[논문]인공위성을 이용한 백두산 화산 마그마 활동의 전조현상 인지 가능성 연구

이덕수; 최승찬; 오창환; 서민호; 유인창

doi:10.7854/jpsk.2013.22.1.035

인공위성을 이용한 백두산 화산 마그마 활동의 전조현상 인지 가능성 연구
The Study on the Possibility of Using Satellite in Monitoring Precursor of Magma Activity in the Baegdusan Volcano 원문보기

암석학회지 = The journal of the petrological society of korea, v.22 no.1, 2013년, pp.35 - 47

이덕수 (주식회사지앤 기업부설 연구소) , 최승찬 (Kiel 대학교) , 오창환 (전북대학교 지구환경과학과) , 서민호 (주식회사지앤 기업부설 연구소) , 유인창 (경북대학교 지질학과)

초록
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1000 AD 경에 매우 강력한 화산 폭발을 하였던 백두산은 아직도 폭발 가능성을 가지고 있다. 따라서 백두산의 폭발 가능성을 사전에 확인할 수 있는 정기적인 감시가 필요하다. 하지만 지정학적인 이유로 백두산 지역에 정기적인 감시 시설을 설치하거나, 정기적인 관측 자료를 얻는 것이 매우 힘든 상황이다. 따라서 인공위성을 이용한 백두산 화산 폭발 가능성에 대한 정기적인 감시 기술 개발이 필요한 실정이다. GRACE 인공위성에서 획득한 백두산 지역의 중력 자료로부터 계산된 지오이드 자료의 지난 10년간의 변화를 보면, 백두산 지역에서 지진 발생을 포함한 마그마 활동 가능성이 인지된 2002년부터 2005년 사이에 매우 뚜렷한 지오이드 감소가 확인되었다. 그리고 동일한 시기에 백두산 지역의 강수량이 줄어들지 않음을 고려할 때 이러한 변화는 백두산 하부의 마그마 활동에 연관되어있을 가능성을 지시한다. 백두산 지역에서 CHAMP 인공위성을 이용하여 측정된 지난 2000년도부터 2010년까지의 자력 변화를 살펴보면, 마그마 활동이 활발했던 2000년에서 2005년도 사이에 자력이 감소하고 그 이후 다시 증가하는 현상을 보여준다. 이러한 자력의 감소는 백두산 하부 마그마 온도의 증가에 따른 주변 암석의 비자성화(demagnetization)에 의한 것일 가능성이 있다. 이러한 자료는 인공위성을 이용하여 관측한 지오이드와 자력의 변화가 백두산 하부 마그마 활동을 감시하는데 사용될 수 있는 가능성이 있음을 지시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Baegdusan Volcano which erupted violently at 1000 AD is still have possibility of eruption. Therefore, it is necessary to monitor regularly the possibility of eruption. However, it is very difficult to install regular monitoring system or to get regularly monitored data due to geopolitic problems. This is why we have to develop regular monitoring technique using satellite. The geoid in the Baegdusan Volcanic area calculated from gravity data obtained from GRACE satellite, decreased from 2002 to 2005. The period of decreasing is well matched with time when magma activities were recognized in the Baegdusan Volcanic area. The decrease in geoid is interpreted to be caused by the decrease of water storage. Considering that the amount of rainfall from 2002 and 2005 is almost constant, the decrease in geoid may be related to the magma activity under the Baegdusan Volcano. The geomagnetic total force in the Baegdusan Volcanic area measured by CHAMP satellite, decreased from 2000 to 2005 and increased after 2005. The period of decrease is well matched with the time with increased activity of magma chamber under the Baegdusan Volcano indicating that the decrease of geomagnetic total force is caused by demagnetization of surrounding rocks due to the increase of temperature of magma chamber. These data indicate the possbility of using change of geoid and geomagnetic total force observed by GRACE and CHAMP satellites for the monitoring of magma activity under the Baegdusan Volcano.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구팀은 그 가능성을 확인하기 위하여 지난 10년간 전 세계에서 폭발한 중요 화산 지역에서 화산 폭발 이전에 측정된 그레이스 인공위성 자료와 챔프 인공위성 자료를 검토할 계획이다. 검토 결과 이들 화산지역에서 폭발 이전에 백두산에서 관찰되었던 지오이드의 감소와 자기장의 감소가 인지되면, 그원인을 규명하는 한편 이들 인공위성 자료를 백두산 지역 마그마 활동 모니터링에 활용할 방안을 연구하 고자 한다.
따라서 본 연구팀은 그 가능성을 확인하기 위하여 지난 10년간 전 세계에서 폭발한 중요 화산 지역에서 화산 폭발 이전에 측정된 그레이스 인공위성 자료와 챔프 인공위성 자료를 검토할 계획이다. 검토 결과 이들 화산지역에서 폭발 이전에 백두산에서 관찰되었던 지오이드의 감소와 자기장의 감소가 인지되면, 그원인을 규명하는 한편 이들 인공위성 자료를 백두산 지역 마그마 활동 모니터링에 활용할 방안을 연구하 고자 한다.
, 2006). 본 연구에서는 그레이스 위성에서 얻은 중력자료를 이용하여 백두산지역의 저수량변화와 이에 따른 지오이드 변화를 관측하였다.
본 연구에서는 백두산 하부 마그마 활동이 있었던 2002년부터 2005년 사이에 그레이스(GRACE) 인공 위성을 통하여 인지된 백두산 주변의 지오이드 변화, 챔프(CHAMP) 인공위성을 통해 얻어진 자기장 변화, 그리고 지하수위의 변화를 제시하고 이를 바탕으로 그레이스와 챔프 인공위성 자료의 백두산 하부 마그마 활동 모니터링에 사용 가능성을 평가한다.

