그마가 분출하는 현상인데, 백두산 지하에 어마어마한 양의 마그마가 들어있다는 것이 확인되었다. 문제는 백두산이 다시 꿈틀거리기 시작했다는 데 있다. 천지 주변에는 매달 10〜15차례 지진이 발생하고, 지진파 측정 결과 백두산 지하에 거대한 마그마 방이 도사리고 있는 것으로 알려진다. 백두산이 폭발하면 여타 화산폭발과 규모가 다른 것은 천지에 있는 20억t에 이르는 물 때문이다. 백두산 폭발로 대홍수가 발생하여 큰 피해를 주는 것은 물론 막대한 양의 고온 화산재가 멀리 날아가 화재를 일으키면서 주위를 폐허로 만든다. 특히 백두산 마그마가 점성이 높은 유문암 성분이어서 한꺼번에 분출되면 파괴력이 더 커진다. 특히 역사시대의 대규모 분출기록과 최근의 전조증상을 바탕으로 화산학자들은 백두산을 ‘고위험 화산’으로 분류한다.


백두산은 현재 중국과 북한이 점령하고 있는데 중국 국가지진국은 1999년 천지온천 북쪽에 천지화산관측소를 설립해 다음 분출에 대비하고 있다. 천지화산관측소가 마그마 공급 속도를 근거로 계산한 중국 측이 전망하는 최악의 시나리오는 그야말로 재앙 중의 재앙이다.


격렬한 폭발과 함께 6cm이상의 화산탄이 날아간다. 화산재가 10〜15cm 두께로 쌓이면 건물 지붕이 무너질 정도로 위력적이다. 학자들은 10세기에 폭발할 때 14,000〜33,000km2 범위에 10〜30cm 두께로 화산재가 쌓였다고 추정한다. 화산재가 1cm만 덮여도 농작물은 치명적 피해를 입는다. 마그마에 포함된 다량의 불소는 유독가스가 되어 사람과 가축을 질식시킨다. 관측소는 1000년 전의 분출이 되풀이된다면 중국과 북한, 일본 북부 등에서 남한 면적의 7배인 70만km3가 농업과 주거환경에 심각한 피해를 입을 것으로 예측했다.


실제로 백두산의 분화 징후로 보여지는 현상도 포착되고 있다. 최근 천지 바로 지하 2-5Km 하부의 천부 화산지진이 증가(2003년 월 250회)했다. 또 백두산 천지 주변 외륜산 일부 암반 붕괴(2003년), 균열(2003년) 등이 발생했다. 백두산 천지 칼데라 주변의 암석 절리(틈새)를 따라 화산 가스가 분출해 주변 일부 수목이 고사(枯死)됐다. 김진섭 부산대학교 교수는 위성 GPS를 이용한 백두산 천지 주변 지형이 연간 이동속도 관측결과 2002년 8월부터 2003년 8월까지 천지 북측의 수평 및 수직 연간 이동속도가 약 45〜50mm/년으로 활발해졌다고 말했다. 윤성효 부산대 교수는 백두산 분화 조짐의 근거로 다음을 들고 있다.


① 백두산 천지(天池)에서 화산 가스로 인한 기포가 발견됐다


② 2010년 2월 중국, 북한, 러시아 국경지대에서 발생한 규모 6.9의 강진(强震)이 백두산 지하의 마그마(magma)를 자극했을 가능성이 크다.


③ 2002~2007년 백두산 천지의 지형이 10센티미터 이상 솟아오르는 등 지형 변화가 위성 촬영 등을 통해 확인된다.


윤교수는 백두산이 1000여 년 전 수준으로 분화·폭발한다면 그 후유증이 일본 후쿠시마(福島) 원전사고와 비교가 안 될 정도로 심각할 것이라고 주장했다. 한마디로 ‘화산성(性) 겨울’도 예상할 수 있다는 설명이다.


한국인들이 궁금해 하는 것은 언제 폭발하느냐이다. 이 질문에 대한 답은 학자들에 따라 다르다. 일본 규슈대의 에하라 사치오 교수는 ‘폭발 주기가 임박했다’고 주장한다. 반면에 많은 한국 학자들은 백두산이 폭발한다는 것이 사실일지라도 ‘아직은 아니다’라는 주장한다. 적어도 당장은 아니라는 뜻이다. 무엇보다 2006년 이후에는 지진 발생빈도가 낮아지고 있다는 것이다. 중국 지진국 지질연구센터의 허건동(許建東) 연구원도 백두산 화산이 아직 폭발 단계에 이르지는 않았다고 주장했다. 백두산의 분출 잠복기는 약 300년(또는 1000년)으로, 다음 100년 안에 분출할 확률이 매우 높지만 그 정확한 시기는 알 수 없다고 말하는 것도 그 근거이다. 김진섭 부산대 지질환경과학과 교수도 백두산이 분명히 활화산이지만 폭발 시기가 이르면 10년 이내일 수도 있고 100년 이내일 수도 있다고 피력했다.


