백두산 화산 폭발이 임박했다는 소식이 최근 들려오고 있다. 백두산은 다시 깨어날 것인가. 깨어난다면 어떤 양상을 낳을 것인가. 화산이란 무엇인지부터 화산폭발 대처방안까지, 화산 지질학자가 소개했다.

최근 중국발 외신보도 등에 따르면 우리 민족의 영산인 백두산이 곧 폭발할 가능성이 있다고 한다. 중국 내에서는 중국재해방어협회, 화산학회, 국가지진국 지질조사소 및 백두산이 위치해 있는 길림성 연변조선족자치주 지진변공실(地震辨公室) 등에서 화산폭발로 인한 각종 재해에 상당히 신경을 쓰고 있다.

이들은 만약 백두산 화산이 폭발하면 엄청난 인명 손실 및 자연재해가 있을 것으로 예견한다. 이러한 생각들은 몇몇 지질학적인 현상으로 뒷받침되고 있다. 우선 백두산 화산이 지금부터 2백-3백년 전에 6-7차례 소규모 분출을 했다는 역사적 기록이 있다. 또 장백폭포 밑 온천 수온이 81.6℃에 달하고, 백두산 천지를 중심으로 북동 북서 동서 남북방향으로 활동단층이 있다.

백두산 주변 백운봉 기슭, 녹명봉 정상부, 제자하(梯子河) 상류 동강(東崗) 등지에서 암석틈을 따라 방출되는 화산가스가 수차례 관측된 사실도 한몫한다. 아울러 1985년 연변조선족자치주 지진변공실에서 백두산 지역에 화산 지진관측소를 세운 뒤 6-9월에 걸쳐 계절성 관측을 실시한 결과, 1992년까지 화산성 지진과 미동이 78차례 이상, 특히 1991년 6월에는 화산형 지진이 30차례 이상 관측되었다.

이러한 자료들에 근거해 중국 과학자들은 백두산을 사화산이 아니고 화산활동이 잠재돼 있는 활화산으로 평가하고 있다. 연변조선족 지진사무소의 지진파 자료 분석 결과에 따르면 화산성 지진의 진원 깊이는 약 10-15㎞ 와 30-40㎞의 두 부분으로 분석된다.

백두산 지역 모호면의 깊이가 약 38㎞임을 감안할 때 30-40㎞ 깊이는 현무암질 마그마방 깊이에 해당하며 10-15㎞ 깊이는 유문암질 마그마방 위치와 대략 일치하는 것으로 해석된다.

이러한 지질학적 사실로 미루어볼 때 백두산 지하 심부에서 계속 유체 상태의 마그마가 만들어져 성장한다면 이 지역은 상당히 폭발가능성이 높다고 볼 수 있다.

화산의 종류도 가지가지

지하 수십㎞내지 수백㎞ 깊은 곳에는 8백-1천2백℃에 가까운 온도에서 녹아 있는 용융물질이 있는데, 이를 마그마라 부른다. 마그마 일부가 딱딱한 지각 약한 곳을 따라 상승하여 지표면 위로 분출되는데 이것이 용암이다. 용암이 지표로 유출되면서 고온의 휘발성 가스 성분과 가스로 인한 침식과 폭발 때문에 생성된 고체 화산 쇄설물이 대량 방출된다.

화산가스 대부분은 수증기이며 이산화탄소 질소 아황산가스 및 소량의 수소 일산화탄소 황과 염소를 포함한다. 보통 좁은 의미에서 화산이라 하면 이들 화산분출물이 구멍, 즉 화구(火口) 주위에 쌓여 점점 높아져서 산체를 이룬 것을 말하나, 넓은 의미의 화산은 마그마가 지표로 분출되는 곳이다.

화산체의 형태와 구조는 분출하는 용암의 점성, 화산 쇄설물과 용암의 비율 및 화산활동상에 따라 달라진다. 즉 용암의 점성이 작고(반면 유동성은 커진다) 용암의 양이 화산쇄설물에 비해 압도적으로 많으며 조용하게 유출할 때는, 주로 고온의 현무암질 용암이 분출된다. 분출 뒤에도 오랫동안 유동성을 가지므로 높은 산체를 이루기보다는 넓은 지역으로 넘쳐 흘러서 용암평원(熔岩平原)을 형성하거나 용암대지(熔岩臺地)를 이룬다. 미국 콜롬비아 고원과 인도 데칸고원의 대지현무암 등이 그 대표적 예다.

