Jour. Petrol. Soc. Korea Vol. 23, No. 2, p. 119~138, 2014

http://dx.doi.org/10.7854/JPSK.2014.23.2.119

119

기술보고

활화산의 감시 기법에 대한 연구

윤성효1·이정현2*·장철우3

1부산대학교 사범대학 지구과학교육과, 2부산대학교 환경연구원, 3부산대학교 대학원 지구과학과

Monitoring Techniques for Active Volcanoes

Sung-hyo Yun1, Jeong-hyun Lee2*, and Cheol-woo Chang3

1Department of Earth Science Education, Pusan National University, Busan 609-735, Korea2Institute of Environmental Studies, Pusan National University, Busan 609-735, Korea

3Department of Earth Sciences, Pusan National University, Busan 609-735, Korea

요 약: 활화산을 감시하는 방법은 육안으로 직접 관찰하는 방법, 과거의 분화 기록 문건을 참조하는 방법,

직접적으로 관측 장비를 동원하여 화산체를 감시하는 방법 등이 있다. 이 중 관측 장비를 이용하여 화산체를

감시하는 방법 중 가장 기본적인 것은 지진활동도의 감시이며, 이외에도 지진계에 기록된 지진활동 중 인위

적인 노이즈를 걸러내는 데 효과적인 공진 관측, 그리고 정밀수준기, 전자거리측정기, 경사계, GPS, InSAR

관측법을 통한 지표변형의 감시, 화산가스 감시, 수문학적/기상학적 감시, 기타 지구물리학적 감시 등의 방법

이 있다. 이러한 감시 기법을 통해 화산의 활동을 효과적으로 감시하고 이를 통해 지하 마그마방에서의 마그

마 거동을 파악함으로써 미래의 화산 분화를 보다 정확하게 예측하고 조기 경보하여 그에 따른 재해의 피해

를 경감하고 최소화 할 수 있다.

핵심어: 활화산, 감시 기술, 조기 경보, 마그마 거동, 예측, 재해, 경감

Abstract: There are various ways to monitor active volcanoes, such as the method of observing the activity

of a volcano with the naked eye, the method of referring to the past eruptive history based on the historic

records and the method of monitoring volcanoes by using observation equipment. The most basic method

from the observation equipment-using methods to monitor volcanoes is seismic monitoring. In addition to

this, the ways to monitor volcanoes are as follows: resonance observation which may be effective to

remove artificial noises from the seismic activities that are recorded in the seismograph, ground

deformation by using precision leveling, electronic distance measurement, tiltmeter, GPS, and InSAR

observation method, volcanic gas monitoring, hydrologic and meteorological monitoring, and other

geophysical monitoring methods. These monitoring methods can make volcanic activities effectively

monitored, determine the behavior of magmas in magma chambers and help predict the future volcanic

eruptions more accurately and early warning, thus, minimize and mitigate the damage of volcanic hazards.

Keywords: Active volcano, Monitoring techniques, Early warning, Magma behavior, Hazards,

Mitigation

서 언

우리 민족의 영산인 백두산은 동북아시아 지역에서

가장 활동적인 화산의 하나이며, 10세기 대분화는 지

난 2,000년 이내에서 가장 격렬한 화산활동이었다. 밀

레니엄 대분화로부터 31건 이상의 화산 분화사건이

있었으며(Yun, 2013), 대부분 화산재가 분화하여 인

근 지역으로 확산되면서 강하화산재(fallout ash)가 발

생하는 플리니안 분화 사건이 많았다. 백두산 천지

일원에서는 2002년에서 2005년까지 지하 마그마의

관입에 의한 화산성 지진의 급증 및 비정상적인 지표

*Corresponding authorTel: 051-510-7410E-mail: ljhyuny@pusan.ac.kr

120 윤성효·이정현·장철우

J. Petrol. Soc. Korea

변형이 발생하였다. 화산구조성 지진의 규모가 2002

년 7월부터 갑자기 급증하였으며, 지진발생 빈도도 한

달에 수십 회에서 수백 회로 증가하였으며, 2002-

2003년도에는 하루에 백 여 회의 군발(swarm)지진이

발생하였으며, 2003년에는 연간 2,100여 회 발생하였

고, 2006년도부터는 감소하는 추세를 보여 현재에는

1999년-2001년의 수준을 유지하고 있다. 주파수가 대

체로 5 Hz 또는 5-10 Hz의 범위에 속하는 이러한 지

진들은 B-형 화산구조성 지진(VT-B)과 장주기 지진

(LP)으로 지하 3~5 km 천부에 위치한 마그마방 상부

의 균열과 마그마의 관입에 기인하는 것이다. 2002년

도부터 2009년도까지의 GPS관측에 의한 지표면의 수

평변위에 의하면 2002년 이후 천지 칼데라 정상부를

중심으로 화산체가 팽창하는 것이 감지되었으며, 2002

년도 대비 2003년도에는 약 4 cm 이상이었고 2003

년도 이후에 그 변화율은 감소하는 경향을 보였다.

백두산 성층화산체 사면에서의 정밀수준 측량에 의한

지표면의 수직적 팽창 또한 최대 10 cm 이상의 변위

를 보였으며, 수직 변위와 수평 변위 모두 2006년도

이후 변화율은 다소 감소하는 추세를 보이나, 여전히

불안정한 상태를 보이고 있다. 온천에서 채취한 화산

가스로부터 분석된 헬륨 동위원소비(3He/4He)의 높은

값은 이들 가스들이 맨틀로부터 유래된 것임을 증명

하고 있다. 천지 주변의 온천수의 온도는 69oC에서

점진적으로 증가하여 최대 83oC에 이르고 있다. 그간

비교적 큰 규모의 지진에 의한 산사태, 암벽붕괴, 화

산가스에 의한 나무의 고사 등이 관찰되었고, 2012년

여름 천지 칼데라 외륜산의 절벽으로부터 수차례의

암벽붕괴도 발생하였다. 이런 모든 현상들이 백두산

천지화산이 불안정한 상태에 있으며, 잠재적으로는 충

분하게 분화 가능성이 있다는 것을 지시하는 것이다

(Yun and Lee, 2012). 그러므로 강력한 화산 감시

모니터링과 화산재해 경감을 위한 사전 방재대책이

필요한 단계라고 평가된다.

화산을 감시하는 방법에는 다음과 같은 3가지 유형

이 있다. 첫째는 화산을 직접 육안으로 관찰하는 방

법, 둘째는 과거의 분화 기록 문건을 참조하는 방법,

셋째는 직접적으로 관측 장비를 동원하여 화산체를

감시하는 방법이다. 첫 번째 방법인 직접적인 육안

관찰은 활동적인 활화산인 경우 접근성이나 연구자의

위험성 등의 어려움이 있다. 두 번째 방법인 과거의

분화 기록 문건을 참조하는 방법은 역사적인 기록이

남아 있을 때 가능하다는 제한점이 있다. 따라서 화

산의 활동을 정확하고 안정성 있게 감시할 수 있는

것은 세 번째 방법인 관측 장비를 동원하여 화산체를

감시하는 방법이다.

Fig. 1. Pie charts showing percentages of instrument types used for volcano monitoring in the United States as of31 December 2008(Guffanti et al., 2010). The three categories containing the most instruments(seismic,deformation, and hydrological) are subdivided by instrument type(as given in Table 1).

활화산의 감시 기법에 대한 연구 121

Vol. 23, No. 2, 2014

그러나 관측 장비를 동원하여 화산체를 감시할 때

에도 단순하게 하나의 감시 방법만으로는 화산의 거

동을 적절하게 측정하기가 힘들다. 성공적인 화산 감

시를 위해서는 구비할 수 있는 모든 기술과 장비들을

포함하는 것이 이상적이며(Fig. 1 & Table 1), 또한

장비를 통해 얻은 결과를 직관적 통찰력을 가지고 잘

해석할 수 있는 전문가의 능력 또한 중요하다.

따라서 본 연구에서는 가장 효율적인 화산 활동 감

시를 위한 기술 체계 확립을 위하여 세계의 여러 활

화산에서 화산의 활동을 감시하기 위해 활용되고 있

는 화산 활동 감시 기법에 대해 알아보고자 한다.

본 론

앞서 언급한 바와 같이 하나의 감시 방법만으로는

화산의 거동을 정확하게 예측하기는 힘들기 때문에

효율적인 화산 활동 감시를 위해서는 여러 관측 장비

설치가 필요하다. 이에 가장 기본적이면서도 제일 큰

비중을 차지하는 것이 지진계이며, 지진계를 통한 지

진 활동도 감시는 임박한 분화에 대한 조기 경보를

위한 기초 자료를 제공해 준다. 또한 지진계에는 다

양한 인위적인 노이즈가 함께 기록되는데, 이를 매우

효과적으로 구별할 수 있는 감시 방법이 공진(초저주

파) 관측이다. 따라서 공진 관측은 폭발적인 화산 분

화를 보다 더 정확하고 빠르게 감지할 수 있도록 도

와준다.

지표면에서의 외관상의 감시 뿐 아니라 지표면 아

래 깊숙한 곳에서 일어나는 일에 대한 해석의 실마리

를 제공해 주는 감시 방법은 지면 변화 측정이다. 이

는 화산체의 사면 주위에서의 지형 변화를 정밀하게

측정하는 것으로 최근에는 인공위성 관측 기술을 포

함하여 넓은 지역에 대해 동시다발적으로 많은 요소

들을 측정하기도 한다. 이러한 지면 변형의 측정에는

수준기, 전자거리측정기(EDM), 경사계, GPS, InSAR

등의 기술이 활용된다.

화산 활동에서 화산가스 및 열 활동 등 지구화학적

및 열역학적 관측도 중요하다. 분연의 증가, 지열지대

의 확대, 식생 사멸, 온천 및 우물물의 온도 변화 등

은 오래 전부터 분화 전조현상으로 주목받고 있다.

화산으로부터 주로 발생되는 가스인 이산화탄소와 이

산화황 등의 변화를 지속적으로 감시하는 것은 분화

의 전조현상을 감지하는 데 효과적인 방안이 된다.

화산 분화 시 화산 분출물이 물과 섞여 강 유로를

따라 홍수나 라하르의 형태로 운반되므로 수문학적

감시도 화산 분화로 인한 잠재적인 위험을 감소시키

기 위해 필요한 부분이다.

Table 1. Types and numbers of installed ground-based instruments used for volcanic monitoring by U.S. volcanicobservatories(Guffanti et al., 2010)

Instruments Observatory AVO CVO HVO LVO YVO Total

Seismic: short-period 193 111 55 70 43 472

Seismic: broad-band 34 16 10 8 16 84

Seismic: accelerometer 1 65 27 12 12 117

Seismic: micro-barometer 4 1 0 0 0 5

Deformation: tiltmeter 12 12 21 9 6 60

Deformation: CGPS 63 77 63 61 28 292

Deformation: borehole strainmeter 0 4 4 4 5 17

Other geophysical 4 3 1 13 0 21

Geochemical 0 6 15 6 4 31

Hydrological-meteorological: stream/lake 1 38 3 6 22 70

Hydrological-meteorological: AFM 0 15 0 0 0 15

Hydrological-meteorological: down-hole P/T 0 0 0 18 1 19

Other hydrological-meteorological. 1 25 21 19 19 85

Visual: camera 15 11 4 0 3 33

Total 328 384 224 226 159 1321

Volcano observatories names: AVO; Alaska Volcano Observatory, CVO; Cascades Volcano Observatory, HVO; Hawaii VolcanoObservatory, LVO; Long Valley Observatory, YVO; Yellowstone Volcano Observatory. Other terms: CGPS; continuously recordingGlobal Positioning System, AFM; acoustic flow monitor; P/T; pressure or temperature.

