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문제 정의
- 본 연구에서는 백두산 화산재의 성분을 대표할 수 있는 역사시대에 분화한 백두산 부석의 지구화학적 성분 특성을 알아보고 동시에 2014년 분화한 수렴경계 섭입대 화산활동에 의해 생긴 일본 사쿠라지마 화산재를 채집하고 분석을 통해 지구화학적 특성을 비교하고자 한다. 백두산 부석 시료는 백두산 천지 외륜산 주변 산정부에 남아있는 부석층 및 천지 호숫가에 남아있는 화쇄난류(surge)퇴적층에서 신선한 것을 채취하여 주성분, 미량성분 및 희토류원소 함량을 분석하였다.
- 본 연구에서는 우리 주변에서 섭입대 화산작용으로 현재 화산 분화가 진행되고 있는 일본 사쿠라지마(櫻島; Sakurajima) 화산의 화산재를 채취하여 이를 분석하였으며, 백두산 화산분출물의 함량과 비교하여 그 특성을 파악하여 보았다.
제안 방법
- 부석의 주성분 원소의 함량은 부경대학교 공동실험실습관에서 SHIMADZU 1700를 이용하여 X-선 형광분석(X-ray fluorescence; XRF) 방법으로 분석하였다. 1 g을 시료를 용융제(Li2B4O7)와 무게비 1:7로 혼합하여 완전히 균질해질 될 때까지 녹여 유리원판(Glass bead)을 제작하였다. 정량분석을 위한 검량선은 USGS 표준시료 16개로 만들었으며 분석조건 가속전압 40 kV, 전류 70 mA이고, 3회 측정한 후 평균 값을 계산하였다(Table 1).
- 본 연구에서는 역사시대에 분화한 백두산 화산재의 성분을 대표할 수 있는 부석을 야외에서 1천 년 전(946년) 분화물, 1668년 분화물, 1792년 분화물과 1903년 분화물에서 선별하여 주성분 및 미량성분을 분석하였다(Table 1). 또한 섭입대와 관련하여 형성된 사쿠라지마 화산에서 분출한 화산재 시료 한 샘플도 비교를 위해 분석하였다.
- 미량원소와 희토류원소는 한국기초과학지원연구원에서 고온에서 녹여 만든 용융비드(bead)를 이용하여 유도결합플라즈마 질량분석기(ICP-MS: Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer)로 분석하였다. 표준시료는 USGS 시료(BIR-1과 G-2)를 사용했으며 가속전압 40 kV, 전류 70 mA 조건에서 오차 범위는 미량원소와 희토류 원소에 대해 각 각 10%, 5% 이내로 분석과정 및 보정 방법은 Park et al.
- 본 연구에서는 백두산 화산재의 성분을 대표할 수 있는 역사시대에 분화한 백두산 부석의 지구화학적 성분 특성을 알아보고 동시에 2014년 분화한 수렴경계 섭입대 화산활동에 의해 생긴 일본 사쿠라지마 화산재를 채집하고 분석을 통해 지구화학적 특성을 비교하고자 한다. 백두산 부석 시료는 백두산 천지 외륜산 주변 산정부에 남아있는 부석층 및 천지 호숫가에 남아있는 화쇄난류(surge)퇴적층에서 신선한 것을 채취하여 주성분, 미량성분 및 희토류원소 함량을 분석하였다.
- 백두산 화산재의 성분을 대표할 수 있는 역사시대에 분화한 백두산 부석의 암석화학적 성분 조성을 알아보고 동시에 2014년 분화한 일본 사쿠라지마 화산재와 비교하여 보았다.
- 본 연구에서는 역사시대에 분화한 백두산 화산재의 성분을 대표할 수 있는 부석을 야외에서 1천 년 전(946년) 분화물, 1668년 분화물, 1792년 분화물과 1903년 분화물에서 선별하여 주성분 및 미량성분을 분석하였다(Table 1). 또한 섭입대와 관련하여 형성된 사쿠라지마 화산에서 분출한 화산재 시료 한 샘플도 비교를 위해 분석하였다.