백두산을 중심으로 개마고원과 만주에 걸쳐 타원형으로 발달해 있는 백두산 용암대지는 동서가 2백40㎞, 남북이 4백㎞에 달한다. 이것들은 선상으로 발달한 백두산 화산대의 열극상에 자리잡은 여러 개의 분출구로부터 분출된 것이다.

원통상의 중앙화도로부터 조용히 흘러내려 10도 이하 완경사의 방패모양을 이룬 것을 순상(楯狀)화산체라 한다. 제주도 화산체와 하와이의 마우나로아 화산체는 대표적 순상화산체다.

용암의 점성이 높으면 용암은 하구 주위에 계속 쌓여 돔상 용암원추구(熔岩圓錐丘) 또는 종상(鐘狀) 화산추를 형성한다. 제주도의 산방산(山房山 ; 3백95m)과 한라산 산정부는 전형적인 용암원추구다 .

용암 유출과 화산쇄설물 분출이 번갈아 일어나면서 누적되어 점차로 큰 화산체를 형성하는 경우 성층(成層) 화산체 또는 복성(複成) 화산체라고 한다. 여기에는 이탈리아 베수비우스 화산과 일본 후지산 등이 속한다.

화산체에 비해 대단히 큰 화구를 칼데라라고 한다. 칼데라는 화구의 대폭발, 또는 화산활동이 끝난 뒤 화구의 함락으로 생긴다. 화구에 물이 고이면 화구호(火口湖), 칼데라에 물이 고이면 칼데라호가 된다. 한라산 백록담은 화구호이며, 지름이 4㎞ 이상인 백두산 천지는 전형적인 칼데라호다.

현재 세계 도처에 분포하는 역사시대 이래로 활동이 기록된 화산과 현재 활동하고 있는 활화산의 수는 5백16좌(座)로 추산된다. 이것들은 질서없이 산재하는 것이 아니라 이중 15%는 지판이 벌어지고 있는 인장력이 작용하는 부분(해양지판이 끊임없이 생성되는 지역)에, 약 80 %는 지판이 수렴하는 압축력이 작용하는 부분(소멸하는 지판들의 경계부)에 줄지어 있다. 나머지는 지판 내부에도 위치한다.

일본의 후지산 아소산 운젠화산과 인도네시아 자바섬의 메라피 화산, 미국 서부의 세인트 헬렌즈 화산, 아이슬랜드의 화산 등은 지판의 경계부에 위치하는 화산들이며 하와이 백두산 한라산 등은 지판의 내부에 위치한 화산들이다.

(그림1) 갖가지 화산 분화 양식

백두산 폭발의 역사

백두산은 한중(韓中) 양국에 걸쳐 있는 장백산맥의 최고봉으로, 두 나라의 국경을 이루는 압록강과 두만강 및 중국내 송화강의 발원지이다. 산정에는 칼데라 호수인 천지가 있다. 천지는 수심이 3백73m, 호수면의 둘레는 13.11㎞, 호수면의 해발고도는 2천1백89.1m 이며, 호수를 둘러싸고 있는 산들은 해발 2천5백m 이상이다.

이들 중 최고봉은 2천7백49.5m의 장군봉(將軍峰)이다. 백두산 화산은 현무암 용암대지와 순상화산체를 하부로 하여 그 상부에 칼데라를 가지는 성층화산추로 구성되는 복합화산체다. 화산암류 분포면적은 약 1만8천3백50㎢에 달한다.

백두산과 천지에 대한 지질조사는 1920년대에 일본인들이 시작했다. 1980년대에 들어와 주로 중국과 북한의 지질학자들에 의해 백두산의 형성과정, 화산암류에 대한 암석학 지질학적 연구가 진행되었다. 1990년대 초에는 국내 화산학 전공 지질학자들을 중심으로 '백두산-한라산 화산연구회'가 발족되었고 백두산과 한라산 화산 활동 및 화산암류 연구가 한중 양국의 수교와 함께 급속히 진행되게 되었다.