122 윤성효·이정현·장철우

J. Petrol. Soc. Korea

그 외에도 중력계나 자력계와 같은 지구물리학적

방법, 화산을 눈으로 직접 관찰하기 위한 망원카메라

와 같은 장비도 화산을 감시하는 데 많은 도움을 주

므로, 가능하다면 이러한 장비들도 추가로 설치하여

상호보완적 감시를 통해 훨씬 더 효율적으로 화산 분

화의 전조를 감시할 수 있을 것이다. 화산 활동 감시

를 위한 각각의 관측 장비 및 관측 기술에 대해 자

세히 알아보고자 한다.

지진 활동도 감시

지진 활동도 감시(seismicity monitoring)는 가장

중요한 화산 감시 관측 방법이며, 임박한 분화 활동

의 조기경보를 제공해 준다. 마그마의 이동으로 발생

하는 응력이 암석의 강도를 초과할 때 암석은 파괴되

는데, 이것이 지진으로 직접 느껴지거나 음파의 형태

로 기기에 감지될 수 있다. 이러한 지진을 감지하는

지진계는 지진의 다양한 진행과정에 의해 야기되는

화산의 마그마방과 화구로부터의 땅의 진동을 측정하

는 장비이며, 화산 활동의 전조를 감시하기 위해서는

화산성 지진을 감시하는 것이 매우 중요하다.

활화산에서 발생하는 화산성 지진은 대부분의 비화

산 지역에서 종종 발생하는 전형적인 하나의 독립된

지진이나 여진의 형태로 나타나기 보다는 군집

(swarms)으로 발생한다. 화산성 지진은 최대 규모가

M5 이하로서 큰 구조성 지진보다는 규모가 매우 작

다. 대부분의 화산성 지진은 M2 이하로서 기기에서

만 감지될 수 있으며, 특히 M0 이하의 화산성 지진

은 기기에 기록되지는 않지만, 정밀한 지진계에 하루

동안 작은 지진 수백 개가 기록되기도 한다.

화산성 지진은 기본적으로 A-형과 B-형으로 구분

할 수 있다. A-형 지진은 비교적 고주파의 분명한 P

파와 S파의 상을 가지고 있으며, 주로 마그마방의 상

부나 화도 주변의 모암이 심부에서 균열되어 발생하

는 것이다. P파와 S파의 도달 시간차로부터 거리를

계산할 수 있다. 최근에는 이것을 화산구조성(volcano-

tectonic; VT) 지진이라고 부른다. B-형 지진은 지하

1 km 이내의 얕은 장소에서 발생하는 지진으로, 상승

하는 마그마가 기포를 형성하거나 기포의 붕괴, 유체

의 이동, 매우 얕은 곳에서 물이 증기로 급격하게 변

화할 때, 그리고 암석의 인장 파괴나 전단 응력에 의

하여 나타난다. 최근에는 이것을 장주기(long-period;

LP) 지진이라고 부른다. 활화산에서는 이와 같은 서

로 다른 2 종류의 지진 신호가 함께 기록된다.

화산성 떨림(조화진동; volcanic tremor)은 분화 활

동에 앞서 수 일, 수 시간, 수 분 동안 또는 분화

활동 중에 함께 나타나면서 지속되는 저주파 조화 코

다(low frequency harmonic coda)가 주류를 이루어

나타난다. 이 연속적인 진동은 종종 높은 압력에서

유체의 이동 즉, 대부분의 경우 이동하는 마그마에

의해서 나타나며 통상 분화 활동에 선행하거나 함께

나타난다.

화산관측소에서 볼 수 있는 많은 다른 유형의 지진

계 기록(Fig. 2)은 때때로 화산 기원일 수 있으나, 일

부는 노이즈이거나 먼 거리에서의 비화산성 사건이

원인일수도 있다(Lockwood and Hazlett, 2010).

분화에 선행하여 몇 달 혹은 몇 시간 전에 마그마

Fig. 2. Typical seismic signals(sketches) that might be recorded on a volcano observatory seismograph(Lockwoodand Hazlett, 2010).

활화산의 감시 기법에 대한 연구 123

Vol. 23, No. 2, 2014

가 지표면 아래의 1~3 km 지하에 도달하면 일반적으

로 지진의 특성은 달라진다. P파나 S파가 명료하고,

탁월주파수가 수 Hz 이상인 고주파지진(HF)에 비해,

탁월주파수가 2~3 Hz 이하인 저주파지진(LF)은 마그

마 분화와 보다 밀접한 관계를 가지는 경향이 확인되

었다.

화산의 지진활동 변화를 추적하기 위하여, 일반적

으로 단일 화산의 분화구로부터 20 km 이내의 위치

에 4개에서 8개 이상의 지진계 세트를 설치해야 한

다. 지진 네트워크 체계는 여러 장비로 만들어진다.

적절한 장비를 전략적 장소에 충분하게 보유하는 것

은 특히 규모 M1~2의 작은 지진을 탐지하는 데에

매우 중요하다. 때때로 미진이 증가하는 것은 화산이

불안정해 지고 있다는 것을 암시하는 유일한 수단이

될 수 있기 때문이다. 그러나 지진계 세트가 화구로

부터 50 km 이상의 거리에 위치되어 있다면, 이러한

미진은 결코 발견할 수 없을 것이다.

화산성 지진 신호의 예 -미국 워싱턴주 레이니어 산

의 지진성 신호: 지진계 세트는 여러 형태의 현상들로

인한 급속한 지면의 움직임 즉 바람, 동물의 떼, 헬

리콥터의 공중정지, 화산 분화, 눈사태, 암설사태 등

을 탐지할 수 있으며, 이들 현상은 각각 독특한 형태

의 신호를 가지고 있다.

지면 흔들림(shaking) 사건은 일반적으로 독특한 지

진성 ‘신호’를 발생시킨다. 특정 변동에 의한 ‘기록’

을 눈으로 확인하고 인지하여야 한다. 지면의 흔들림

을 정확하게 해석하기 위해서는 동일한 지진 사건에

대해 각각의 거리에 설치한 여러 지진계에서 기록된

다수의 지진 신호가 필요하다. 직접 화산에서 눈으로

관측한 것과 기록된 것을 비교하면, 화산의 많은 지

진성 신호들의 해석을 개선할 수 있다.

약 30년 간의 지진 감시를 통해 위에서 언급한 지

진 신호들은 화산에서 지표면이 진동하여 생기는 가

장 일반적인 사건을 나타내는 것으로 알려져 있다.

각 지진 신호의 전체적인 모양은 각 신호의 진폭(파

형의 높이), 주기(파형 내부의 최고점-피크에서 피크

까지, 최고점과 최저점의 차이-높이), 지속시간(파형의

길이)을 비교함으로서 쉽게 알 수 있다.

Fig. 3은 레이니어 산의 지진성 신호를 관측한 결

과로 얻어진 지진성 신호의 유형이며, 각 신호의 떨

리는 정도는 뚜렷한 차이를 보여준다. 레이니어 화산

의 지진 활동은 USGS의 지원 아래 워싱턴대학 소속

의 북서태평양 지진 네트워크 과학자들이 감시 하고

있다.

Newhall & Endo(1987)는 그들이 관측한 192개의

분화 중에서 25%는 고주파 화산구조성(VT) 지진이

매우 중요한 신호로서 분화활동 전에 폭풍 전야처럼

조용하고 급격하게 감소하였다고 보고하였다. 이것은

지각 내의 천처 균열에 기인한다고 해석되었다

(McNutt, 1996). 저주파 B-형(LP) 지진이 화산성 조

화진동과 함께 분화 전에 우세하게 나타난다.

최근 컴퓨터 데이터 프로세싱을 통하여 화산성 지

진군을 분석하는 새로운 기법인 RTAM(Real-Time

Amplitude Measurement) 시스템이 개발되었다. 특정

한 지진관측소 내에서 1초 내지 10초 간격으로 기록

된 모든 지진의 진폭과 지진의 유형을 분석하여 평균

하고, 지진군의 전반적인 에너지가 어떻게 변화하는

지 볼 수 있게 연구자들에게 도움을 주기 위하여 시

간-진폭 다이어그램(time-amplitude diagram)을 자료

로 제공한다. 또한 특정 지진계에서 고정된 일정한

시간 간격 동안 기록된 특별한 주파수를 가지는 지진

파의 진폭을 분석하기 위하여 SSAM(Seismic Spectral

Amplitude Measurement) 시스템을 이용한 새로운 접

근을 시도하기도 한다.

Fig. 3. Seismic signatures from Mount Rainier,Washington(USGS). The overall shape of eachseismic signature is easy to see by comparing theamplitude (height of waveform), frequency (width frompeak to peak within waveform), and duration (lengthof waveform) of each signature. The “tic” marks oneach signature represent 1 minute in time.

124 윤성효·이정현·장철우

J. Petrol. Soc. Korea

공진(초저주파) 관측

공진 관측(초저주파 관측)은 지진의 폭발적인 증가

뿐 아니라 각각 특징적인 파형을 가지는 초저주파와

연관된 화산성 지진을 감지한다. 이러한 초저주파는

각각의 화산성 지진의 근원 메커니즘과 관련되어 있

다고 간주되므로, 이들은 화산성 지진의 근원 메커니

즘에 대한 중요한 단서를 제공해 준다. 공진 관측의

결과는 초저주파 마이크로폰이 TV 카메라 관측과 결

Fig. 4. Synchronicity of the eruption captured by satellite image, infrasonic wave data, and tremor data fromShinmoe-dake of Kirishima volcano(Earthquake Research Institute, 2011). Amplitude of tremor had become largerbetween 14:50-18:30 on 26th, 2:20-4:50 on 27th, and 15:30-17:30 on 27th January, and that the amplitude of theinfrasonic wave became larger corresponding with the increase of tremor activity. Just before and after theseactivities, ash plume is not obvious on the infrared images taken by satellite of Japan Meteorological Agency. But1-2 hours after that, ash plume widely spreading toward east can be clearly recognized. That is, it can explain thatthe intensity of eruption became higher as the amplitude of tremor and infrasonic wave became large. This will beone of indicators of volcanic activity of this time.