- 1 g을 시료를 용융제(Li2B4O7)와 무게비 1:7로 혼합하여 완전히 균질해질 될 때까지 녹여 유리원판(Glass bead)을 제작하였다. 정량분석을 위한 검량선은 USGS 표준시료 16개로 만들었으며 분석조건 가속전압 40 kV, 전류 70 mA이고, 3회 측정한 후 평균 값을 계산하였다(Table 1). 정확한 분석 과정은 Kim et al.
대상 데이터
- 본 연구에서 분석된 2014년 8월 사쿠라지마 화산분화시 남동쪽으로 약 2.9 km 떨어진 아리무라 용암 전망소(有村熔岩展望所; Arimura lava view place)에서 낙하하는 강하화산재를 직접 채집한 것이다. 채집된 사쿠라지마 화산재(S-1, Table 1)는 주성분 조성상 서브-알칼리계열에 속하며, 안산암질(SiO2 함량 58.
- 9 km 떨어진 아리무라 용암 전망소(有村熔岩展望所; Arimura lava view place)에서 낙하하는 강하화산재를 직접 채집한 것이다. 채집된 사쿠라지마 화산재(S-1, Table 1)는 주성분 조성상 서브-알칼리계열에 속하며, 안산암질(SiO2 함량 58.28 wt.%, Na2O+K2O 함량 4.39 wt.%) 성분이다. 미량성분원소 함량은 Rb이 48 ppm, Sr은 268 ppm, Y은 22 ppm, Zr은 107 ppm, Nb은 6.
이론/모형
- 정확한 분석 과정은 Kim et al.(2009)의 방법에 따라 이루어졌다. 일반적으로 암석의 주성분원소 함량은 중량% (wt.
- 부석의 주성분 원소의 함량은 부경대학교 공동실험실습관에서 SHIMADZU 1700를 이용하여 X-선 형광분석(X-ray fluorescence; XRF) 방법으로 분석하였다. 1 g을 시료를 용융제(Li2B4O7)와 무게비 1:7로 혼합하여 완전히 균질해질 될 때까지 녹여 유리원판(Glass bead)을 제작하였다.
성능/효과
- 그룹 A는 분석된 두 시료의 분석치가 오차범위 내에서 잘 일치하며, 평균 함량은 Rb이 378 ppm, Sr은 6 ppm, Y은 141 ppm, Zr은 2397 ppm, Nb은 30.5 ppm, Cs은 15 ppm, Ba은 11 ppm, Hf은 56 ppm, Pb은 6 ppm, Th은 57 ppm, U은 12.8 ppm, Sc은 1.6 ppm, V은 0.2 ppm, Cr은 41.0 ppm, Co는 80.5 ppm, Ni은 10 ppm, Cu는 6.2 ppm, Zn은 184 ppm으로 분석되었다. 전체 희토류원소(REEs) 함량은 917.
- 분석된 미량성분과 희토류원소 원소 조성(Table 1)을 살펴보면, 백두산 화산으로부터의 역사시대 분출 부석들은 Eu를 제외한 희토류원소와 특정 미량원소가 부화되어 있는 그룹 A(서기 1702년 분화물)와 이들보다 낮은 함량을 가지는 그룹 B(서기 946년, 1668년, 1903년 분화물)의 두 그룹으로 구분된다. 백두산 화산재가 분화시기에 따라 두 가지로 구분됨은 산정부에서 확인된 두 그룹(A와 B)의 부석(화산재)로부터 칼데라 외륜산 바깥쪽 원거리에서 채취된 화산재가 분화 당시의 분출물과 같은 성분인지 아니면 분화시기를 달리하는 화산재(부석)인가를 판단하는 기준으로 사용할 수 있을 것이다.
- 수렴경계부(섭입대)의 화산체인 일본 아이라 칼데라의 사쿠라지마 화산의 화산재와 비교하여, 백두산 화산재는 미량성분원소 중 Sc, V, Cr, Ni, Cu은 낮고 특징적으로 Rb, Y, Zr, Nb, Hf, Cs, Th, U, Cr, Zn 그리고 희토류(Eu제외) 등은 높은 함량을 나타낸다.
- 6) ppm, Zn은 97~121(평균 103) ppm으로 분석되었다. 전체 희토류원소 함량은 334.6~530.0(평균 417.7 ppm)으로 나타났으며 이는 그룹 A에 비하여 낮은 함량을 나타낸다.