백두산 지역의 화산분출 역사를 화산암층의 화산층서 및 용암류에 대한 암석연대측정 결과를 토대로 살펴보면 몇 단계로 구분된다(표1).

백두산 지역에서 가장 오래된 화산활동 산물은 제3기 올리고세(약 2천8백만년 전)에 분출된 마안산(馬鞍山) 현무암으로 백두산 화산체의 기저부에 소규모로 분포하고 있다. 마안산은 압록강변에 위치한다.

그 뒤 초기 마이오세 (2천3백만년-1천9백만년 전)에 증봉산기(甑峰山期) 현무암으로 대표되는 현무암 용암이 분출하여 백두산 지역을 중심으로 용암대지를 형성하였다.

이 직후인 약 1천6백만년-1천5백만년 전에 백두산 남쪽에서는 장백기현무암, 북쪽에서는 내두산기 현무암이라고 부르는 현무암 용암이 분출하여 광범위한 용암대지를 형성했다.

제3기말 플라이오세(약 2백90만년-1백70만년 전)에 백두산 일대에서는 열하식 분출을 수반한 중심식 분출이 활발하게 일어나 천지지역을 중심으로 광활한 용암 고원 및 용암대지를 형성하고 백두산화산체의 하부를 이루는 하와이형 순상화산체를 형성했다. 화산체 경사각은 5-6도로 평탄하며 분포면적은 약 1만5천㎢에 이른다. 화산체 밑바닥의 직경은 약 1백30-1백50㎞다.

분화구 부근인 천지지역의 현무암 두께는 약 3백m 이고, 평균두께는 약 1백10m로서 분포고도는 해발 6백-1천1백m다. 백두산 외곽으로부터 북쪽과 동쪽으로 완만한 경사를 이루며 넓고 평탄한 용암대지를 이루고 있다. 이 현무암을 군함산기 (軍艦山期) 현무암이라 부른다. 백두산 순상화산체를 형성한 다량의 현무암질 용암 분출 후, 지하의 마그마 성분은 점성이 비교적 큰 산성마그마로 바뀌고 화산활동 양상도 폭발적이며 간헐적으로 일어났는데 이를 백두산기(白頭山期) 화산활동이라 부른다.

백두산기 화산활동은 61만년-55만년 전, 44만년 전, 33만년 전, 28-22만년 전, 10만년 전, 그리고 9만년-8만 년 전의 6기에 걸쳐 알칼리조면암 용암 유출과 화산쇄설암 분출이 번갈아 일어났다. 이들 화산분출물이 번갈아 쌓여 점차 큰 규모의 백두산 성층화산추를 형성했다.

백두산 성층화산체가 형성된 후 지하 심부의 마그마방은 평온하게 되면서 오랜 기간에 걸쳐 광물의 정출에 수반하여 휘발성 성분이 점차로 집중되고 마침내 수증기압이 커지면서 다량의 부석과 화산회를 분출한다. 이를 백운봉기(白雲峰期) 화산활동이라 부른다.

백운봉기 화산활동은 이때 분출한 고온의 부석과 화산회의 퇴적층 사이에서 발견되는 탄화목의 탄소동위원소 연대를 측정한 결과에 따르면 지금으로부터 1천4백10-1천50년 전에 있었음을 알 수 있다. 백운봉기에 많은 양(50㎦ 이상)의 부석 화산회 화산쇄설물이 분출되면서 천지 화구 안쪽 벽이 심하게 파괴되고 함락되어 칼데라가 형성됐다. 그리고 칼데라에 물이 고여 오늘날의 천지가 만들어졌다.

(그림2) 백두산 주변 지질도

발해멸망과 백두산 화산활동

(그림3) B-Tm ash의 분포 및 두께^(일본 미치다 교수 자료. JS는 시료명, 숫자는 cm단위의 두께를 표시한다)

1413년 1597년 1668년 1702년에 천지를 중심으로 화산회와 가스를 내뿜었다는 기록이 이조실록 등에 남아 있으나 그 분출물은 잔존하지 않는다. 그 뒤에도 백두산 주변에서는 1712년 1724년 1898년 1900년 1903년에 비교적 소규모의 화산지진 및 화산회의 분출이 있었다는 기록이 중국 문헌에 전해진다고 한다.