활화산의 감시 기법에 대한 연구 125

Vol. 23, No. 2, 2014

부될 때 분화를 감지하는 능력이 보다 더 향상된다는

것을 알려준다. 재난의 예방이라는 관점에서 볼 때,

공진 관측은 화산 분화를 감시하는데 매우 효과적인

수단이 될 수 있다. 게다가 마이크로폰에서 획득된

데이터는 화산 활동과 관련하여 지진계에 기록되는

다양한 인위적인 노이즈를 매우 효과적으로 구별할

수 있게 해 준다. 따라서 초저주파 관측은 화산 활동

을 감시하는 시스템의 한 부분으로, 화산 분화를 보

다 더 정확하고 빠르게 감지할 수 있도록 해 준다.

기리시마산 신모에다케 분화의 미동과 공진 관측 예:

기리시마산(霧島山)의 신모에다케(新燃岳)는 2011년 1

월 19일부터 2월 7일까지 9회의 폭발적인 분화를 하

였다. 이 기간 중 1월 27일 밤까지 1월 26일 14시

50분 경, 1월 27일 2시 20분 경, 그리고 15시 30분

경에 3회의 강도 높은 폭발적인 분화가 직접 눈으로

관찰되었고, 감시카메라로 확인되었다.

미동(tremor) 자료로부터 1월 26일 14:50~18:30, 1

월 27일 2:20~4:50과 15:30~17:30 사이에 진폭이

큰 진동이 기록되었으며, 공진(air-shock; infrasonic

wave)도 같은 시기에 진폭이 큰 것이 기록되었다(Fig.

4). 이들 3회의 미동과 공진이 발생한 직후 광범위한

화산재의 연기기둥(분연)이 확인되었으며, 이로부터

1~2시간 후, 화산 동쪽에 큰 화산재 구름이 형성되었

다. 미동과 공진의 진폭이 큰 것은 분화강도(단위시간

당 화구로부터 방출되는 열에너지)가 높았다는 것을

의미한다. Fig. 4는 1월 26~27일의 미동과 공진 기

록이며, 붉은 별표(★)는 고강도의 분화시점이다.

지표면 변형 감시

화산분출물로 축조된 화산체는 대부분이 상대적으

로 잘 깨어지고 쉽게 균열되는 용암류와 화산재나 각

력암 등의 화성쇄설물의 느슨한 축적물로 구성되므로

비교적 약한 구조로 되어있다. 개념적으로, 화산체의

지하에 있는 마그마방을 덮고 있는 풍선과 같은 모습

으로 활화산을 생각할 수 있으며, 마그마방의 내부

압력이 변화되거나 마그마가 화산체의 다른 부분으로

이동하게 될 때 화산의 표면은 변형을 일으키게 된다.

이를 측정하기 위한 많은 측지학적인 기술들이 개발

되어 있다. 이들 관측 기술들은 화산의 지면 변화(화

산변형) 즉, 지표면 아래 깊숙한 곳에서 무슨 일이

일어나는지에 관하여 해석할 수 있는 실마리를 제공

한다.

화산의 지면 변형 모니터링(surface deformation

monitoring)은 기본적으로 수평 거리, 수직 고도, 그리

고 지표면 기울기의 감시를 포함한다. 이들 3 요소는

서로 연관되어 있으며, 어떤 화산의 형태 변화를 말

할 때 통상 3 요소의 변위를 모두 포함한다. 최근까

지 각각의 요소에 대하여 서로 다른 기기나 방법으로

측정하였으나, 최근 지구 위성관측 기술을 포함하는

새로 개발된 기술은 넓은 지역에 대하여 동시에 많은

요소들을 측정하기에 이르렀다. 그러나 새로 개발된

기기가 매우 고가이므로, 전통적인 방법은 아직도 효

과적으로 사용되고 있다.

지난 200여년 이상 가장 많이 쓰인 측량 기술은

광학적 경위의(theodolite)와 스타디아 측량(stadia)을

이용한 거리와 고도 변화를 관측하는 것으로 값이 싸

고 매우 광범위하게 화산의 변형 연구에 사용되었다.

지금까지도 변형되는 화산체의 사면 주위에서의 고도

변화를 정밀하게 측정하는 매우 유용한 방법이 수준

기 측량(leveling surveys)이다. 이는 시간에 따라 화

산의 변형을 반복적으로 측정하기 위하여 필요한 기

준점들의 네트워크를 이용한다. 이러한 관측점은 기

술자가 안정된 지점이라고 판단하는 장소를 연결한다.

비교 관측점들은 화산의 기저부나 산정부에서 그리

멀지 않은 곳을 선정하는데, 이는 화산의 팽창과 더

불어 지표면이 들려 올려지는 것이 주로 화산체 자체

의 지역 내에 한정되기 때문이다. 만약 화산이 섬으

로 독립된다면 평균해수면이 하나의 기준점이 될 수

있다.

비록 경위의를 통하여 수평거리를 관측하더라도, 정

확한 측정을 위하여 약 40여 년 전 개발된 다양한

종류의 전자빔을 이용한 전자거리측정기(EDM;

Electronic Distance Meters, 광파측거의)와 비교하면

정밀도가 떨어진다. 토탈 필드 스테이션(total field

station)이라고 부르는 수정된 EDM시스템을 결합하여

이용하면 기준점들 사이의 거리뿐만 아니라 수직 각

도(고도)의 차이를 측정할 수 있다. 토탈 필드 스테이

션은 매우 고가이므로 화산체의 팽창에 대하여 적은

돈을 들여 기존의 방법으로 측정하는 것이 효율적일

수도 있다.

수준기 및 전자거리측정기를 활용한 지표면의 변화

관찰: 마그마가 지표면으로 상승할 때, 화산 위에 위

치한 수 십~수 천 m 떨어진 곳의 기준점 사이의 거

리를 정확하게 측정할 수 있다. 때때로, 상승하는 마

그마는 상부의 암석을 위쪽으로 밀어 올리거나 옆으

로 밀쳐낸다. 어떤 경우든지, 화산의 일부분은 실제로

126 윤성효·이정현·장철우

J. Petrol. Soc. Korea

다른 부분에 비하여 상대적으로 적게는 아마도 수

mm, 많게는 수 십 m만큼 수평으로 이동하게 될지도

모른다. 전자거리측정기와 같은 변화 측정의 목표는

적절한 장소에 기준점을 놓고 양 기준점 사이의 거리

를 정기적으로 자주 측정하는 것이다.

① 전자거리측정기란?

전자거리측정기는 전자기 신호를 보내고 받는 장비

이다. EDM과 반사기 사이의 거리에 따라서 되돌아

오는 신호의 파장은 송출된 신호와 일치하지 않을 것

이다. 장비는 송출되는 위상과 수신되는 신호를 비교

하고, 다른 전자기적 위상 차이를 측정한다(Yun and

Lee, 2013). 범위와 정밀도에 있어서 EDM의 기능은

광범위하지만, 화산 감시 목적을 위해서는 일반적으

로 단거리(10 km 이하), 중거리(50 km 이하) EDM이

사용된다. 단거리 EDM은 5 mm의 정확성을 가지고

거리를 측정하기 위한 전자기 스펙트럼의 근적외선을

송출하고 수신한다.

② 하와이의 마우나 로아 화산의 예

마우나 로아의 북동 측면: 마우나 로아 화산은 지

구에서 가장 거대한 순상화산으로 해양저에서 9 km

가량 솟아있다. 또한 1843년에 분화기록을 문서에 남

긴 이후로, 30번 이상 분화한 대표적인 활화산 중의

하나이다. 화산의 절반 이상이 1,500년보다 젊은 용

암으로 덮여 있으며, 거의 90%가 4,000년보다 젊은

용암으로 덮여 있다.

마우나 로아 정상부의 칼데라: 마우나 로아 정상부

의 칼데라를 보면, 1975년 7월 5~6일에 분화한 틈새

를 따라 분기공으로부터 가스 및 증기가 솟아나는 것

을 볼 수 있다. 1년에 1~2회, USGS 하와이 화산

관측소의 과학자들은 전자거리측정기를 사용하여 칼

데라 반대편의 많은 기준점 사이의 거리를 측정한다.

칼데라는 폭 3 km(동-서), 길이 5 km(북-남)이다.

마그마 상승: 마우나 로아의 1975년과 1984년의

분화 동안 모쿠아웨오웨오(Mokuaweoweo)의 동쪽과

서쪽의 가장자리에 위치한 두 기준점 사이의 거리가

증가하였다. 두 경우 모두 분화가 시작되는 동안, 칼

데라의 마그마 무리가 약 30 cm 이상 간격으로 상승

하였다(Fig. 5). 이전의 모든 역사적 분화보다 이 기

간 중에 마우나 로아의 확장과 분화과정에 대한 많은

것을 알게 되었다.

③ 워싱턴 주의 세인트 헬렌즈산의 예

1986년 10월 21일에 시작된 분화 중 세인트 헬렌

즈(Mt. St. Helens)의 분화구 내에 있는 용암돔 꼭대

기에서 뜨거운 새로운 용암이 달아올랐다. 대략

930oC의 온도로 달아오르고 있는 용암은 지름이 약

200 m였다. 점성질 용암의 분화는 사진 찍기가 어렵

지만 전자거리측정기를 이용하여 측정하는 것으로부

터 과학자들이 한 주 전에 예측하였었기에 시간이 경

과함에 따라 굉장한 이미지를 촬영할 수 있게 되었다.

돔에서의 마그마 상승: 마그마는 돔에서 분화하기

Fig. 5. Distance changes between MOKP and MSLP benchmarks (see map inset) at the summit of MaunaLoa(USGS). Electronic distance measurements(EDM) are shown in blue. Measurements by GPS are shown inpurple. Red lines indicate eruptions in 1975 and 1984. Huge extensions associated with the 1975 and 1984eruptions were caused by magma rising from the summit reservoir to the volcano's surface. During the 1984eruption, after the summit area inflated, it contracted and subsided rapidly as lava erupted along the northeast riftzone. When the eruption stopped, the summit magma reservoir immediately began to re-inflate.

활화산의 감시 기법에 대한 연구 127

Vol. 23, No. 2, 2014

전에, 돔의 중심부로 상승하였다. 마그마가 돔에서 이

동할 때, 하나 또는 더 많은 돔의 측면이 중심으로부

터 넓게 펼쳐진다. EDM은 종종 분화 3~4주 전에

시작한 용암돔의 팽창을 측정하기 위해 사용되었다.

돔의 팽창을 측정하기 위하여 분화구 바닥에 여러 기

준점을 설정하고 EDM을 설치하였다. 1981년과 1986

년 사이에 화산활동이 활성화 되었을 때, 과학자들은

돔을 규칙적으로 조사하기 위하여 일주일에 여러 번

분화구에서 측정을 실시하였다.

경사계: 대부분 화산 변형은 경사계(tiltmeter)를 이

용한 정확한 측정 기술로 탐지하고 측정할 수 있다.

화산재해프로그램은 시간에 따른 화산의 변화를 감시

하기 위해 화산 주변에 고감도의 변형측정 장비 네트

워크를 설치한다. 위성에 기초한 기술(GPS)과 결합된

이러한 장비들은 화산에 대한 이해를 증진시켜 화산

을 감시하고 분화 경보를 제공하는 것을 가능하게 해

준다.