제안 방법

이는 앞에서 언급된 MODIS 위성영상 분석 결과와 일치한다. 기상 조건 특히 이 지역의 온도 변화가 이러한 눈의 양에 영향을 미쳤는지를 알아내기 위해서 NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration: 미국 해양 대기국)에서 제공한 백두산 지역의 대기 온도 변화와 비교하였다. Fig.
그리고 지오이드의 전체변화량에 비해 2002년에서 2007년까지 백두산 고도의 변화에 따른 지오이드의 변화는 무시할 수 있을 정도로 작았다. 따라서 백두산 정상을 중심으로 반경 100 km 이내의 지오이드 변화를 근거로 하여, 백두산 인근 지역의 저수량의 변화를 계산하였다. 그 결과 Fig.
백두산 정상 지역은 8월 중순 이후 눈이 덮이기 시작하며 9월 초에는 벌써 매우 많은 양의 눈이 내린다는 것이 기상 관측을 통해서 알려져 있다. 따라서 백두산 지역에 대한 모디스(MODIS) 위성영상 분석을 통해 2000년과 2010년 까지 8월의 눈으로 덮인 지역의 범위를 비교하였다(Fig. 4). 2000년부터 2004년까지 눈으로 덮인 지역은 계속 줄어들다가 2005년에 약간 늘어나기는 하나 2000년에 비해서는 역시 눈 덮인 지역이 줄어들어 있다.
지오이드의 형태(즉, 위치에 따른 중력의 작용선)의 변화를 측정하면, 지표 아래에 주변과 다른 밀도를 갖는 물질의 존재를 파악할 수 있다. 본 연구에서의 지오이드는 그레이스 인공위성에서 측정된 중력 자료를 역산 하고 WGS84 지구타원체 모델을 이용하여 그레이스 인공위성의 지오이드 값을 계산하게 된다. 독일 포츠담 지구과학 연구소(GfZ Potsdam)는 주기별(약 30일에 한번 정도) 그레이스 위성으로부터 얻어진 지오이드 데이터를 사용자에게 제공하는데 동일한 지역에서도 그 값이 계속적으로 변화하는 경우가 많다.
자력이 감소하는 시기가 백두산 지역의 마그마 활동이 활발했던 것으로 예상 되는 시기와 유사하다. 이러한 자력의 감소는 이탈리아의 Etna 화산과 일본의 Kusatsu-Shirane 화산의 분출 전에도 인지되었고, 그 원인은 마그마 활동의 활성화시 생성된 고온의 수증기와 열수가 열극을 따라광역적으로 주변 지역에 빠르게 열을 공급함으로서 주변 암석에 비자성화가 일어나 발생한 것으로 해석 하였다. 백두산 지역에서도 자력이 감소하는 기간인 2000년도에서 2005년도 사이 마그마 활동이 활성화 되었던 점을 고려할 때, 이 시기의 백두산 지역의 자력 감소도 백두산 하부의 마그마 활동 활성화시에 생성된 고온의 수증기와 열수가 열극을 따라 빠르게 주변지역에 공급됨으로서 주변 암석에 광역적인 온도 상승을 유발시켜 발생한 주변 암석의 비자성화에 의한 것으로 예측할 수 있다.
지오이드와 저수량의 감소 원인을 해석하기 위하여 백두산 지역의 강우량과 비교하였다. 백두산 지역의 2002년부터 2011년까지의 강수량의 변화는 Fig.