백두산 최상부의 백운봉기 화산분출물은 황색 흑색 백색의 부석과 화산회가 주종이며, 천지 주변의 백운봉 천문봉 정산과 천지 동남쪽 삼포 일원에 집중적으로 분포한다.

천문봉에서의 부식층 두께는 약 73m이며, 천지에서 멀어질수록 두께는 점차 작아져 삼포일원에서는 30-1m 에 이른다. 이때 분출된 화산회가 멀리 동해와 일본 혼슈 북부 및 홋카이도 일원까지 날아가서 쌓인 응회암이 산재한다. 일본학자들은 이를 'B-Tm ash'(the Baegdusan-Tomakomai ash)라 부른다. 응회암의 두께는 일본에서는 약 1-5㎝이고, 동해에서는 해양시추 자료에 의하면 1-16㎝에 달한다.

일본 북부에서는 이 B-Tm 화산회를 1천년 전에 분출된 화산분출물의 기준, 즉 열쇠층으로 사용한다. 이보다 아래에 있는 화산회층은 그 이전에 쌓인 지층으로, 이보다 위 화산회층은 그 이후에 쌓인 지층으로 간주하고 있다.

백두산 천지로부터 멀지 않은 함경북도 삼포 일원에는 나무들이 완전히 숯으로 돼 있다. 또 천지 가까이에서 매몰된 나무 일부분은 윗부분이 숯으로 탄화돼 있고 화산 쇄설암류가 협재돼 있다. 이는 고온의 화산회가 흘러 삼림을 덮음으로써 화산회가 접촉하는 부분이 매몰되고 탄화된 것으로 해석 된다.

천지주변의 부석과 화산회 퇴적층에서 자주 발견되는 탄화목은 당시 생장하던 버드나무 가문비나무 등인데 탄화목의 탄소동위원소연대는 1410년 전, 1230년 전, 1153년 전, 1050년 전으로 보고돼 있다.

얼마 전부터 일본과 한국 일부에서 발해멸망이 백두산 분화 탓이라는 주장이 제기돼 관심을 끌고 있다. 백두산 주변과 개마고원 일대를 지배하고 있던 발해왕조(서기 698-926년)는 신라에게 망한 고구려의 유민들이 송화강 이남지역과 고구려의 옛영토를 거의 확보하여 세운 국가였다. 이들은 고구려 문화를 물려받고 당나라의 관제와 문화의 영향에 힘입어 해동 성국을 이룩하여 국세를 떨쳤으나, 14대 229년 만에 일시에 멸망했다.

서기 926년을 전후하여 천지 칼데라를 형성한 백운봉기 화산활동 절정기에 화산분출로 인한 고온의 화산회가 편서풍을 타고 동쪽의 발해 일대를 뒤덮고(베수비우스 화산 분출로 고온의 화산회와 화쇄류가 폼페이시를 멸망시키듯), 화재 및 지진 등으로 인한 막대한 인명손실 및 재산상의 피해가 발해왕조의 내부사정과 연계돼 멸망을 촉진한 것으로 해석하는 것이다. 그 진위여부는 확인이 되지 않았지만 재미있는 추리임은 분명하다.

(표1) 백두산 일대의 화산폭발사

순식간에 덮치는 화산피해

활화산은 매우 위험하며 파괴적이고 치명적인 피해를 입히기도 한다. 화산이 폭발하면 용암류, 고온의 화산회구름(熱雲), 지진해파, 화산회와 물이 범벅이 된 화산니류(泥流), 화산가스, 화재 등에 의해 순식간에 피해를 입는다.

화산분화에 의해 도시전체가 파괴된 역사상 가장 유명한 사건은 서기 79년에 분출한 이탈리아의 베수비우스 화산 대분화를 들 수 있다. 분화구로부터 8㎞ 떨어진 폼페이시는 2일간 계속된 대규모 화산회 낙하와 화쇄류 분출로 완전히 매몰됐고 1만6천명이 사망했다.