경사계를 이용한 화산에서 경사각 또는 지면의 기

울기의 미세한 변화 측정은 마그마의 이동으로 인한

변형을 모니터링 하는 가장 오래된 방법 중 하나이다.

화산체의 내부가 팽창하고 새로운 마그마가 첨가되

면 화산의 사면이 약간 급하게 기울어지기 시작한다.

전통적으로 습식경사측정법(wet tilt measurements)은

대략 15 m 길이의 변을 가진 정삼각형의 꼭지점에

호스로 연결된 3개의 물통(water pot)을 통하여 경사

를 측정하는 방식이다. 지면의 한 부분이 팽창하여

높아지면 물통에서 평형을 유지하던 물이 이동하여

가장 낮은 곳의 물통의 수위가 높아지게 된다. 현재

는 전자경사측정장치 방식으로 대체되었다. 건식경사

(dry-tilt) 측정법은 습식경사측정법에 비하여 간단하며,

수준기와 스타디아 막대를 사용하는 방법이다.

최근 도입된 경사측정장치(경사계)는 놀라울 정도

의 정밀도를 나타내도록 고안되어 있는 데, 1 km 거

리에 단지 수 mm 이하의 융기를 판단할 수 있는,

즉 마이크로라디안(microradian) 이하의 미세한 경사

가 측정 가능하도록 되어 있다.

① 전자경사계

전자경사계는 기울기의 변화를 측정하기 위해 전도

성 유체와 기포로 채워진 작은 용기를 사용한다. 유

체와 기포 내에 위치한 전극은 기포가 움직임에 따라

기포의 위치를 결정하며, 전극의 변화가 전압으로 표

시된다. 이러한 방법은 기포가 이동함으로써 나타나

는 기울기의 양과 상관관계가 있다.

경사계는 1 km 길이의 광선의 끝이 10센트 동전의

너비만큼 상승했을 때 변화되는 각도(0.00006o)정도인

마이크로라디안 크기로 경사의 변화를 측정한다. 원

래는 군사 미사일의 제어시스템 일부로 설계되었으나,

현재는 다양한 종류의 전자 경사계가 서로 다른 분해

능과 범위를 가지고 화산을 모니터링 하는데 유용하

게 이용되고 있다. 예를 들면, 화산과 예상되는 기울

기 변화의 정도에 따라 100~1,000 마이크로라디안의

범위 내에서 경사 측정이 이루어지고 있다.

1995년 몬세라트(Montserrat)의 캐리비안 섬에 위치

한 소프리에 힐(Soufriere Hills)화산에 경사계를 설치

하여 상세히 모니터링 중이다.

② 킬라웨아 화산의 예

킬라웨아(Kilauea)의 정상부 칼데라에서의 팽창과

수축: 1983년~1986년 사이에 킬라웨아 화산의 동쪽

융기 지역에 위치한 푸오오(Pu'u 'O'o)의 굉장한 분화

는 화산 정상부에서 약 20 km 떨어진 지역까지 현저

한 지면 경사의 변화를 나타내었다. 푸오오의 분화

전에 먼저 칼데라 정상부 아래의 지하 저장소로 마그

마가 이동하였고, 그 후 화산의 동쪽 융기부로 주입

되었다. 마그마가 정상부의 저장소에서 푸오오쪽으로

이동함으로써, 정상부의 지면이 내려앉았으며, 이는

칼데라 서쪽 가장자리에 위치한 경사계에 기록되었다.

킬라웨아 화산의 마그마 팽창과 수축: 낮은 중심부

에 위치한 할레마우마우(Halema'uma'u) 분화구는 지

름이 1 km이다. USGS 하와이 화산 관측소는 칼데라

의 서쪽 가장자리에 위치하고 있다.

지난 40년 이상 동안, 킬라웨아 화산의 정상부 칼

데라 아래에서 이동하는 마그마는 지면을 위아래로

움직이도록 힘을 가하여 때로는 2 m 가량의 이동을

나타내는 것이 경사계에 기록되었다. 마그마가 칼데

라의 정상부를 밀어 올릴 때, 칼데라의 가장자리에

있는 경사계는 바깥쪽으로 기울어진다. 킬라웨아에서

의 가장 오래된 경사 기울기의 기록은 하와이 화산

관측소 근처에 위치한 우웨카후나 볼트(Uwekahuna

vault)의 경사계에서 기록된 것이다(Fig. 6). 이 그래

프는 킬라웨아의 칼데라 가장자리에 위치한 우웨카후

나 볼트 경사계에 1984년부터 1985년 1년간 기록된

기울기를 보여주고 있다. 경사계 경사각이 증가한 것

으로 나타나면 칼데라로부터 지면이 멀어진다는 것을

의미하며 이는 마그마로 인해 정상부가 팽창된 것을

나타낸다. 그리고 나서 푸오오 내에 용암이 가득 차

고, 분화구에 넘쳐 범람하거나 분수처럼 솟아오를 때,

128 윤성효·이정현·장철우

J. Petrol. Soc. Korea

정상부의 경사계는 경사 각도가 급격히 감소 혹은 수

축된 것을 기록하여 보여준다.

킬라웨아 화산 아래 마그마의 이동경로: 킬라웨아

화산으로 상승하는 마그마는 정상부 아래의 주요 저

장소에 주입된다. 그 이후, 마그마는 정상부에서 분화

하거나, 혹은 킬라웨아의 측면 아래에 있는 두 개의

주요 경로(융기부)중 하나를 통해 이동할 것이다.

융기 지역 아래 마그마의 이러한 이동은 정상부의

함몰을 일으키며, 이는 경사계에 칼데라 주변부가 내

부로 기울어지는 것으로 기록된다. 마그마가 융기지

역 아래로 이동하지 않을 때, 칼데라 정상부는 서서

히 팽창하며 이는 지면경사가 증가하는 형태로 나타

난다. 이는 마그마가 정상부 저장소 속으로 상승하고

있음을 나타낸다.

1980년에 나타난 칼데라의 주 경사 패턴은, 정상부

마그마 저장소가 종종 동쪽 융기지역 아래 저장시스

템과 섬세하게 균형을 이루고 있는 것을 보여준다.

킬라웨아 경사 패턴은 마그마가 언제 융기지역의 한

지점 아래로 이동하는지와 분화가 언제 발생할 것인

지를 판단하는 것에 도움이 된다.

③ 세인트 헬렌즈산의 예

세인트 헬렌즈산에서 경사계의 이용: 1980년 10월

과 1986년 사이에 점성이 있는 데사이트질 용암이

17번 분화하여 세인트 헬렌즈산의 분화구 내에 용암

돔이 만들어졌다. 각 분화는 용암돔에 1~22백만 m3

사이의 새로운 용암을 추가하였다. 마그마가 돔의 표

면을 향해 주입되었을 때, 두께 40 m, 직경 400 m의

용암류를 형성하면서 용암돔의 거대한 성장이 일어났

다. 분화 전에 돔 속으로 마그마가 반복적으로 상승

함으로써, 분화구 바닥에서 이례적인 지면경사 패턴

이 용암돔으로 마그마가 주입되기 2~4주 전에 시작

되었다. 지면 기울기의 반복적인 패턴은 세인트 헬렌

즈산의 용암돔이 언제 분화하는가를 정확하게 예측하

는데 사용된 가장 신뢰성 있는 지면 변형 측정 중의

하나였다. 용암돔에 인접한 거의 평평한 분화구 바닥

은 초기에 용암돔의 성장이 일어나는 동안 지면 경사

의 변화를 확정하기 위한 훌륭한 기준점을 제공한다.

경사계는 현저한 기울기 변화 기록을 위해 화도로부

터 수 백 m 이내에 설치되었다. 용암돔 주변에는 몇

개의 경사계가 필요하며, 이는 분화구 바닥이 모든

지점에서 균일하게 기울어지지 않기 때문이다.

Fig. 7은 1982년 3월 19일 분화(수직의 붉은 선)

전에 돔의 북쪽 100 m 이내에 위치한 경사계에서 3

개월 동안 기울기의 기록을 보여주고 있다. 경사계는

용암돔에서 방사상의 방향과 수직 방향의 두 방향에

서 지면 경사의 변화를 기록하였다. 1월 중순에는 완

만한 기울기로 시작하여 3월 중순에 급격히 가속된

다. 그런 후에, 분화 시작 30분 이내에 방사상의 지

Fig. 6. This graph shows a one-year record of tiltfrom the Uwekahuna tiltmeter located on rim ofKilauea's caldera(USGS). When the tiltmeter recordshowed an increase in slope angle (microradians) theground was tilting away from the caldera, whichindicates the summit area was inflating with magma.Then, when lava within Pu'u 'O'o filled and overflowedthe crater or began fountaining, the summit tiltmeterrecord suddenly showed a decrease in slope angle ordeflation. After the eruption, the tiltmeter once againrecorded a steady outward tilt.

Fig. 7. Tiltmeters detect increasing rates of defor-mation before eruption(USGS). This graph shows athree-month record of tilt from a tiltmeter located lessthan 100 m north of the dome before the March 19,1982, eruption (vertical red line) at Mount St. Helens.The tiltmeter recorded a change in ground slope intwo directions, radial and tangential to the dome. Notethe gradual tilt that began in mid-January andaccelerated sharply in mid-March. Then, within 30minutes of the eruption, the radial ground tilt reverseddirection; this reversal indicated the ground stoppedtilting away from the dome and began to subsiderapidly.

활화산의 감시 기법에 대한 연구 129

Vol. 23, No. 2, 2014

면 기울기의 방향이 역전되었으며, 이러한 역전은 지

면이 용암돔으로부터 기울어지는 것이 중단되고 붕괴

되기 시작했다는 것을 지시해 준다.

모니터링 데이터에 기초한 분화 경고 : 경사계 기

록, 돔 변형의 측정 및 지진활동을 바탕으로, USGS

캐스케이드 화산 관측소의 과학자들은 3월 12일, 3월

15일, 다시 3월 19일에 분화를 예측하여 분화 경고를

발표하였다. 3월 19일 오후 7시 27분 일시적인 폭발

과 함께 분화가 시작되었다. 3월 20일 밤 동안에 돔

의 꼭대기에서 용암이 분화하기 시작하였다.

1982년 3월 12일 오전 8시: 세인트 헬렌즈산 아래

의 지진 활동은 활발히 계속되지만, 각각의 지진은

낮은 진도를 나타내고 있다. 1~2일의 간격을 가지고

활동은 감소되고 있으며, 각각의 지진은 1~2일 정도

지속되었다. 지진은 지면과 약 9.65 km의 깊이 사이

에서 일어났다. 분화구 지역에서의 지면 변화 비율은

최근 2주 동안 증가하고 있으며, 돔 형성 전에 선행

되어 관측되는 패턴과 유사하였다. 변형의 비율을 바

탕으로 하여 보면, 분화는 3주 이내에 일어날 것이라

고 예측된다. 변형은 분화구 지역에 한정되며, 이는

돔 성장이 재개됨을 나타낸다. 현재의 지진 패턴은

1980~81년 분화 전에 관측된 것과 다르나, 분화 경향

이 보다 더 위험할 것이라는 가능성은 점차 증가하고

있다. 돔의 급경사진 북쪽면이 붕괴되는 폭발적인 분

화로부터 화쇄류가 발생한다면, 급작스러운 해빙의 가

능성도 고려해야 한다.

