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재료를 녹여 물에 넣은 다음 아래에서 압력을 가하여 해저에서 추가 마그마의 상승을 시뮬레이션.
수압이 너무 높아서 마그마 구멍과 균열에 증기층이 형성되지 않는다.
‘유도된 연료-냉각제 상호작용, IFCI; induce fuel-coolant interaction)이라는 메커니즘이 다른 해저 화산과 다른 행성에서도 발생할 수 있다.

심해 화산이 거대한 화산재 구름을 생성할 수 있는 이유

규칙에 어긋난 현상 :
심해 화산은 실제로 재를 생성해서는 안된다. 수압이 너무 높기 때문이다.
연구원들은 최근 태평양의 해저 화산이 거대한 화산재 양탄자를 생산한 이유를 명백히 밝혔다. 해수가 뜨거운 용암의 균열과 접촉하면 폭발적인 반응이 발생해 용암을 분해하고 작은 재 입자로 찢어 놓는다. 과학자들이 "Nature Geoscience" 저널에 발표한 내용이다.

▲ 해저 화산 Havre의 지형 모델. 연구원들은 이것이 심해에도 불구하고 어떻게 많은 양의 재를 생산할 수 있는지 설명했다. © University of Tasmania/ WHOI

해저 화산의 대부분의 분화는 다소 점진적이다.
해저에서 점도가 낮은 용암이 흘러 큰 폭발없이 굳는다.
종종 약간의 지진과 연기구름이 수면 아래 깊은 곳에서 일어나는 일을 증거한다.
현재 가장 큰 해저 분화조차도 나중에 눈으로 확인하는 정도다.

아브르 화산 : 1천 미터 해저에서 올라온 화산재

그러나 또 다른 방법이 있다.
2012년 8월 중순, 심해 화산인 Havre는 뉴질랜드 북서쪽 남태평양 Bimsstein-Areal  에서 분화하여 하루 안에 물에 뜨는 돌로 400㎢(제곱킬로미터)의 카펫을 만들었다. 동시에 해저 분화는 막대한 양의 화산재를 생성했으며, 이 화산재는 해저와 수역의 넓은 지역에 분포되어 있었다.
다이빙 로봇을 이용한 조사에 따르면 이 발발은 1억㎥(입방미터) 이상의 재를 바로 근처에 퇴적시켰을 것으로 추정된다.

이상한 점은 해저 화산이 900에서 1,000 미터 깊이에 있어 수압이 큰 지역에 이라는 점이다.이 조건하에서, 일반적인 교리에 따르면, 실제로 재가 발생하지 않아야 한다.
이것은 일반적으로 상승하는 동안 열 및 압력 완화로 인해 기공의 화산 가스 또는 수증기 및 마그마의 균열이 갑자기 팽창할 때 발생한다. 이로 인해 마그마가 찢어지고 미세한 재 입자가 만들어진다.

▲ 태평양의 수중 화산 폭발 : 경석 석재 카펫은 몇 주 동안 바다에서 눈에 띄지 않게 표류했다. Jeff Schmaltz / LANCE MODIS RRT / NASA GSFC. 2012.8.13 슈피겔 보도

실험실에서 심해 분화 재현

그러나 Havre 화산에서는 수압이 너무 높아서 마그마 구멍과 균열에 증기층이 형성되지 않는다. 대신, 해수가 발발하는 용암에 직접 가압되어 효과적인 기체 탈출을 방지한다.
아이슬란드 대학 (University of Iceland)과 그의 동료들의 토비아스 뒤리그(Tobias Dürig)는“접촉 영역에서 안정적인 증기층 형성이 1MPa(메가 파스칼) 이상의 압력과 100m 이상의 깊이에서 억제되었기 때문에 폭발적인 해저 발생은 예전에는 거의 없었다”고 설명한다.

그럼에도 이 거대한 양의 재가 Havre 화산에서 어떻게 발생했을까?
연구원들은 화산을 실험실로 가져갔다. 그들은 다이빙 로봇이 해저에서 자란 물질을 사용하여 분화를 재현했다. 재료를 녹여 물에 넣은 다음 아래에서 압력을 가하여 해저에서 추가 마그마의 상승을 시뮬레이션했다.

▲ 수백 킬로미터 펼쳐진 부유석. 넓이는 벨기에 영토크기다. 사진: 2012년 8월 13일 Spiegel 지 보도

증기없는 마그마 파열

증기와 가스가 없어도 마그마와 물의 폭발적인 반응이 있을 수 있다는 것이 밝혀졌다.
예를 들어 물의 냉각 및 아래로부터의 압력으로 인해 마그마 표면에 작은 균열이 형성될 때 발생한다. 1초 안에, 높은 수압은 해수를 할퀴면서 압축하고 열로 인해 액체가 폭발적으로 팽창한다.

수증기 분출을 위한 고전적인 메커니즘과 달리, 이 폭발은 수증기 필름없이 수압에서 발생한다. 유일한 결정 요인은 마그마가 찢어지고 물과 직접 접촉하는 것이다.
연구진은 “이 열수압 메커니즘은 열을 집중적인 기계 작업으로 전환시킨다”고 설명했다.
"정상적인 수증기 분출과는 달리, 이 수압 단계에는 급격한 증기 팽창이 뒤따르지 않는다."

▲ 해저 화산 분화후 물에 떠 다니는 경석 DPA/ New Zealand Defense Force 2012.8.13 Spiegel

Havre 분화와 같은 재

이 비정상적인 폭발 형태의 힘은 마그마를 작은 조각으로 파쇄하기에 충분하다.
많은 양의 재가 생성된다. 과학자들은 “실험에서 이러한 과정은 Havre 화산에서 나온 재의 특징인 형태학적 지문을 지닌 입자를 생성했다”고 보고했다.
그들이 발견한 메커니즘은 Havre 심해 화산이 어떻게 엄청난 양의 재를 생산할 수 있었는지 잘 설명해준다.

연구원들은 ‘유도된 연료-냉각제 상호작용, IFCI; induce fuel-coolant interaction)이라는 메커니즘이 다른 해저 화산과 다른 행성에서도 발생할 수 있다고 추측한다.
Dürig와 그의 팀은 “이러한 유도된 상호 작용은 서로 다른 습한 환경의 압력에 관계없이 수면 바로 아래에서 심해까지 일어날 수 있다”고 설명했다.

(Nature Geoscience, 2020; doi : 10.1038 / s41561-020-0603-4)
Nature Geoscience

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