- 2). 조면암에서 유문암에 해당하는 시료들은 앞에서 언급된 바와 같이 크게 두 그룹으로 구분해 살펴볼 수 있으며 전체적으로 그룹 A가 그룹 B에 비해 Eu를 제외하고 REEs가 부화되어 있으며, (La/Yb)N 값은 그룹 A에서는 10.3~10.5, 그룹 B에서는 16.2~17.7로 그룹 A에서 그룹 B로 감에 따라 다소 증가하는 값을 나타낸다.
- 백두산 천지 칼데라 정상부 부근의 홀로세 분출물은 대부분 조면암에서 유문암 성분이며, 이들 하부의 용암류는 성층화산체를 이루는 조면암이다. 지화학적 모델링 검토를 통한 결과와 지화학적 변화 특징을 고찰해 보면, 조면현무암에서 조면안산암을 거쳐 조면암까지는 사장석, 휘석, 각섬석, 흑운모가 분별결정작용에 큰 영향을 미치는 반면에, 유문암에서는 사장석보다는 K-장석이 큰 영향을 미친 것을 볼 수 있다. 동일한 마그마방내에서 결정분화작용에 의해 상부는 조면/유문암질 성분으로, 하부는 조면 현무암질 성분으로 점이적으로 나뉘어졌으며, 상부에 있던 유문암질 마그마가 폭발성에 의해 먼저 분출한 후 소량의 조면현무암이 분출하였다.
- 분화 중 최대 풍속은 화산의 풍하 측으로 해발 약 12 km 고도에서 400 km 떨어진 지점에서 측정했을 때, 시속 80~140 km 사이로 다양하였다. 화산으로부터 거리가 늘어남에 따라 강하 화산재 퇴적물의 평균 입자 크기는 풍하 측으로 감에 따라 급격하게 감소한 결과를 보여주 었다. 약 152 km 거리에서 화산재의 평균 입경이 0.
후속연구
- 그러므로 백두산 화산재의 성분 확산에 대한 연구를 수행할 때, 환태평양 지역의 수렴경계부 화산의 자료 또는 발산경계부의 화산으로부터 나온 서브-알칼리계열 화산재의 화학 성분을 활용하는 것을 자제하고 가능하면 판내부 화산으로부터 유래된 알칼리암계열의 규질(유문암질 또는 조면암질) 화산재의 화학성분을 활용할 것을 권유한다.
- 또한 백두산에서 분화한 광역 테프라 화산재의 유리 샤아드 성분은 분화구 주변의 낙하하여 퇴적된 부석편의 성분변화 경향과 잘 일치함을 알 수 있다. 백두산 천지 칼데라 외륜산 주변에서 신선한 직경 2 mm 이하의, 역사시대 분화 화산재를 직접 채집하는 것은 쉽지 않으므로, 백두산 역사시대 분화물의 화산재 성분을 파악하기 위하여 부석 조각을 활용하는 것도 타당할 것이다.
- 분석된 미량성분과 희토류원소 원소 조성(Table 1)을 살펴보면, 백두산 화산으로부터의 역사시대 분출 부석들은 Eu를 제외한 희토류원소와 특정 미량원소가 부화되어 있는 그룹 A(서기 1702년 분화물)와 이들보다 낮은 함량을 가지는 그룹 B(서기 946년, 1668년, 1903년 분화물)의 두 그룹으로 구분된다. 백두산 화산재가 분화시기에 따라 두 가지로 구분됨은 산정부에서 확인된 두 그룹(A와 B)의 부석(화산재)로부터 칼데라 외륜산 바깥쪽 원거리에서 채취된 화산재가 분화 당시의 분출물과 같은 성분인지 아니면 분화시기를 달리하는 화산재(부석)인가를 판단하는 기준으로 사용할 수 있을 것이다.
- 백두산에 부석에 대한 미량원소와 희토류 원소 분석에 대한 지화학적 연구는 아직 활발하게 연구되어 있지 않은 상태이다. 일본에 분포하는 화산재에 대한 비교 검토는 다소 가벼워 화산체에서 근거리에 떨어진 부석과 멀리 떨어진 화산재 특히 유리 샤아드(glass shard)의 성분 차이에 대한 연구는 화산활동이 미치는 영향 및 분화에 대한 유익한 정보를 제공할 것으로 사료된다.
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