“화산은 왜 폭발할까? 마그마의 과학”이라는 질문은 지구 내부에서 벌어지는 복잡한 물리·화학적 과정을 이해하는 데 핵심적이다. 지표 위로 솟구쳐 오르는 용암과 화산재는 단순한 자연재해가 아니라 마그마가 가진 성질과 지구의 역동성이 만들어낸 결과다.
1. 마그마는 어떻게 만들어지나? 지구 내부의 뜨거운 비밀
화산 폭발을 이해하기 위해서는 먼저 마그마의 기원을 살펴야 한다. 마그마는 단순히 뜨거운 돌이 녹은 것이 아니라 지구 내부의 압력과 온도 조건에 따라 부분적으로 녹아 생겨난 물질이다. 지구 내부는 크게 지각, 맨틀, 핵으로 나뉘는데 마그마는 주로 맨틀과 지각 하부에서 생성된다. 맨틀은 대부분 고체 상태지만 높은 압력과 열 때문에 일정 부분이 녹으면서 마그마를 형성한다.
마그마가 만들어지는 방식은 크게 세 가지가 있다.
첫째, 감압 용융이다. 맨틀 깊은 곳에서는 압력이 높아 쉽게 녹지 않지만 맨틀 물질이 상승하면서 압력이 줄어들면 녹는점이 낮아져 부분적으로 녹게 된다. 이는 해령과 같은 발산형 경계에서 흔히 일어난다.
둘째, 수분에 의한 용융이다. 판이 섭입하는 지역에서 해양 지각이 맨틀 속으로 들어가면 물과 휘발성 물질이 방출된다. 이 물질들은 맨틀 암석의 녹는점을 낮춰 마그마를 생성한다.
셋째, 열에 의한 용융으로 맨틀 기원의 뜨거운 마그마가 주변 암석에 열을 전달하여 지각을 녹이는 방식이다.
이렇게 만들어진 마그마는 단순히 용융된 돌이 아니다. 그 속에는 실리카의 양에 따라 점성이 달라지고 물, 이산화탄소, 황 화합물 등 다양한 휘발성 성분이 녹아 있다. 이러한 성분이야말로 화산 폭발을 결정하는 핵심 요인이다. 마그마가 지하에서 서서히 모여 마그마 방을 형성하면 언젠가는 지표로 분출할 준비가 갖춰지게 된다.
2. 휘발성 물질과 압력, 폭발을 부르는 메커니즘
화산이 단순히 뜨거운 용암만 흘려보낸다면 폭발적일 필요가 없다. 하지만 실제 화산 폭발은 거대한 폭죽처럼 엄청난 힘을 동반한다. 그 이유는 마그마 속에 녹아 있는 휘발성 물질 때문이다.
마그마가 깊은 곳에 있을 때는 높은 압력 때문에 물이나 이산화탄소 같은 기체가 용해된 상태로 존재한다. 그러나 마그마가 상승하면서 압력이 낮아지면 이 기체들이 더 이상 녹아 있을 수 없게 되어 기포로 변한다. 이는 마치 탄산음료 병을 열었을 때 기포가 빠르게 올라오는 현상과 비슷하다. 기체가 빠져나오며 마그마의 부피는 급격히 팽창하고 내부 압력이 한계치를 넘으면 화산은 폭발하게 된다.
마그마의 점성 역시 중요한 변수다. 점성이 낮은 현무암질 마그마는 기체가 쉽게 빠져나가므로 화산 폭발이 비교적 완만하다. 하와이의 킬라우에아 화산처럼 용암이 천천히 흘러내리는 모습이 대표적이다. 반면, 점성이 높은 안산암질 또는 유문암질 마그마는 기체가 빠져나오기 어렵다. 이 경우 기포가 갇혀 압력이 점점 쌓이고 결국 폭발적인 분출로 이어진다. 대표적인 사례가 1980년 미국 세인트 헬렌스 화산의 대폭발이다.
지질학자들은 화산 폭발의 강도를 화산 폭발 지수(VEI)로 표현한다. VEI 0은 단순한 용암 분출, VEI 8은 지구적 규모의 초거대 화산 폭발을 의미한다. 후자의 경우 수천 km³의 물질이 방출되며 기후 변화까지 유발할 수 있다. 결국, 화산 폭발은 단순한 지표 현상이 아니라 마그마 속 기체, 점성, 압력의 상호작용으로 설명할 수 있는 지구 내부 물리학의 결과다.
3. 화산 폭발이 남긴 흔적과 지구 시스템의 변화
화산 폭발은 단순히 지질학적 사건으로 끝나지 않는다. 그 여파는 지구 생태계와 기후, 심지어 인류 역사까지 깊게 흔들어왔다.
예를 들어, 1815년 인도네시아 탐보라 화산의 폭발은 VEI 7급 초대형 폭발이었다. 이 사건으로 방출된 막대한 양의 화산재와 황산 에어로졸은 지구 대기에 퍼져 태양빛을 차단했고 이듬해는 여름이 없는 해로 기록되었다. 유럽과 북미에서는 농작물이 흉작을 겪었고 사회 혼란과 기근이 이어졌다. 이는 화산 폭발이 단지 지역적 사건이 아니라 전 지구적 영향을 미칠 수 있음을 보여주는 대표적 사례다.
지질학적 기록에서도 화산 폭발의 흔적은 쉽게 발견된다. 화산재 층은 퇴적암 속에서 뚜렷한 경계로 남아 과거 화산 활동을 재구성하는 단서가 된다. 또한 화산 폭발로 분출된 용암은 새로운 지형을 만들며 시간이 지나면 비옥한 토양을 형성한다. 아이슬란드, 하와이, 일본처럼 활화산 지대가 농업에 유리한 것도 이러한 토양 덕분이다.
더 나아가 화산은 지구 내부와 외부를 연결하는 배출구 역할을 한다. 맨틀 속에서 만들어진 물질이 지표로 분출되면서 지구의 화학적 순환을 이끌어내고 대기와 해양의 성분을 장기적으로 변화시킨다. 화산 폭발은 생태계 파괴를 가져오기도 하지만 동시에 새로운 생명체가 번성할 수 있는 환경을 제공하기도 한다. 실제로 심해 열수 분출구 근처에서는 독특한 생태계가 형성되어 있으며 이는 생명의 기원 연구에도 중요한 단서가 되고 있다.
결국, 화산 폭발은 단순한 자연재해가 아니라 지구 시스템의 순환을 보여주는 거대한 과정이다. 마그마의 과학을 이해하는 것은 단지 ‘왜 폭발하는가’라는 질문에 답하는 것을 넘어 지구라는 행성 전체의 역동성을 이해하는 열쇠이기도 하다.