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‘끼이익’ 컨테이너 철문을 열자 돌이 무더기로 쌓인 선반이 눈에 들어왔다. 뽀얀 돌먼지를 뒤집어쓴 컨테이너 내부는작업 중인 채석장을 연상시켰다. 11월 2일 오후 1시, 기자는 대전 한국지질자원연구원(이하 지질연)에서 열린 ‘백두산 샘플파티’에 참석했다. 국내 연구진 14명이 7월 30일부터 8월 12일까지 세 번에 걸쳐 백두산에서 채취한 암석 샘플 약 300kg을 한 곳에서 볼 수 있는 자리였다. 화려한 조명과 음식이 준비된 ‘파티’는 아니었지만, 흥분된 분위기만큼은 여느 파티 못지않게 후끈했다. 그 현장을 과학동아가 단독으로 취재했다.

화산 폭발 비밀 담은 ‘블랙박스’

“자, 박스에 쓰인 이름이랑 채취한 암석을 잘 확인하고 필요한 분량을 말씀해 주세요!” 백두산 탐사를 총괄했던 이윤수 지질연 국토지질연구본부 책임연구원의 말이 끝나기 무섭게 연구자들이 암석 주변에 모여들었다. 한여름 땀 흘려 채집한 암석을 손에 얻기까지 자그마치 세 달이 걸렸다(중국과학원과 중국의 세관을 거쳐오느라 긴 시간이 걸렸다). 백두산 샘플은 색깔이 흰 것과 검은 것, 크기가 주먹만 한 것부터 큰 것까지 다양했다. 하지만 문외한인 기자의 눈에는 그냥 돌일 뿐. 별 생각 없이 암석 하나를 주워들었다. 그런데….

너무 가벼웠다! 사람 머리만 한 돌을 한 손으로 거뜬히 들었다. 이 책임연구원은 기자에게 돌덩어리를 수조 속에 넣어보라고 했다. 설마 했지만 속는 셈치고 그의 말에 따랐다. 잠시 뒤 기적이 일어났다. 돌이 물 위에 떴다(아래 사진). “서기 939년이나 946년 천지 아래에 있던 마그마가 폭발하는 순간에 만들어진 부석입니다. 기공 함량이 60~70%나 되죠.” 옆에 서있던 김기범 경상대 기초과학연구원 학술연구교수는 이런 부석이 폭발 당시 마그마가 어떤 성질을 가지고 있었는지를 가장 잘 기록하고 있는 암석이라고 설명했다.
 

 

백두산 지하 수십 km 지점에 있는 현무암질 마그마는 상승하면서 서서히 유문암질 마그마로 변한다. 이 과정에서 철과 마그네슘 성분은 사라지고 마그마 내부에 수증기, 이산화탄소와 같은 휘발성 가스들이 점점 축적된다. 하지만 유문암질 마그마는 점성이 현무암질 마그마보다 100만 배나 크기 때문에 가스가 잘 빠져나오지 못한다. 그 상태로 버티고 버티다 ‘펑’ 터진 팝콘 같은 암석이 바로 부석이다. 자세히 보니 부석 표면에 끈적끈적한 솜사탕처럼 얇고 길게 늘어진 조직이 보였다. 높은 가스압에 견디는 동안 만들어진 흔적이었다. 약 1000년 전 백두산이 화산폭발지수 7의 대폭발을 했을 땐 이런 부석이 천지에서 수백 km 떨어진 지점까지 날아갔다. 부석이 떨어진 범위를 보면 과거 화산의 분출 이력을 알 수 있다.