<한국지질자원연구원>의 이윤수 박사는 중국이 1999년부터 관측소를 세워 데이터를 축적하고 있는데 이들 자료를 바탕으로 해도 1〜2개월 뒤 분화 가능성만 확률적으로 예측할 수 있다고 설명했다. 항간에 떠도는 백두산이 5년 내 폭발할지 모른다는 가능성은 과학적인 근거가 없다는 지적이다. 특히 백두산이 10세기 중반 때와 같은 대규모로 폭발할 것이라는 근거도 아직 없다. 백두산이 10세기 중반 대폭발 이후 5〜6번 분화 기록이 있지만 그때마다 규모가 작았다. 따라서 1000년 전처럼 대규모 분화가 일어날 것이라고 섣불리 예측할 수는 없다는 지적이다.


물론 화산이 우리에게 무서운 재앙만 갖다 주는 것은 아니다. 화산 폭발이 지구의 부족한 부분을 채워 주는 자연 현상으로도 간주되기 때문이다. 화산 폭발로 생긴 지구 내부의 암석 물질은 지표면에서 새로운 암석과 토양을 만들어 주며 이들은 지구가 유지되는데 필요한 원소들을 공급한다.


그리스와 로마 문명은 지중해와 에게 해의 화산 활동으로 만들어진 기름진 토양을 바탕으로 탄생했다. 인도네시아에서 가장 좋은 쌀을 생산하는 메라피 화산 기슭은 물론 미국의 주요 농업 지역의 토양도 화산 활동의 결과다. 이탈리오 베수비오 인근에서 질 좋은 포도주가 생산되는 것도 화산 주변이기 때문이며 우리나라 강원도 철원 평야에서 생산되는 쌀의 미질이 좋은 것도 같은 이유로 설명한다.


화산지역이라면 제일 먼저 떠올리는 것이 온천이다. 특히 일정한 시간 간격으로 수증기를 분출하는 간헐천은 많은 관광객들을 유치하는 볼거리이다. 또 화산 중에 용암 대신 진흙을 뿜어내기도 하여 이들 지역의 진흙 마사지를 유명하게 만든다. 또한 구리, 금, 은, 납, 아연 같은 주요 금속들도 모두 화산활동과 관계가 깊은 광물 자원이다.


화산 폭발은 지하에 웅크리고 있던 마그마가 지상으로 분출하는 것이다. 따라서 화산 폭발의 요체는 마그마이며, 마그마의 움직임을 얼마나 정밀하게 알아내느냐가 화산 폭발을 예측하는 시스템의 핵심이다. 세계 각지에서 일어나는 화산 피해 사례들은 화산의 분화나 폭발을 현대 과학으로도 정확하게 예측하기가 그만큼 어렵다는 것을 반증해 준다.


마그마를 관측하는 방법은 다양하다. 우선 지진파를 발사해 마그마의 상태를 알아내는 것이다. 지진파는 액체인 마그마를 만나면 고체인 암석과 다른 진행경로를 보인다. 이로부터 마그마의 상태를 알아낸다. 두 번째 방법은 위성 GPS(위치추적 장치)와 지상의 위치정보측정 장치를 결합한 DGPS(정밀위성지리정보시스템)로 해당 지점의 지형변화를 읽어 내는 것이다. GPS의 오차가 통상 수m 내외인데, DGPS의 오차는 1㎝ 안팎이다. 마그마가 부풀어 지상의 산을 올릴 때 DGPS를 사용해 땅속의 마그마 변화를 간접적으로 알 수 있다.


위성을 사용한 또 다른 관측도구로는 ‘합성영상레이더(SAR, Synthetic Aperture Radar)’가 있다. 합성영상 레이더는 가시광선보다 파장이 긴 마이크로파(波)를 사용한다. 인공위성에서 합성영상 레이더를 사용해 마이크로파를 지상으로 보내면 마이크로파는 지하 수 m까지 내려가 땅속 정보를 위성에 전달한다. TV보다 파장이 긴 전자기파를 사용하는 라디오 방송을 TV가 나오지 않는 지역에서도 들을 수 있는 것과 비슷한 이치다.