성능/효과

따라서 백두산 정상을 중심으로 반경 100 km 이내의 지오이드 변화를 근거로 하여, 백두산 인근 지역의 저수량의 변화를 계산하였다. 그 결과 Fig. 2에서 보는 바와 같이 이 지역의 연평균 수분 함유량은 2002년부터 2005년까지 매우 뚜렷하게 그양이 급격히 감소하였으며, 그 이후에는 수분량 변화가 천천히 진행되었다.
그레이스 인공위성으로부터 얻어진 백두산 지역의중력 자료로부터 얻어진 지오이드 자료의 지난 10년간의 변화를 보면 백두산 지역에 지진 발생을 포함한 마그마 활동 가능성이 인지된 2002년부터 2005년 사이에 매우 뚜렷한 감소가 확인되었다. 이러한 지오이드 감소는 백두산 지역의 저수량의 감소에 의해 발생한 것으로 확인되었다.
백두산 지역은 삼림이나 눈이 많아서 지표면 수분의 함유량이 많기 때문에 이러한 지오이드의 변화가 백두산 지역의 수분 함유량의 변화일 수 있다. 그리고 지오이드의 전체변화량에 비해 2002년에서 2007년까지 백두산 고도의 변화에 따른 지오이드의 변화는 무시할 수 있을 정도로 작았다. 따라서 백두산 정상을 중심으로 반경 100 km 이내의 지오이드 변화를 근거로 하여, 백두산 인근 지역의 저수량의 변화를 계산하였다.
Yun and Lee(2012)가 보고한 백두산 천지하부 지하 3-5 km 깊이의 마그마 챔버 팽창에 의해 백두산 천지 일원이 상승된 점과, 이 때 마그마 챔버 상부에 균열이 발생하면서 지진이 발생한 사실은 마그마 활동의 활성화에 의해 백두산 천지 일원의 온도가 증가 하였을 가능성을 지지한다. 따라서 2002년과 2005년 사이에 관찰된 백두산 지역의 지표면 적설 지역의 감소는 백두산 하부 마그마 활동의 활성화에 기인한 지열 상승에 의해 생성된 고온의 수증기와 열수가 열극을 통해 빠르게 상승하여 지표면에 열을 전달함으로서 일어났을 것으로 추측되어진다. 이는 2004년도 천지 주변 온천지하수의 온도가 69 ^oC에서 83 ^oC로 증가한 사실(Gao, 2004; Yun and Lee, 2012)과도 잘부합된다.
랜샛 이미지(Lansat image) 분석 결과도 지표면의 적설양 혹은 만년설 넓이를 결정하는데 매우 유용하게 이용될 수 있다(Xu et al, 1993). 백두산 지역에 대한 1999년과 2006년도의 랜샛 이미지 분석 결과 Fig. 6에 나타나는 것과 같이 2006년도에는 1999년대비 약 20% 정도 적설 지역이 줄어들었다는 것을 확인하였다. 이는 앞에서 언급된 MODIS 위성영상 분석 결과와 일치한다.
하지만 2005년 이후 화산 분화 징후가 약화되면서 백두산 화산체에 대한꾸준한 연구가 미비하여 현재 그 상황을 정확히 알수 없는 상태다. 백두산 화산체 주변에서 이상 징후가 관찰된 시기에 백두산 지역에 대한 그레이스, 챔프 인공위성 자료로부터 지오이드 이상, 저수량(Water Storage), 자기장의 변화가 인지되었고, 인공위성 사진 으로부터 백두산 천지 주변 지역의 적설량의 감소가 인지되었으며, 지하수위의 급격한 하강 등의 이상 징후도 감지되었다. 이러한 이상 징후들은 백두산하부의 상태를 간접적으로 나타내 주며, 백두산 하부 마그마 챔버에서 어떤 일들이 일어나고 있음을 반증할 가능성이 높다.
(1992)은 Kusatsu-Shirane 화산에서 채취된 휘석을 함유한 안산암을 대상으로 온도의 변화에 따른 자기장의 변화를 실험하였다. 실험을 통하여 온도가 300-400 ^oC에 도달했을 때 암석의 비자성화에 의해 자기장의 감소가 크게 일어남을 확인하였다. 이는 이탈리아의 Etna 화산과 일본의 Kusatsu-Shirane 화산에서 화산 분출 이전에 나타난 자기장의 감소가 마그마 활동의 강화와 연관되어 있다는 예측을 잘 뒷받침해 준다.
백두산 지역의 저수량과 적설 면적의 감소는 여러 가지 다른 정황증거(지진 진도와 강도 증가, 온천수의 온도 증가, 백두산 지형 상승 등)를 고려해볼 때, 마그마 활동 활성화에 의한 지각 내부의 온도 상승시 생성된 고온의 수증기와 열수가 열극을 통해 지표면에 공급되어 발생하였을 것이라고 예측할 수있다. 즉 인공위성을 이용하여 관측한 지오이드의 변화가 백두산 하부의 마그마 활동을 관측하는데 사용될 수 있는 가능성이 확인되었다.