1982년 3월 15일 오후 7시: 세인트 헬렌즈산 분화

구에서의 지면 변형 비율이 가속되고 있는 것은 대부

분은 돔 형성 유형과 마찬가지로 분화가 1~5일 이내

에 시작될 것이라고 예측된다. 심발지진은 거의 중단

되었고, 천발지진은 중간 정도의 비율로 계속되고 있

다. 천발지진의 증가는 분화가 시작되기 전에 일어나

는 것과 유사하다.

1982년 3월 19일 오전 9시: 세인트 헬렌즈산의 지

진활동이 과거보다 크게 증가하였다. 이것은 아마도

24시간 이내에 분화가 곧 시작될 것이라는 것을 나타

낸다. 분화구 지역의 지진활동성과 변형의 두 가지

특성은 대부분의 활동이 돔의 성장이라는 것을 지시

한다.

GPS: GPS는 24개의 위성 군집으로 구성되어 있다.

각각의 위성은 약 20,000 km의 고도에서 하루에 두

번 지구 궤도를 돌면서 지상수신기(ground-based

receivers)에 지속적으로 특정 무선 주파수로 정보를

전달한다. 이를 이용하면 화산에서의 지표면 변형에

대한 실시간 수직 수평성분의 변화에 대한 획기적인

자료를 획득할 수 있으며 특별히 비교 기준점을 필요

로 하지는 않는다.

① GPS의 작동법

GPS 위성은 지속적으로 위성의 위치, 디지털 코드,

신호의 정확한 시간을 측정하여 전송한다. GPS 수신

기는 무선 신호의 소요시간을 이용하여 거리를 측정

한다. 거리는 무선 신호가 수신기에 도달하는 시간과

무선신호의 속도(30만 m/s)를 곱하여 계산된다. 신호

가 전달될 때 인공위성이 어디에 있는지 알면, 수신

기는 지상 또는 공중에서 위치를 산출할 수 있다. 중

요한 것은 일부 수신기의 시각은 위성의 원자시계로

일치하지 않기 때문에, 적어도 4개 이상의 위성으로

부터 동시에 수신 신호를 받아야만 한다. 만약 수신

기와 인공위성이 초당 1/1,000 에서 동기화 된다면,

거리 측정은 약 299 km 떨어진 곳에서도 가능할 것

이다. 최소 네 번의 측정을 통하여 내부 시계의 보정

이 가능하다.

② GPS를 이용한 정확한 데이터 획득하기

현재 인공위성의 군집은 대기 전체의 방해물이 없

다면, 지구의 어떤 곳이든지 5~8개의 위성을 통해

GPS 이용자에게 정보를 제공하고 있다. 이러한 많은

정보는 GPS 수신기를 통해 재빠르게 수 m 내의 사

정거리 안에서 위치를 확인한다. 그러나 화산에서 지

표면을 향해 상승하는 마그마로 인해 야기되는 응력

과 압력을 감지하기 위해서는 수 cm 혹은 그 이하의

정밀도가 매우 중요하다. 측정에 있어 이러한 종류의

정밀도를 얻기 위해서는, 위성이 대기를 통과해서 움

직임으로써 위성으로부터 오는 신호가 전이되는 속도

의 변화와 위성 위치의 불확실성을 포함하는 몇몇 다

른 요소들을 고려해야 한다.

잠재적인 오류를 제거하는 공통적인 방법은 GPS

수신기를 몇몇의 화산 기준점 위에 설치하여 같은 시

간대에 여러 곳에서 동시에 데이터를 수집하는 것이

다. 대기를 통과하는 동안의 신호 지연 및 위성 위치

와 관련된 오류의 대부분은 모든 위치에 대해 동일시

되어 있기 때문에, 우리는 그 위치를 cm 미만으로

상대적으로 결정할 수 있다. 최상의 정밀도를 위하여,

관측자들은 GPS 데이터를 8개의 위성을 통해 24시

간 수집하고, 그 후에 보다 정확한 인공위성의 위치

와 대기지연모델링을 이용하여 기준점의 위치를 계산

한다.

130 윤성효·이정현·장철우

J. Petrol. Soc. Korea

InSAR

InSAR에는 동일한 지면 위치를 나타내는 두 개 또

는 그 이상의 레이더 이미지를 한 방식으로 결합하는

활동이 포함된다. 이 방식은 매우 정밀한 측정(몇

mm 이하의 규모)으로, 이미지를 얻은 곳 사이에서

발생하는 어떠한 지면의 움직임도 파악할 수 있다.

InSAR 기법은 인터페로그램(interferogram) 이미지

를 얻기 위해 지진 전후에 얻은 자료를 통합하는 기

법이다. 이 이미지는 무지개 빛의 간섭 패턴으로 나

타난다. ‘프린지(fringes)’ 불리는 컬러 밴드의 완전한

세트는 우주선에 대한 지면의 움직임을 나타낸다.

수년간, 과학자들은 화산 근처의 지면이 얼마나 이

동하는 가를 정교하게 보여주는 사진을 얻기 위해 노

력했다. 그 결과 얻어진 화산 변형의 이미지는 우주

선에서 획득한 데이터로부터 다양한 색상으로 형상화

되고 있다. 예를 들면, 지면이 10 cm가 들어 올려질

때, 융기 전후에 기록된 그 지역의 위성 이미지는 생

성된 색상패턴을 조합하여 나타난다. 화산의 가장자

리 각각이 보라에서 빨강으로 변이를 나타내면 이는

인공위성과 지상 사이의 거리가 약 3 cm 정도 변화

한 것을 나타낸다(Fig. 8).

최근까지, 화산 변형 측정을 위해 우리가 사용한

모든 기술(예; 전자거리측정기, 경사계, GPS)은 지면

위에 있는 공간적인 하나의 점에서의 변화를 감지하

는데 기초를 두고 있었다. 이 지점의 이동량과 이동

방향은 화산 변형의 전반적인 패턴을 종합하는 것을

가능하게 한다. 이러한 상황은 조각의 99%가 제거된

조각그림 맞추기 퍼즐의 패턴을 식별하려고 노력하는

모습과 유사하다.

기준점, 경사계, GPS의 위치를 신중하게 선택함으

로써, 특히 짧은 기간 동안에 (수 분~수 일까지) 반

복되는 변형 패턴을 합리적으로 잘 추적할 수 있다.

그러나 우리가 전체적인 그림을 보고 있다거나 균열

을 통해 빠져나가는 작은 규모의 변형을 놓치고 있지

않다고는 절대로 확신할 수 없다. 유리한 조건 하에

서, 위성 레이더 간섭 측정은 전체 변형 사진을 보여

주는 것이 가능할 수도 있다.

① 캘리포니아 동부에서의 1992년 랜더스 지진 후

에 획득된 인식 기술

약 10여 년 전에, 지구 궤도로부터 지면 변형을

측정하는 획기적인 기술이 주요 지진에 대하여 적용

되었다. 유럽 우주국의 ERS 위성에서 획득한 일련의

데이터 이미지를 이용하여, 1992년 6월 28일 로스앤

젤레스 동쪽 150 km 지역을 강타한 규모 7.3 크기의

랜더스 지진으로 야기된 지면이동 이미지를 만들어냈

다.

전 세계 측지학자들은 이러한 지진의 이론적인 모

형에 의하여 예측한 이중 패턴과 공통된 이미지를 세

밀한 관측을 통해 알아냈다. 이러한 패턴은 야외에서

전체적으로 관측하기 전에는 절대 얻을 수 없는데,

이는 전통적인 지면 변형 측정 방법이 단지 퍼즐의

몇몇 조각을 채우는 정도의 능력만을 가지고 있기 때

문이다. 위성 레이더의 간섭측정이라고 불리는 획기

적인 새로운 기술이 개발되었고, 이는 화산을 포함한

여러 다른 지면 변형 측정에 이용되고 있다.

지구의 지표면 이미지를 가시광선 또는 적외선으로

측정하는 것보다 레이더를 이용하는 것이 더 효과적

인데, 레이더 파장은 대부분의 구름을 통과하고, 어둠

속에서도 똑같은 효과를 내기 때문이다. 따라서 고성

능의 ‘측지 카메라’는 구름을 통과해서 볼 수 있고,

지구 밖에도 관측할 수 있다. 랜더스(Landers) 지진의

더 많은 정보는 남부 캘리포니아 지진 데이터 센터로

부터 이용가능하다. 단층파열대(검은 선)를 따라서 나

타나는 평균적인 변위는 3~4 m이며, 최대 변위는

6 m이다. 인터페로그램은 지면 파열이 일어난 바로 그

지역 아래서의 변형을 나타낸다. 간섭 색깔의 각 사

이클(빨강에서 파랑까지)은 인공위성 방향에서 지면

이 2.8 cm가 상승한 것을 표시한다.

② 인공위성 레이더 간섭 측정의 작동 방법

어떻게 그리고 왜 데이터 간섭 측정이 수행되는지

에 대한 기술적인 세부사항은 물리학과 데이터 기술

에 기초하고 있으나, 화산에의 적용에 대해서는 더

간단한 설명으로 충분하다. 레이더 에너지의 진동은

위성으로부터 연속적으로 발사되고, 지구표면에 흩어Fig. 8. Interferogram showing modeled uplift of 10 cm(USGS).

활화산의 감시 기법에 대한 연구 131

Vol. 23, No. 2, 2014

져 위성으로 돌아와 기록된다. 위성에 되돌아온 레이

더 에너지는 중요한 2가지 유형의 정보를 포함한다.

첫 번째 유형의 정보는 지면 경사, 입자 크기(예;

모래와 바위) 및 토양 수분 등 표면의 다양한 물리적

성질을 반영하는 반환된 신호의 강도 또는 진폭을 암

호화한다. ERS 위성은 약 100 km 너비의 지구표면

을 지속적으로 감시하여 되돌아오는 신호 강도를 기

록하며, 지상의 과학자들은 레이더 이미지의 형태로

이 정보를 통합한다. 이미지는 여러 방법을 통하여

완전하지는 않지만 종래의 사진과 유사하게 지면을

묘사한다. 이 방법이 전통적인 사진 및 적외선 이미

지와 다른 점은 가시광선의 밝기에 상관없이 따뜻한

지역을 밝게 보여준다는 것이다.

반환 레이더 신호에서 포함된 정보의 두 번째 유형

은 인공위성과 지면 사이의 왕복 거리와 관련된다.

레이더 파동을 레이더 파장 단위로 계산된 눈에 보이

지 않는 납작한 끈모양으로 생각할 수 있다. 또한 반

환 신호의 상을 왕복 거리의 한 부분이라고 간주할

수 있다. ERS 위성의 레이더 파장은 5.66 cm이다.