그럼에도 불구하고 정확한 화산 폭발 시기를 예측하는 것은 만만치 않은 일인데 퀸즈랜드대 테레사 유바이드(Teresa Ubide) 박사가 화산 폭발을 미리 알 수 있는 단서를 찾았다고 발표했다. 유바이드 박사는 화산 깊숙한 곳에서 형성되는 소금 알 크기의 작은 결정체를 분석하면 화산 폭발을 미리 알 수 있다는 주장이다.


이 결정체들은 용암, 즉 마그마가 지하 30㎞ 깊이에서 지표쪽으로 움직이기 시작할 때 화산 내부에서 만들어진다. 분출하는 마그마를 통해 운반되며, 운반되는 동안 계속 자라기도 하는데 중요한 점은 지표면으로 운반되는 도중에 구성이 변한다는 사실이다.


유바이드 박사는 레이저 기술을 이용해 이 결정들의 내부를 조사한 결과 이 결정들이 나무의 나이테와 비슷한 성장층 형태의 ‘기억’을 포함하고 있다는 사실을 발견했다. 따라서 각층들의 ‘역사’를 판독하면 휴화산을 포함해 더욱 효과적인 화산 위험 모니터링이 가능하다는 설명이다.


여기에서 중요한 것은 이 결정체들이 분출이 시작되기 직전에 그 과정을 ‘기록’한다”는 것이다. 유바이드 박사는 이탈리아 시실리의 에트나 화산을 예로 들면서 새로운 마그마가 지하 깊은 곳으로부터 지표 아래 10㎞ 깊이까지 도달하면 2주 안에 분화가 촉발된다는 것이다.


물론 화산 분화 예측은 화산마다 특성이 다른데다 급속하게 진행되는 경우도 많아 정확한 예측이 어려운 실정이다. 인도네시아 발리의 아궁 화산은 전조 지진이 일어난 지 2개월 뒤에 분출이 시작됐다. 한마디로 아직 모든 화산에 적용할 수 있는 알고리즘을 찾지는 못하고 있지만 일단 화산 분화의 단초를 발견했다는 것은 매우 중요한 일이 아닐 수 없다.


한국의 당면 문제인 백두산의 경우 백두산이 살아있는 화산 즉 활화산이라는 점이다. 쉬고 있는 화산이므로 백두산이 내일은 아니더라도 근간 폭발할 수 있다는 가능성은 매우 높다고 볼 수 있다.


가장 큰 질문은 백두산이 폭발한다면 대한민국에 어떤 영향을 미치느냐이다.


우선 이런 문제를 2019년 330억 원을 들여 이병헌, 하정우가 출연한 「백두산 폭발」이 출시됐다. 한국에서 330억 원이라면 엄청난 불럭버스터이다.


‘갑작스러운 재난에 한반도는 순식간에 아비규환이 되고, 남과 북 모두를 집어삼킬 추가 폭발이 예측된다.’


한국에서 330억 원이라면 엄청난 불럭버스터로 손익분계점 730만 명인데 820만 명으로 이를 넘겼고 월드 박스오피스 6,100만 달러로 준수한 실적을 올렸다고 알려진다. 여하튼 이 영화를 보더라도 한국인들이 백두산 폭발에 얼마나 관심을 갖고 있는지 알 수 있다. 실제 백두산이 폭발하면 백두산 인근 지역인 중국 일부와 북한 일부 도시에서는 천지의 물 때문에 엄청난 홍수가 난다고 설명되는데 일부 한국의 학자들은 백두산이 폭발할 경우 다음과 같이 설명한다.


‘화산재로 인해 정밀제조업 결함, 호흡기질환 증가, 항공기 결항 등 간접적인 영향을 받기는 하겠지만 주 피해지는 중국과 북한, 일본으로 추정한다. 고려시대의 대폭발 때도 그랬지만 화산재가 편서풍을 타고 함경도∼동해∼일본으로 퍼지기 때문이다.’


백두산이 폭발하더라도 한국에 직접적으로 큰 피해를 주지 않는다는 뜻이지만 어떤 연유로든 한반도에 영향을 미치지 않을 수 없으므로 한국인들이 촉각을 세우는 것은 당연한 일이다.[필자:이종호 박사]

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