3년째 백두산을 탐사하고 있는 손영관 경상대 지구환경과학과 교수팀은 이런 부석의 기공 조직을 분석했다. 연구팀은 병원에서 사용하는 것보다 에너지가 수천 배 강한 공업용 컴퓨터단층촬영장비(CT)로 부석의 단면 구조를 들여다봤다. 그 결과, 부석에 난 기공에 두 가지 종류가 있다는 사실을 새롭게 알아냈다. 처음에 만들어진 것으로 추정되는 동그란 기공과, 추후에 분화 단계에서 변형된 것으로 추정되는 타원형이나 튜브 모양의 기공이 동시에 발견된 것이다. 손 교수는 “화산 심부에서 마그마가 올라오며 기공이 형성될 때 적어도 두 단계에 걸쳐 기공이 만들어졌다는 뜻”이라며 “이런 작용이 백두산의 폭발력을 키웠을 것”이라고 추측했다. 기공이 백두산의 강한 폭발력을 근본적으로 설명할 수 있다는 얘기였다. 더 궁금한 것이 많았지만 손 교수는 곧 논문으로 발표하겠다며 말을 아꼈다.

기자는 이날 운이 좋게도 백두산 아래 지각을 30km 이상 시추해야 만날 수 있는 맨틀도 눈으로 직접 봤다. 마그마가 지하 깊은 곳 맨틀에서 터지면서 주변의 암석들을 덩어리째 끌고 올라온 ‘포획암’ 덕분이었다. 보통 고온의 마그마는 주변 맨틀과 만나면 서로 섞여 새로운 암석을 만든다. 그러나 백두산에서 발견된 포획암은 달랐다. 검은색 현무암질 암석 속에 옥색의 감람암을 온전히 간직하고 있었다. 감람암은 맨틀의 주된 구성 물질이다. 대학에서 공학을 전공하며 기초과학을 배웠지만 맨틀이 옅은 초록색을 띤다는 사실은 처음 알았다.

백두산의 심부를 날것으로 보여주는 이런 암석들은 백두산의 마그마가 어떤 성분으로 구성돼 어떻게 진화했는지, 심부 맨틀이 주변 암석과 어떻게 상호작용하면서 지표까지 올라오는지를 알려준다. 실제로 샘플 파티장 한켠에는 백두산의 이웃 화산인 중국 헤이룽장성의 우다롄츠 화산에서 채취한 현무암들이 쌓여 있었다. 우다롄츠 화산은 200년 전에 분화한, 백두산보다 더 젊은 화산이다. 샘플 파티에 참석한 최성희 충남대 지질환경과학과 교수는 “동중국에서 가장 독특한 성질을 가진 맨틀이 녹아 분출된 화산암이다. 백두산 마그마를 생성한 맨틀과도 유사성이 있을 것”이라며 암석이 든 상자를 귀한 자식처럼 품에 안았다.

한편 이날 샘플 파티에선 실리카라고도 불리는 이산화규소(SiO2)의 산화물도 주목을 받았다. 실리카는 마그마 주변에서 활발하게 움직이고 있는 초임계유체가 암석 틈새를 뚫고 올라온 흔적이다. 초임계유체는 백두산 화산활동을 설명하는 열쇠다. 초임계유체가 암반을 뚫고 길을 내면 그 길을 따라 마그마가 올라온다.

연구팀은 수십 곳의 노두에서 채취한 43암석 시료를 이용해 백두산 화산 분화의 비밀을 풀기 위한 다양한 연구를 계획했다. 채취한 암석시료 중 3분의 2는 연구용으로 쓰고, 나머지 3분의 1은 향후 정밀 연구를 위해 보관한다. 연구용 시료들은 채취한 노두마다 박편을 만들기로 의견이 모아졌다. 박편은 암석을 두께 30μm(100만 분의 1m) 정도로 얇게 포 뜨는 작업으로, 얇은 암석을 기포 없이 유리에 붙이기 위해서는 노하우가 필요하다고 했다(문득 스마트폰에 액정보호 필름을 붙일 때의 노력이 떠올랐다!).

이윤수 책임연구원은 “백두산 암석 샘플은 백두산의 과거 화산활동 기록이 담긴 블랙박스와도 같다”며 “다른 연구자들도 나중에 백두산을 연구할 수 있도록 샘플을 공유할 것”이라고 말했다. 실제로 샘플 파티에 모인 연구자들은 구글 지도에 암석을 채집한 위치와 분석한 암석 정보를 등록하는 등 구체적인 방법을 논의했다.