[논문]GRACE 인공위성 지오이드 변화와 화산 마그마 활동 간의 상관관계에 대한 예비 연구

오창환; 최승찬; 이덕수; 김명덕; 박종현; 서민호

doi:10.5467/jkess.2013.34.6.550

[국내논문] GRACE 인공위성 지오이드 변화와 화산 마그마 활동 간의 상관관계에 대한 예비 연구
A Preliminary Study on the Correlation between GRACE Satellite Geoid Data Variation and Volcanic Magma Activity 원문보기

한국지구과학회지 = Journal of the Korean Earth Science Society, v.34 no.6, 2013년, pp.550 - 560

오창환 (전북대학교 지구환경과학과) , 최승찬 (킬 대학교 지구과학연구소) , 이덕수 (주식회사 GN 기업부설 연구소) , 김명덕 (전북대학교 지구환경과학과) , 박종현 (전북대학교 지구환경과학과) , 서민호 (주식회사 GN 기업부설 연구소)

초록
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본 연구에서는 2005년 이후 화산 폭발을 경험한 20개의 화산 지역에 대해 그레이스 위성에 의해 측정된 지오이드 변화를 조사하였고 지오이드를 이용한 화산 하부의 마그마 활동에 대한 연구를 위해서는 자세한 지질학적 조사가 함께 수반되어야 함을 인지하였다. 따라서 2011년에 화산 폭발이 있었고 그에 대한 지질학적 연구가 자세히 수행된 키리시마 화산복합체 내 신모에다케 화산 지역을 대상으로 그레이스 인공위성을 이용하여 측정된 화산지역의 광역적인 지오이드 변화와 화산하부 마그마 활동 변화 간의 상관성에 대해 연구하였다. 그 결과 신모에다케 화산 지역에서 2002년 이후 계속적으로 증가하는 지오이드 변화는 화산하부 물질의 중력이 증가함에 의해 발생하였음을 확인하였고, 이는 기존 연구에서 밝혀진 2011년 화산 폭발 수년 전부터 염기성 마그마가 마그마 저장소로 계속 공급되었다는 사실과 잘 일치한다. 이는 앞으로 많은 연구가 필요하기는 하지만 그레이스 인공위성으로 측정된 지오이드의 변화가 화산 폭발 감시 및 예측에 사용될 수 있는 가능성이 높음을 지시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the variations of geoid measured by GRACE satellite are investigated in the 20 volcanic areas erupted since 2005, and it is recognized that a detailed geological study is necessary in using geoid data for a research of the magmatic activities under the volcano. Therefore, the relationship between the regional geoid variation obtained by GRACE satellite and the change of magma activity, is studied in Japan's Shinmoedake volcano in the Kirishima volcanic complex whose eruption in 2011 was studied in detail geologically. Throughout this study the increase of geoid from 2002 in the Shinmoedake volcanic area is confirmed to be caused by the increase of gravity under the volcano, which is well matched with geological interpretation of the continuous intrusion of basaltic magma into magma chamber during several years before the 2011 eruption. The result indicates that information of the geoid variation measured by GRACE satellite is useful for monitoring the possibility of volcanic eruption although there is a need to more study to be able to confirm the possibility.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

독일 포츠담 지구과학 연구소에서 주기별(약 30일에 한번 정도)로 제공된 자료들로부터 계산된 그레이스지오이드 자료와 중력자료, 수분량 자료 등을 사용자에게 제공하고 있다. 따라서 본 연구에서는 2011년 화산이 분출한 일본의 신모에다케 화산을 대상으로 그레이스 인공위성에서 측정한 지오이드의 변화와 지질조사를 통해 연구된 분출시점과 그 이전의 화산 하부 마그마 저장소의 변화간의 상관관계에 대한 연구를 통하여 인공위성의 지오이드 자료의 화산 분출 예측에 활용 가능성을 제시하고자한다.
즉 그레이스 인공위성에 의해 측정된 지오이드 자료만으로는 화산 지역 하부의 마그마 저장소의 변화 예측이 어렵다. 따라서 본 연구에서는 2011년 화산 폭발 이전과 이후의 마그마 저장소의 변화에 대한 지질학적 연구가 자세하게 수행된 키리시마 화산복합체내의 신모에다케 화산 지역을 대상으로 마그마 저장소의 변화와 그레이스 인공위성에 의하여 측정된 지오이드 변화 간의 연관성을 해석하였고 이를 바탕으로 그레이스 인공위성에 의해 측정된 지오이드 값의 변화가 화산 하부의 마그마 저장소의 변화와 화산 폭발 감시에 활용할 가능성이 있는가를 연구하였다.