만약 공간상에서 정확하게 동일한 지점에 대해 서

로 다른 시간의 두 이미지를 획득하고 비교할 수 있

다면, 위성으로부터 지면을 향해 혹은 위성에서 멀어

지는 방향으로의 어떤 움직임이라도 이들 이미지 사

이의 상이한 단계로 표시하여 나타내는 것이 가능하

다. 예를 들면, 지상의 한 지점이 반파장 정도 위성

을 향해 이동한 경우에(대부분 윗 방향), 그 지점에서

반환되는 신호의 상은 처음 이미지에 대해 상대적으

로 한 파장의 길이만큼 증가하여 나타낸다. 공간상에

서 다른 궤도를 움직이고 있는 한 지점에 대해 정확

하게 같은 지점으로 되돌아오게 하는 것은 불가능하

지만, 수 십 m 이내의 범위에서는 쉽게 얻을 수 있

으므로 이를 후에 기하학적으로 보정하는 것이 필요

하다.

③ 서로 다른 위성의 상을 결합하거나 간섭시킨 이

미지

작은 정도의 상변화를 측정하는 가장 정확한 방법

은 두 개의 이미지를 서로 결합시키고 후에 통합적인

수정을 하는 것이다. 이 과정은 이미지 ‘간섭’이라고

불리는데, 이는 두 개의 파장을 결합하는 것은 상대

적인 상에 의존하여 하나를 보강하거나 제거하는 것

으로 나타내기 때문이다.

두 개의 레이더 이미지가 하나는 강화되고 다른 하

나는 제거되는 경로를 유지할 수 있다. 우리가 만들

어내는 새로운 이미지에서 첫 번째 경우는 붉은 색으

로, 두 번째의 경우는 푸른색으로 나타낼 수 있다.

중간의 경우는 빨강과 파랑의 스펙트럼에서 중간 정

도의 색으로 나타낼 수 있다. 결과적으로 나타나는

이미지를 ‘인터페로그램’이라고 부른다.

이와 같이 화산을 감시하는데 있어서 위성 기술은

널리 사용되고 있는 유용한 모니터링 방법이지만, 위

성을 이용한 자료만을 가지고 화산의 활동도를 판단

하는 것은 위험한 일이다. 화산이 분화하기 전 보다

는 오히려 화산이 분화한 후에 위성을 이용한 방법으

로 분화를 정확하게 관측할 수 있다. 따라서 화산의

활동도를 판단하기 위해서는 지진계를 비롯하여 화산

의 활동을 예측할 수 있는 다양한 기기들을 통해 세

밀하게 관측하고, 다양한 기기들로부터 획득된 데이

터를 종합적으로 분석하여야 한다.

화산가스 감시

분연 활동이 활발한 화산 및 소분화를 개시한 화산

등 개방계 화도·화구계를 특징으로 하는 화산활동

에서는 화산가스 및 열 활동 등 지구화학적 및 열학

적인 관측 연구가 특히 중요하다. 분기 재개나 분연

증대·유색분연 등의 분연 이상, 화염 현상, 지열영

역의 확대 및 식생 사멸, 온천 및 우물물의 변화 등

은 오래전부터 분화 전조현상으로써 주목되어 온 현

상이다.

화산 가스는 대부분의 화산 분화를 유발하는 원동

력을 만들어낸다. 지구 내부 깊은 곳에서 가스들은

마그마에 용해되어있지만, 마그마가 지표로 상승할 때

압력이 감소함에 따라 가스가 액체로부터 분리된다.

가스는 마그마보다 밀도가 낮기 때문에 보다 신속하

게 상승하여 지표면에서 검출될 수 있다. 화산에서

가스의 방출이 증가하거나 새로운 가스 분화구의 형

상이 나타나면 그것은 마그마가 표면에 가까이 이동

하는 첫 번째 징후가 될 수 있다.

이러한 화산가스 감시의 근본적인 목적은 분화의

근본적인 원동력이며 화산으로부터 주로 발생되는 가

스인 이산화탄소와 이산화황, 헬륨, 수소 등의 변화를

확인하는 것이다(Lee et al., 2012). 화산가스의 변화

는 분화를 경고하는데 정보를 제공하여 화산을 감시

하고 연구하는데 도움을 준다.

특수한 예를 제외하면, 도호형(island-arc type) 화

산의 화산가스의 90% 이상은 수증기(H2O)가 차지하

고 있다. 나머지는 HF, HCl, SO2, H

2S, CO

2등의

132 윤성효·이정현·장철우

J. Petrol. Soc. Korea

산성 가스 및 N2, H

2, He, Ar, CH

4 등의 불활성 가

스로 구성되어 있다. 화산가스 분석을 위해서는 가스

샘플을 채취할 필요가 있다. 그러나 화산활동이 활발

화 되었을 때나 소규모 분화가 개시 되었을 때 공기

의 혼입이 적은 화산가스를 화구 지역에서 안전하게

입수하는 것은 어렵다. 따라서 방출량의 측정은 할

수 없지만, SO2/H

2S 등의 가스성분비나 동위원소조성

비 등을 화산활동의 지표로 활용하고 있다.

화산가스의 방출량을 안전하고 정량적으로 구하는

좋은 방법으로, SO2에 의한 태양광 자외선의 선택흡

수를 이용해 왔다. 분출되고 있는 분연 아래를 항공

기로 이동하거나 도로변을 차량 등으로 왕복하여 수

직상향으로 측정하는 트래버스(traverse)법과 떨어진

지점에서 측량기기를 일정 각(角)속도로 스캔하는 패

닝(panning)법이 있다. 이를 위해서는 날씨가 좋아야

하며, 분연의 이동속도를 별도로 측정할 필요가 있다.

세계 활화산의 SO2 방출량은 수 백~수 만 ton/day

이라는 값이 알려져 있다. 현무암질의 용암류 분화에

서는 특히 높은 값을 보인다. SO2 방출량은 마그마

관입의 지표로써 화산 활동 평가에서 가장 중요한 관

측값 중 하나이다. 1991년 피나투보산 분화에서는 상

호분광계(correlation spectrometer)의 활약으로 초기

단계에서 마그마의 관입이 판명되어, 그 뒤 SO2 방출

량 급감이 대분화로의 급전개로 이어졌다. 산정폭발

을 계속하고 있는 사쿠라지마 화산에서는 정상적인

분연 시에 1,000~2,000 ton/day이 방출되고 있다.

CO2나 그 외 성분에 대한 연구의 진전도 기대할 수

있다.

이러한 반복적인 관측을 통해 연속적인 시간에 따

른 화산가스 방출량 변화를 알아보기 위해서, 안전하

게 접근하기 쉬운 화산이나 산록의 온천 및 용천수,

지중가스 등에 대한 연속적인 관측을 위한 시도도 이

루어지고 있다. 또한 인공위성탑재센서인 TOMS(Total

Ozone Mapping Spectrometer)를 사용해 세계의 주

요 분화의 분연 속의 SO2 방출량 측정이 이루어지고

있으며, 이후에도 우주에서의 각종 원격탐사(remote

sensing)방법에 의한 화산활동의 정량적 파악에 큰 발

전이 기대된다.

세인트 헬렌즈산에서의 화산가스 감시: 화산에서 방

출되는 가스는 지표면 아래의 마그마의 종류, 양, 심

도와 직접적인 관련이 있다. 과학자들은 화산의 거동

을 더 잘 이해하기 위하여 각각의 다른 화산 가스의

종류와 양을 측정한다. 화산가스의 방출 증가 또는

가스를 구성하는 화학물질의 변화는 화산 활동 증가

의 최초로 나타나는 지표상의 신호일 수 있다.

1980년에 세인트 헬렌즈산에서 가스 방출 연구가

시작된 이래로, 기본적으로 표본을 모으기 위한 모든

기술들이 사용되었다. 대부분의 화산처럼, 세인트 헬

렌즈산에서 방출된 화산가스의 주성분은 수증기(H2O)

이며, 그 뒤를 이어 이산화탄소(CO2), 그리고 이산화

황(SO2)과 황화수소(H

2S)를 포함한 유황 가스이다. 마

그마에 의해 방출된 수증기를 측정하고 분석하는 방

법은 열유량이 얼마나 되는지를 결정하는 데 유용하

다. 이산화탄소는 다른 화산가스에 비해서 훨씬 깊은

곳에서 방출되며 이것이 표면에서 증가하는 것이 측

정되면 화산 시스템 아래에서 새로운 마그마가 주입

됨을 의미하기 때문에 화산 감시에 있어 매우 중요하

다. 이산화황 및 황화수소는 세인트 헬렌즈산에서 가

장 풍부한 황 함유 가스 유형이다. 가스 샘플에서의

각종 가스의 양은 화산활동의 상태를 반영한다. 즉

다량의 H2S는 마그마가 상승하면서 유황가스의 대부

분을 걸러낼 때 나타나는 조용한 시간의 신호이며,

다량의 SO2는 마그마의 양이 증가했을 때 또는 마그

마가 표면에 근접했을 때 등과 같은 잠재적인 분화

활동의 신호가 될 수 있는 시기에 나타난다.

① 1980년-1988년

1980년과 1988년 사이에 세인트 헬렌즈산에서 방

출된 화산가스에 대한 반복 측정 및 가스 수집 시도

가 있었다. 2004년의 활동 증가는 그 시기에 계속된

지표면 모니터링이 없었음에도 불구하고 분화가 시작

된 후 약 1주일 정도까지 약한 가스 방출을 동반하

였다. 세인트 헬렌즈산에 대한 장기적인 목표는 그러

한 변화에 대한 강력한 실시간 네트워크를 설치하여,

활동의 징후를 보다 신속하게 검출하는 것이다.

1980년부터 1986년까지의 세인트 헬렌즈산의 분화

는 전세계 화산 중에서도 분화기간 중의 가스 방출이

가장 광범위하게 관측되었다. 1980년 5월 말과 1986

년 말 사이에, 800번의 대기 중 SO2측정이 이루어졌

고, 1988년 말까지 1000회가 넘게 측정되었다. 이러

한 광범위한 연구는 SO2가 1980년 5월 18일 이후에

급격히 감소한 것을 보여주었으며, 이것은 표면으로

공급된 마그마의 감소로 생각된다. 몇몇 돔 분출 이

전에 측정된 SO2의 증가 비율은 마그마가 보다 빠른

속도로 분화구로 이동한다는 것을 나타내며 돔 분출

기간이 멈출 때까지 계속적으로 SO2의 방출이 최고

치를 나타내었다(Fig. 9).

활화산의 감시 기법에 대한 연구 133

Vol. 23, No. 2, 2014

또한 CO2의 방출 역시 분화 초기의 1980년 7월부

터 1981년 8월까지 2년 동안 120회 정도로 관측하

였다. 관측 결과는 그 기간 중 매일 22킬로톤 이상의

최대 방출과(SO2와 비슷한) 급격한 감소 형상을 보여

준다.

② 2004년-2008년

2004년과 2008년 사이에, 대기 중의 가스 방출량

조사에서 CO2, SO

2, 그리고 H

2S가 기록되었다. CO

2

및 SO2의 방출율은 1980년대 초기에 비해서 뚜렷하

게 낮았으나, 1980년대 활동기 말의 용암돔 분출과

유사하였다. 2004~2008년의 분화를 이끈 마그마는 편

평한 모양으로 묘사되었는데, 이는 1980년대 초반에

측정된 마그마의 가스 함량보다 가스 함량이 적기 때

문이었다. 따라서 2004년 분화가 시작되기 한달 전에

약간의 새로운 가스가 풍부한 마그마가 세인트 헬렌

즈산의 마그마 시스템에 주입되었다고 생각된다.