분화 당시의 화산분출 양상을 비교적 자세히 기록한 박물학자 플리니우스의 자료에 근거, 1595년 재발견돼 발굴될 때까지 대부분의 사람들은 폼페이를 전설 속의 도시로 생각하고 그 실체를 잊고 있었다. 사람들이 사화산이라고 안심하고 있던 베수비우스 화산은 1631년 다시 분화하여 1만8천명의 희생자를 낳았다. 1792년 일본의 운젠(雲仙) 화산의 대분화로 시마하라 일대가 황폐화되고 약 1만5천명이 사망했다. 그 뒤 1990년-1992년의 계속적인 분화로 화산학자를 포함한 43명 이상이 사망했다. 1783년 아이슬랜드의 라카기칼(라키) 화산의 분화는 아이슬랜드에 국가적 피해를 주었다. 실제로 주민의 약 5분의 1(1만명 이상)이 분화로 사망했고 많은 가축(소의 절반, 말의 4분의 3, 양의 5분의 4)이 죽었으며, 회산회는 이곳으로부터 약 1천㎞ 떨어진 스코틀랜드의 농작물을 황폐화시켰다.

인도네시아에서는 1815년 단보로 화산의 분화 때 직접적인 영향으로 1만2천여명이 사망했고 연속적인 토지와 작물의 피해로 모두 9만2천명이 죽었다. 1902년 서인도제도의 마르티니크 섬에 있는 펠레(Pelee)화산의 분화는 순식간에 고온의 화산회류가 도시를 덮쳐서 3만명이 사망했고 성 피에르(St. Pierre)시에서 유일한 생존자는 2명뿐이었다. 이밖에 화산분화가 인구밀집지역에서 대참사를 빚은 기록은 많이 있다.

화산분화, 예견할 수 있다

화산지역에서의 화산분화에 대한 예견은 화산의 계속적인 관찰을 통해 전조현상, 즉 산 정상부의 눈이 갑작스레 녹는다든지 화산호수 소실, 우물 고갈, 주변 식생 사멸 또는 동물이나 조류의 갑작스런 이동 등으로부터 어느 정도 가능하다. 실제 1902년 펠레화산의 분화 전에 동물의 이동이 관찰됐다.

그러나 과학적 관찰을 통해서도 화산예보를 할 수 있는 가능성이 충분히 있다. 여기에는 지진계, 경사계, 온도감지기, 가스 검출기, 중력장과 자장의 변화측정기 등이 필요하다. 마그마가 상승하면 지진을 발생시키므로 지진 관측망을 통한 지진파를 분석하면 정확한 분화지점을 예측할 수 있다.

1959년 12월 하와이 킬라우에아 화산과 같이 현무암을 조용히 분출하는 순상화산의 경우는 화산 폭발 전에 먼저 지진이나 지반 경동(傾動) 등의 징조가 나타나므로 화산으로 인한 피해를 미리 줄일 수 있었다. 1980년 5월18일의 세인트 헬렌즈 화산 폭발은 주기적인 미진(微震)과 가스를 분석함으로써 피해를 최소화할 수 있었다.

직접적으로 흘러오는 용암의 유로에 댐을 막거나 유로를 바꾸어 화산피해를 막는 경우도 있다. 1973년 1월 아이슬랜드 헤이메이섬에서는 섬 주민들이 밀려오는 용암에 해수를 부어서 용암을 냉각시키거나 유동속도를 줄여서 용암이 주거지를 파괴하고 함구를 폐쇄하는 것을 방지했다.

그러나 휘발성 가스 성분의 함량이 크고 점성이 높은 산성용암과 화산쇄설암은 폭발성이 크고 고온의 열운을 형성하는데, 폭발의 순간을 거의 예측할 수 없는 경우도 있다.

백두산은 언제 다시 대분출을 할 것인가. 분출한다면 어떤 형태가 될 것인가. 무엇보다 백두산 지역의 화산지질 지형변화 지진관측 등에 대한 종합적 연구가 진행되어야 보다 정확하게 화산분화 예측 및 예보를 할 수 있다. 그래야 인명손실 및 화산재해 등에 대한 대책수립이 가능함은 물론이다.