제안 방법

본 연구에 활용된 그레이스(GRACE: Gravity Recovery and Climate Experiment) 인공위성은 두 위성간의 속도변화를 측정하여 중력장 변화를 결정한다. 그레이스 위성의 주 임무는 지구 중력장 모델을 결정하고, 지구 중력장의 시·공간적 변화를 탐지하는 것이다.
1). 그레이스 인공위성에 탑재된 가속도계 (Accelerometer)가 두 위성이 지구 주위를 돌 때, 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 발생하는 그 위성간 거리변화율(range rate) 즉, 두위성의 속도 변화를 H-L SST 방식으로 측정한다. 에너지 보존법칙에 의해 중력장에 의한 위치에너지와 운동에너지의 합이 일정하므로 측정된 속도의 변화에 의해 중력장 변화를 결정될 수 있다(Huang, 2010).
본 연구에서는 독일 포츠담 지구과학 연구소가 그레이스 인공위성에서 측정된 중력 자료로부터 WGS84 지구타원체 모델을 이용하여 계산하여 제공하는 주기별(약 30일에 한번 정도) 지오이드 값을 이용하였다. 그레이스 위성으로부터 얻어진 지오이드 데이터는 동일한 지역에서도 그 값이 계속적으로 변화하는 경우가 많다.
최근 폭발한 세계 화산 중 20여개 화산(Table 1)을 선정하여 그레이스 인공위성에 의하여 측정된 화산 정상부 주변의 지오이드 값의 변화를 분석하였다. 세계 20여개 화산 폭발 지역 중 2003년부터 2012년까지 8개 화산지역 정상부에서의 지오이드 변화는 Fig.
이 과정이 계속되면서 마그마 저장소 내의 마그마 양은 계속 증가하고, 기포 발생에 의한 부피 증가에 의해 밀도가 감소하면서 마그마 저장소에 큰 압력이 가해져 마침내 2011년 신모에다케 화산이 폭발하게 된 것으로 판단된다. 따라서 최초 폭발 시에는 마그마 저장소 상부의 중성암질 마그마가 분출하고 그 이후 상대적으로 가벼운 산성 마그마가 그리고 그에 이어 상대적으로 무거운 염기성 마그마가 분출하면서 최종적으로 화구 내에 염기성 화산암 돔을 형성하였다. 이러한 분출 마그마 성분의 변화에 따라 분출 형태가 플리니안식에서 불칸식으로 변화하였다.

대상 데이터

동일한 지역에서 시간에 따른 지오이드의 변화는 그 지역을 구성하는 물질의 양 혹은 밀도의 변화에 의해 생성된다. 본 연구에서는 그레이스 인공위성에 의해 제공된 연구 대상이 되는 화산 정상부 지역에 대한 2003년부터 2012년까지의 지오이드 데이터를 독일 포츠담연구소에서(http://icgem.gfz-potsdam. de/ICGEM/) 획득하여 사용하였다.
(2011)은 자철석 반정내에 나타나는 누대 구조로부터 염기성 마그마가 분출 수년 전부터 지속적으로 마그마 저장소에 공급되었을 것이라는 것을 확인하였다. 최종적으로 마그마 상부로 이동된 중성질 마그마가 1월 26일 오후와 27일 오전에 분출하어 황회색의 부석층인 단위층 2를 형성하였다. 그 이후 혼합되지 않은 저온의 산성 마그마가 Fig.

성능/효과

, 2013). 이들 연구를 통하여 화산 분화 전후에 일어나는 화산하부의 마그마 저장소의 변화와 마그마의 이동 그리고 그에 따른 화산체의 융기와 침강 및 열수 시스템의 변화에 의해 중력의 변화가 일어남이 확인되었다. 따라서 화산 지역의 중력의 변화는 화산 하부의 마그마 저장소의 활동을 모니터링 할 수 있는 중요한 방법이다.