과학자들이 세인트 헬렌즈산의 가스 방출량과 종류

를 측정하고 이를 다른 화산 감시 데이터와 정보를

결합함으로써 더 나은 화산 분화 경보 제공 및 화산

의 거동 이해가 가능해졌다.

수문학적/기상학적 감시

퇴적물이 물과 섞여 강 유로를 따라 홍수나 라하르

(lahars)의 형태로 운반될 수 있다. 활화산 활동을 감

시할 때에는 잠재적으로 위험한 라하르를 실시간으로

감시하여 화산의 하류지역에 라하르 발생에 대한 경

고를 하고 있으며, 라하르 발생 시 피해를 최소화하

는 것 역시 화산 감시의 중요한 과제이다.

활화산은 차츰차츰 새롭고 푸석한 퇴적물을 강 하

상을 따라 끌고 내려와 두꺼운 퇴적물을 만들어낸다.

하상은 부분적으로 침전물로 채워지고, 둑 내에 있는

물을 운반하는 능력을 감소시켜 결과적으로 심한 강

우 주기동안 빈번한 홍수를 초래할 수 있다.

폭발적인 분화는 식물을 파괴시키고, 화산암을 퇴

적시키며, 넓은 지역을 화산재로 덮어버린다. 이후 폭

우가 내리는 동안 지표 유출수의 속도 증가를 촉진시

키고 침식된 푸석한 파편의 이동이 극적으로 증가하

여, 강 계곡 안으로 이동된다. 또한 언덕 경사면에

테프라의 침전물과 식물의 파괴가 조합하여 지면을

적시거나, 식물에 의해 증발되는 물의 양을 감소시킨

다. 그렇게 되면 암석 파편들이 언덕 경사면과 강 계

Fig. 9. Sulfur dioxide gas emissions from Mount St. Helens. Graphs show 1980-2005(Adapted from McGee andCasadevall, 1994). The 1980-1986 eruption of Mount St. Helens remains one of the most extensively monitorederuptive periods for gas emission at any volcano worldwide. Between May 1980 and the end of 1986, 800airborne measurements of SO

2 were taken, and over a 1,000 measurements occurred by the end of 1988. This

extensive study showed that SO2 dropped steeply after the May 18, 1980 eruption - thought to be the result of a

decreased magma supply to the surface. Increased rates of SO2 measured before several dome extrusions were

signs that magma was moving at a more rapid rate toward the crater vent - the heightened SO2 emissions

continued until periods of dome extrusion stopped. CO2 emissions were also monitored quite well in the first two

years of the eruption with nearly 120 measurements between July 1980 and August 1981. The data show a similarsharp decline in the amount of CO

2 emitted over that time period with peak emissions over 22 kilotons per day.

134 윤성효·이정현·장철우

J. Petrol. Soc. Korea

곡으로 이동됨으로써 물에 침식되어 지표유출이 증가

한다. 그 곳에 퇴적물이 모일 수 있고, 강 하상의 유

압 특성이 변할 수 있다. 이렇듯 화산 활동은 종종

침식 작용을 일으키며 이로 인한 퇴적물을 빠른 속도

로 이동시켜 라하르와 같은 피해를 유발할 수 있다.

이러한 피해를 줄이기 위한 방법은 다음과 같다.

실시간 라하르 탐지: 과학자들은 필리핀의 피나투보

산에 라하르 탐지 시스템을 설치하였다. 라하르 탐지

시스템은 하류지역 사람들에게 적절한 시기에 조기

경고를 할 수 있는 기회를 제공한다.

USGS 과학자들은 저렴하고, 튼튼하고, 휴대 가능

한 설치 기술을 개발하며, 활화산의 배수구 강 골짜

기에 파편 이동 통로와 홍수가 도달하는 것을 지속적

으로 감시하고 탐지한다.

퇴적물 이동측정: 세인트 헬렌즈산의 많은 퇴적물을

추적하면 강 하상 근처에 농지와 지역사회의 퇴적물

은 화산으로부터 이동하여 하류에 쌓인 것을 확인할

수 있는데, 이러한 내용이 수문 모니터링의 주요 목

표가 된다. 대부분의 퇴적물은 호우기간 동안 화산교

란 분수계로부터 운송된다.

과학자들은 하천 치수 장비를 강물에 의한 것과 퇴

적물이 운반되는 두 경우 모두의 부피를 측정한다.

강 하상 조사: 1980년 세인트 헬렌즈산 화산 분화

후에 하상의 깊은 곳까지 조사하였는데, 세인트 헬렌

즈산의 곳곳에 새로운 푸석푸석한 화산 퇴적물이 퇴

적되었다. 또한 조각난 바위가 유수에 의하여 이동하

면서 하상에 넓게 쌓였다. 과학자들은 정기적인 조사

를 통하여 강 계곡의 영향을 파악하였다.

기타 지구물리학적 감시

화산을 구성하는 물질에는 자기적·전기적 성질이

있기 때문에, 화산활동과 함께 여러 지구전자기학적

현상이 발생한다. 온도변화에 의한 열잔류자기효과나

지하의 압력변화에 따른 압자기효과(피에소 효과), 자

연전위(SP: self potential) 및 전기비저항 변화 등이

알려져 있다.

지하의 온도가 상승하고, 큐리점(Curie point)을 넘

으면 주변의 암석 자성광물은 자성(磁性)을 잃는다.

이 경우 국소적인 자장(磁場)변화는 북으로 플러스,

남으로 마이너스로 남북이 상반되는 분포를 이룬다.

그리고 반대로 식으면, 열잔류자기를 획득하고, 남북

에서 반전된 국소자기이상이 보인다. 이 방법은 운젠

다케(雲仙岳)의 용암돔의 활동추이를 예측하는 데에

도움이 되었다.

마그마가 관입하면, 전기저항이 감소하고, 지하의

전류는 흐르기 쉬워진다. 지하의 전기비저항구조가 시

간적으로 변화한 것이다. 이 방법은 1986년의 이즈오

오시마(伊豆大島)의 분화 때, 수 년 전부터 장기적인

전조의 검출방법으로 활용되었다. 또한 분화와 관련

하여 화산체 내부의 열수계가 흐트러지기 때문에 자

연전위가 변화하는 현상도 보인다. 이렇듯 지구전자

기학적 현상은 모두 마그마나 열수·화산가스 등의

변화와 관계되어 발생하는 것이 많다.

직접적인 관찰

화산을 가까이에서 직접적으로 관찰하는 것은 활화

산에서는 안전성의 문제가 뒤따르지만 그럼에도 불구

하고 가장 정확하게 화산 활동을 감시할 수 있는 방

법이다.

화산을 눈으로 직접 관찰할 수 있는 경우 화산체에

설치할 수 있는 최적의 장비는 카메라, 원격 카메라,

웹캠 등이 있다. 이는 실시간으로 화산의 활동을 감

시할 수 있다는 장점이 있다.

토 의

앞서 논의한 화산 감시 기법을 국내에 도입하여 전

문가를 양성하고 이를 실제 화산 연구에 적용하고 자

할 때, 가장 좋은 대상은 바로 백두산이다. 그러나

백두산은 북한과 중국의 국경에 위치하므로 양국의

허가를 얻은 지질조사 및 화산의 지상모니터링이 어

려운 실정이다. 이를 위하여 위성을 이용한 원격탐사

방법을 도입할 수 있다.

이러한 원격탐사(remote sensing)는 넓은 의미로 시

각 자료나 사진 자료를 포함하여 먼 거리에서 화산

활동을 모니터링 하는 것을 가능하게 하는 기술을 말

한다. 그러나 현재에는 지난 반세기 동안 지구궤도를

선행하는 위성의 개발을 통한 우주 공간에서 관측하

는 것과 연관된 용어로 사용되어진다. 이는 공간적으

로 멀리 떨어져 있거나 또는 전통적인 지상에서의 연

구가 위험한 화산에 대한 지구 규모의 모니터링을 가

능하게 한다.

계량적인 원격 탐사 방법으로는 3개의 수준 즉 지

상(ground-based), 공중(airborne), 위성(satellites) 운

영체계에서 활용될 수 있다.

활화산의 감시 기법에 대한 연구 135

Vol. 23, No. 2, 2014

지상에서의 응용 기술

초기의 원격 탐사 연구는 화산 분연주 구름 내의

이산화황 방출물을 분석하기 위하여 상호(가스)분광계

(COSPEC)를 이용하는 것을 포함하였다. 관측자는 분

화위험물로부터 멀리 떨어져 있으면 신선한 공기를

호흡할 수 있지만, 고정된 관측점에서나 COSPEC이

장착된 자동차를 이용하여 화산연기가스기둥 아래를

왔다 갔다 하면서 매일 방출되는 황의 양을 정량적으

로 측정할 수 있다.

새로운 기술과 기기 즉, 소형화된 UV-분광기

(FLYSPEC), 퓨리에 변환 적외선분광기(FTIR), 소형

미분 광학흡수분광기(DOAS) 등은 화산으로부터 나

오는 가스 함량(농도)의 다양한 범위의 비와 절대량

을 분석할 수 있다(Platt and Statz, 2008). 그러한

비는 분화 전·중·후에 체계적으로 변화될 수 있다.

이러한 새로운 기술은 매우 유용하며 가스를 연구하

는 지구화학자들에게는 비교적 저렴한 기기들이다.

민간 항공의 지원으로 지상에서의 레이더 기술은

세인트 헬렌즈 분화 동안과 같이, 주요 공항 부근에

서 발생하는 분화의 매우 큰 분연주 및 화산재 구름

의 출현과 팽창을 추적함에 있어서 주목할 만하게 효

율적임이 증명되었다.

공중에서의 기술

공중에서의 COSPEC 모니터링은 매우 유용하다.

지상에서의 연구보다 매우 넓은 지역을 연구할 수 있

지만, 지상에서와 같이 동일한 정밀한 경로를 반복할

수는 없다.

열적외선멀티분광주사법(TIMS: Thermal Infrared

Multi-spectral Scanning)과 상관멀티분광적외선과 가

시광선분광기(MIVIS: Multispectral Infrared and

Visible Spectrometer)은 연구자들에게 상세한 정찰을

할 수 있게 화산의 지도를 제공해 주는 등 공중 활

용을 위한 많은 약속을 가지고 있다.