후속연구

이는 신생대 후기부터 발생된 서태평양 지역과 동아시아 지역의 압축력에 의해 북서 방향의 단층이 활성화되고 이를 따라 화산 작용이 일어났을 가능성을 지시한다. 앞으로 이 가능성을 확인하기 위한 연구가 필요하다.
이는 앞에서 지표면의 적설 지역 감소가 마그마 챔버 활동의 활성화에 의해 열극을 따라 지표로 공급된 수증기와 열수에 의한 지표부 온도 상승에 기인할 가능성이 있다는 예측과 잘 일치한다. 이러한 연구 결과는 인공위성에 의해 측정된 자기장의 변화가 화산 분출 감시에 사용될 수 있을 가능성이 있음을 지시한다.
백두산 지역에서도 자력이 감소하는 기간인 2000년도에서 2005년도 사이 마그마 활동이 활성화 되었던 점을 고려할 때, 이 시기의 백두산 지역의 자력 감소도 백두산 하부의 마그마 활동 활성화시에 생성된 고온의 수증기와 열수가 열극을 따라 빠르게 주변지역에 공급됨으로서 주변 암석에 광역적인 온도 상승을 유발시켜 발생한 주변 암석의 비자성화에 의한 것으로 예측할 수 있다. 즉 인공위성으로부터 얻어진 자력의 변화 역시 인공위성으로부터 얻어진 지오이드 자료와 함께 백두산 폭발 가능성을 관측하는데 사용될 수 있는 가능성이 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그레이스 위성의 주된 임무는 무엇인가?	그레이스 인공위성 프로젝트는 1997년 5월 NASA ESSP(Earth System Science Pathfinder)프로젝트의하나로 시작되었고, 그레이스 인공위성은 Tom과 Jerry 두 개의 쌍둥이 위성으로 구성되며, 두 위성간의 속도변화를 측정하여 중력장변화를 결정하게 된다. 그레이스 위성의 주된 임무는 지구의 중력장 모델을결정하고, 지구 중력장의 시·공간적 변화를 탐지하는 것이다. 그레이스 인공위성은 과거 수십 년간 관측한 중력 데이터 보다 더 많은 양의 중력데이터를월별로 약 400 km의 공간 해상도에서 2-3 mm에 달하는 고정밀도의 중력장 시계열변화 분석이 가능하다 (Tapley et al, 2004; Huang, 2010).
	H-L SST 방식은 어떤 방식인가?	위성이 이론상의 궤도를 돌 때에 지구 내부의 물질의 차이에 따라서 이론적인 궤도를 이탈하여 지구 내부의 물질이 평균 밀도보다 높은 곳에서는 지구 쪽으로 끌리고 물질이 낮은 곳에서는 그 반대쪽으로 끌리는 현상이 일어나게 될 때에, 그 힘을 측정하고 이를 역산하여서 지구 중력장을 계산해 내는 자료를 지상으로 송신하게 된다. 즉 H-L SST 방식은 위성을 자유낙하체로 간주하고, 위성의 위치를 GPS로 정확하게 결정함으로써 절대 중력 측정을 실시하는 방식이다. 이런 원리는 그레이스 내부에 탑재된 Accelerometer도 같은 원리로 되어있다.
	백두산의 화산 분출 역사를 4개의 시기로 구분한다면?	백두산의 화산 분출 역사는 분출 연령, 분출 형태 그리고 마그마 성분의 변화를 바탕으로 4개의 시기로 구분된다. 첫 번째 시기는 현무암 용암대지를 형성한 시기이며, 이는 현무암 순상암체를 형성한 두 번째 시기로 이어지며, 세 번째 시기에는 조면암질 복합 화산이 형성되고, 최종적으로 화산쇄설암을 형성한 격렬한 분출이 있었다(Wei et al., 2007).

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Zou, H.B., Fan, Q.C. and Zhang, H.F., 2010, Rapid development of the great Millennium eruption of Changbaishan (Tianchi) Volcano, China/North Korea: Evidence from U-Th zircon dating. Lithos, 119, 289-296.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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