후속연구

인공위성을 이용한 지구조 운동 연구 방법은 지정학적 접근이 어려운 지역, 또는 주기적이고 장기적인 관측이 요구되는 모니터링 등에 매우 유용한 장점이 있다. 따라서 인공위성으로 측정된 자료는 백두산과 같이 지정학적으로 접근이 곤란한 지역에 대한 마그마 활동 및 화산 분화 감시 연구 수행에 효과적으로 활용될 수 있다. 하지만 인공위성을 이용한 예측은 SAR (Synthetic Aperture Radar)를 이용한 고도의 변화 측정이 주를 이루고 있으며(Saepuloh et al.
이러한 화산 폭발 시점 전 후의 지오이드 변화의 다양성은 지오이드가 화산이 폭발한 시점의 마그마의 유입이나 유출, 휘발성 기체의 증가와 같은 마그마 성분과 밀도의 변화 등과 같은 지질학적 프로세스에 따라 변할 뿐 아니라 화산 폭발 이전과 이후의 고도의 증감 그리고 기상 변화에 따른 지하수나 적설량의 변화에 따라 변화하기 때문이다. 따라서 지오이드를 이용한 화산 하부 마그마 저장소의 변화를 명확하게 연구하기 위해서는 화산 고도의 증감과 기상의 변화 자료를 확보하여 이들의 지오이드의 변화에 대한 영향을 확인하여야 하며 또한 각 화산 지역에서 일어난 마그마 유입 및 유출, 마그마 성분 및 밀도 변화와 같은 지질학적 현상에 대한 연구가 자세히 수행되어야 한다. 즉 그레이스 인공위성에 의해 측정된 지오이드 자료만으로는 화산 지역 하부의 마그마 저장소의 변화 예측이 어렵다.
하지만 2002년 이후 2011년까지 지오이드 값의 지속적인 증가는 기포 형성과 외부로의 유출에 의한 중력의 감소보다 새로운 염기성 마그마의 유입에 의한 중력의 증가가 더 컸음을 의미한다. 이러한 연구 결과는 그레이스 인공위성에 의해 측정된 지오이드 변화를 화산 하부의 마그마 저장소의 변화 연구와, 더 나아가 화산 폭발 감시에 사용할 수 있는 가능성이 있음을 지시한다. 향후 지오이드에 변화에 대한 강우량에 의한 영향을 정확히 측정하고 또한 마그마 저장소 팽창에 따른 화산체의 상승 높이에 의한 지오이드 영향을 평가할 수 있다면, 지오이드 변화를 마그마 유입에 의한 마그마 저장소의 정량적 변화를 추정하는데 사용할 수 있을 것으로 생각된다.
이러한 연구 결과는 그레이스 인공위성에 의해 측정된 지오이드 변화를 화산 하부의 마그마 저장소의 변화 연구와, 더 나아가 화산 폭발 감시에 사용할 수 있는 가능성이 있음을 지시한다. 향후 지오이드에 변화에 대한 강우량에 의한 영향을 정확히 측정하고 또한 마그마 저장소 팽창에 따른 화산체의 상승 높이에 의한 지오이드 영향을 평가할 수 있다면, 지오이드 변화를 마그마 유입에 의한 마그마 저장소의 정량적 변화를 추정하는데 사용할 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화산 분출 예측 있어서 매우 중요한 연구는 무엇인가?	따라서 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법이 필요한 실정이다. 화산 하부 마그마 저장소 변화에 대한 모니터링 연구는 화산 분출 예측에 매우 중요하다. 과거에는 화산 분화 전후에 화산지역에서 국부적으로 지표에서 측정된 중력 자료를 이용한 화산 활동에 대한 연구가 많이 수행되어져 왔다(Rymer and Williams, 2000; Carbone et al.
	백두산 관련 자료를 확보하는 것이 어려운 이유는?	최근 백두산이 분출할 가능성이 확인되면서 백두산 분출 가능성을 감시 예측할 필요성이 높아지고 있다. 하지만 백두산은 중국과 북한의 경계에 위치하고 있기 때문에 백두산 관련 자료를 북한은 물론 중국으로부터 확보하는 것이 매우 어렵다. 따라서 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
	인공위성을 이용한 지표 및 지하에서 일어난 변화 측정의 장점은 무엇인가?	, 2013). 인공위성을 이용한 지구조 운동 연구 방법은 지정학적 접근이 어려운 지역, 또는 주기적이고 장기적인 관측이 요구되는 모니터링 등에 매우 유용한 장점이 있다. 따라서 인공위성으로 측정된 자료는 백두산과 같이 지정학적으로 접근이 곤란한 지역에 대한 마그마 활동 및 화산 분화 감시 연구 수행에 효과적으로 활용될 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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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