특별히 TIMS 작업은 서로 다른 풍화정도에 기인

하여 서로 다른 분출연대를 가진 또는 연대 차이가

나는 용암류를 인식하는 데 유용하다(Kahle et al.,

1988). 매우 정밀하고 정확한 지질조사에는 화산의

DEM을 만들어 내는 지형합성기구항공레이더

(TOPSAR: Topographic Synthetic Aperture Airborne

Radar)가 또한 유용하다. Francis et al.(1996)은 헤클

라(Hekla)의 두께 5~33 m를 가지면서 지표면에서

15 m의 기복을 가지는 용암류에 대하여 DEM을 이용

한 지질도를 작성하였다. 높이 2 m 이하의 가장자리

는 원격으로 제작되었으며, 몇 달 혹은 몇 년이 걸릴

지상에서의 힘든 작업을 대신하여 자료를 수 분 내에

수집하고 수 일 내에 분석이 이루어졌다.

위성 기술

위성 관측은 많은 화산들을 원격 탐사하는 데 있어

서 지상모니터링에 비하여 비교적 적은 비용으로 효

율적으로 수행할 수 있음이 증명되었다. 기술은 아직

도 개발 중이지만, 충분한 가능성을 보여주고 있다

(Lee et al., 2013). 1967년 아이슬란드 서쩨이(Surtsey)

화산이 대서양 바다 속에서 출현하였는데, 이 때 위

성으로부터 화산의 열을 처음으로 비군사적인 목적으

로 감지하였다. 그 후 화산 인식을 위하여 많은 다른

위성들로부터 중요한 정보가 제공되었다. 우주의 관

점에서 5가지 종류가의 다른 활용도로 이용 중이다.

LANDSAT TM과 SPOT: LANDSAT TM(Thermal

Mapper)과 SPOT(the French Systeme Probatoire

d'Observation de la Tierre)과 같은 높은 공간 분해

센서들은 지구의 표면으로부터 우주 공간으로 반사되

거나 굴절되어 나가는 가시영역 및 적외선 영역의 에

너지를 감지한다. 이들은 화산 지형의 큰 규모의 연

구가 가능할 수 있게 10~30 m 스케일로 지형을 상세

하게 분석할 수 있다. De Silva and Francis(1991)

는 중앙 안데스 산맥의 TM영상을 그 지역의 잠재적

인 활화산의 개수를 측정하기 위하여 후빙하기 침식

작용과 화산성 퇴적의 정도에 근거하여 면밀히 검사

하였다. 인공위성과 그 궤도에 근거하여 같은 위치를

1 주일에 1회에서 1 달에 1회 TM이나 SPOT 카메

라로 관측을 하였다. 이것은 진행 중인 분화를 감지

하고 검증하는 데에도 유용하였지만 거의 방문하지

못한 지역의 화산의 변화에 대한 첫 정보를 제공하기

도 하였다. Rowland and Munro(1992)는 갈라파고스

에 있는 페르난디나(Fernandina) 칼데라 내의 분화와

큰 규모의 칼데라 내부애버런치를 식별하였다. 화산

학자들이 SPOT 영상 답사에 감사하는 주의를 이끌

어낸 진보된 고분해능복사계(AVHRR: Advanced

Very-High Resolution Radiometer)와 함께 TM관측

은 칠레의 레스카(Lascar) 화산의 분화를 모니터링 하

는 1차적인 수단으로 사용되어졌다. 이름과는 달리

AVHRR은 TM이나 SPOT관측의 미세한 분해능이 결

여되어 있다. 그러나 이 시스템은 전 세계의 어떤 화

산을 분화를 모니터링 하는 수단으로서의 잠재적으로

136 윤성효·이정현·장철우

J. Petrol. Soc. Korea

매우 가치 있는 것이며, 하루에 적어도 4번 자료를

제공함으로써 용암연, 용암류의 냉각, 화쇄류 퇴적층

을 포함하여 많은 화산물질로부터 열을 방출함에 있

어서 자료 변화를 제공한다. AVHRR 영상은 약

3000 km에 이르는 넓은 범위를 가지고, 10분 이내에

서 연구를 위해 다운로드받을 수 있다.

고분해능 감지기와 같은 환경위성: 고분해능 감지기

와 같은 환경위성들(environmental satellites)은 가시

광선 및 적외선 복사를 감지할 수 있고, 다분광 영상

(multi-spectral images)을 얻을 수 있다. 이들의 공간

분해능은 넓은 지역을 이미지화하고, 지구 전체를 탐

사하기 때문에 수백 m로 낮다. 이것은 매우 좁은 초

점을 가진 위성이 놓치기 쉬운 화산 플룸(plume)을

알아볼 수 있다. 이러한 위성들은 한 장소들을 자주

반복하여 관찰할 수 있는 극궤도를 비행한다. 따라서

바람이 향하는 지역 및 항로에 대하여 경고하기 위하

여 화산 분화 플룸의 진행을 추적하기가 매우 쉽다.

Nimbus-7과 Meteor-3 위성에 탑재된 전체 오존조

사분석분광기(TOMS: Total Ozone Mapping Spec-

trometer)는 오존층의 조건을 모니터링하기 위하여 의

도된 것이지만, 매우 큰 폭발적인 분화가 일어나는

동안 성층권에로의 황산염 에어로졸 주입을 모니터링

하는 데 매우 중요함이 증명되었다. 적절한 분해능 여

상 분광분석계(MODIS: Moderate Resolution Imaging

Spectro radiometer)기기는 Terra(EOS AM) 위성과

Aqua(EOS PM) 위성에 탑재되어 화산 플룸 모니터

링을 위해 TOMS를 대신하게 되었다.

우주 왕복선이나 다른 우주비행선 사진술: 우주 왕복

선(space shuttle)이나 다른 우주비행선(space vehicle)

사진술도 우주공간으로부터 화산이나 분화의 특이한

영상을 제공해 준다. 이들은 이미 몇몇 선진국 정부

의 설비나 개인적인 구매에 의해 구할 수 있다. 불행

하게도, 그러한 토대는 대부분의 다른 위성들과 같은

연속적인 작동이 아니며 단지 모니터링 대상 화산에

구름이 없을 때에만 사용 가능하다.

합성구경레이더 방법: 항공기로부터 접근이 어려운

지역이나 원격조사를 위해 처음으로 개발된 합성구경

레이더 방법(SAR; Synthetic aperture radar)은 지구

의 거대한 지역을 포함하는 위성에도 적용될 수 있다.

Rowland et al.(1993)은 알류산 열도와 알래스카 화

Fig. 10. This satellite interferometric synthetic aperture radar image shows a large fissure eruption that began onthe east rift zone of Hawaii's Kilauea volcano in early March, 2014(NASA/JPL-Caltech/ASI).

활화산의 감시 기법에 대한 연구 137

Vol. 23, No. 2, 2014

산에 적용하였는데, 이것은 일조시간이 짧아지거나 폭

풍우 등 악천후의 날씨에 따라 연구에 어려움을 준다.

레이더분석은 웨스트달(Westdahl)과 스푸르(Spurr) 화

산의 아니아케악(Aniakehak) 칼데라 주변의 화산퇴적

층의 지질도를 작성할 수 있게 하였다. 더욱 인상적

인 것은, 특별히 레이더가 빙하 속에서 분화가 출현

하는 것을 기록한 베니아 미니오프(Venia minioff) 화

산의 빙하 만년설 내의 작은 움푹 패인 지형의 존재

를 보여 준 것이다.

일본 위성에 의해 수행된 위상배열 L-밴드 SAR

(Phased array L-band SAR)는 매우 치밀한 식생들

중에서 상세한 지질 형상을 제공하는데, 특히 적도지

역의 화산들의 지질도 작성에 유용하게 사용되었다.

SAR 레이더 간섭측정기: SAR 레이더 간섭측정기

(SAR radar interferometry)는 무성한 식생에 덮이지

않은 화산들이나 빙하에 덮인 화산의 화산지형 변화

를 원격으로 탐사하고 분석하는 데 매우 유용함이 증

명되었다. 1997년 분화에 뒤이은 알류샨 열도의 오크

모크(Okmok) 칼데라를 원격 탐사할 때, 마그마가 지

하 천처에서 이동하여 융기부의 위치가 이동함에 따

라, 칼데라 바닥에 새로 암맥관입에 의해 융기부가

생기는 것을 간섭 측정으로 보여 주었다. 그 당시에

존재하는 화산을 모니터링 하는 어떠한 방법으로도

측정할 수 없었으나, SAR 위성은 적은 예산으로 화

산관측이 가능한 장비가 되었다. 하와이 빅아일랜드

에서는 4년의 주기 동안 화산의 변형을 모니터링 하

고 있다(Fig. 10). 전통적인 방법은 높은 정확도와 간

단한 해석이 가능한 이점이 있으며, 적은 비용으로

관리할 수 있다. 그렇지만 단지 특정한 장소에서의

변화를 측정한다는 단점이 있다.

지상과 공중에서 실시 가능한 원격 탐사는 북한 또

는 중국과의 국제 공동 모니터링 합작사업 등의 허가

를 얻어 진행 할 수 있으며, 위성으로부터의 원격탐

사 중 LANDSAT TM, SPOT, SAR 레이더 간섭측

정기는 위성 데이터만 구입하면 분석을 통한 분화 가

능성 및 지형 변형 관측이 가능하므로 국내에서 추천

할 만한 작업이다.

결 론

화산 활동을 감시하는 것은 화산체의 표면에서 일

어나는 변화 뿐 아니라 이를 통해 지하 마그마방에서

의 변화를 감지하고, 최종적으로는 화산 분화 가능성

을 정확히 예측하여 인명과 재산 피해를 줄이는 것이

가장 큰 목표이다.

이러한 목표를 달성하기 위해서는 앞서 기술한 여

러 가지 화산 감시 기술의 축적과 이와 더불어 이를

가장 정확하고 신속하게 분석하고 판단을 내릴 수 있

는 전문가가 필요하다.

국내에는 현재 활동적으로 분화를 하고 있는 화산

이 없지만 역사시대에 분화기록을 가진 화산을 활화

산으로 정의하는 새로운 기준(Decker and Decker,

1991)에 비추어 보면, 제주도나 울릉도, 독도 또한 활

화산의 범주에 포함된다. 또한 민족의 영산이라고 불

리는 백두산도 명백하게 활화산으로 인정받고 있다.

따라서 화산 분화와 그로 인하여 발생할 수 있는 재

해를 예측하고 그 피해를 최소화 할 수 있는 화산

감시 기술과 노하우, 전문가의 양성이 무엇보다 절실

히 필요한 시점이다. 또한 이러한 관측 기술을 해외

활화산에 적용시켜 그 실효성을 검증하고 보다 정교

한 관측 기술의 확립 역시 중요하다.

화산 감시 기술과 노하우 축적 및 전문가의 양성을

통해 미래에 분화 가능성이 있는 백두산의 화산 활동

변화를 지속적으로 감시하고 화산 활동 변화의 추이

를 분석해 나감으로써 미래의 화산 분화 및 그로 인

한 재해 경감을 위한 대비를 할 필요가 있다.

사 사

이 연구는 기상지진기술개발사업단의 지진기술개발

사업(CATER 2012-5071)의 지원으로 수행되었다. 연

구에 도움을 주신 조은일 연구원과 본 논문을 읽고

건설적인 비평과 문장을 개선해주신 심사자에게 감사

드린다.

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2014년 4월 02일 접수

2014년 4월 03일 심사개시

2014년 4월 25일 채택