화산활동 예측
Prediction of volcanic activity화산 폭발의 예측, 즉 화산 폭발의 예측은 화산의 분화 시간과 심각성을 예측하기 위한 학제간 감시와 연구 노력이다.특히 중요한 것은 치명적인 인명, 재산 손실 및 인간 활동의 붕괴로 이어질 수 있는 위험한 폭발의 예측이다.
지진파(내진성)
화산지진의 일반원리
- 지진 활동(지진과 떨림)은 화산이 깨어나서 폭발할 준비를 할 때 항상 발생하며 폭발과 매우 중요한 연결고리다.일부 화산들은 보통 낮은 수준의 지진 활동을 지속하지만, 화산 폭발의 가능성이 더 높다는 신호를 보낼 수도 있다.지진의 종류와 시작과 끝도 핵심 신호다.화산지진은 단기간지진, 장기간지진, 조화진동의 세 가지 형태가 있다.
- 단기간 지진은 일반적인 단층 발생 지진과 같다.그들은 마그마가 위로 올라가면서 부서지기 쉬운 바위가 갈라지면서 발생한다.이러한 단기간 지진은 표면 가까이에 있는 마그마 몸의 성장을 의미하며, 'A'파라고 알려져 있다.이러한 유형의 지진 사건을 흔히 VT(Volcano-Tectonic) 사건 또는 지진이라고도 한다.
- 장기간의 지진은 화산의 배관 시스템에서 가스 압력이 증가했음을 나타내는 것으로 여겨진다.그것들은 "물망치"라고 알려진 한 집의 배관 시스템에서 가끔 들리는 땡땡이 소리와 비슷하다.이러한 진동은 화산 돔 안에 있는 마그마 챔버의 맥락에서 실내의 음향 진동에 상당하며 'B' 파동이라고 알려져 있다.이를 공진파, 장기 공진사건이라고도 한다.
- 조화로운 떨림은 종종 마그마가 표면 아래에 있는 암석을 밀어내는 결과물이다.그들은 때때로 사람들과 동물들에 의해 웅성거리거나 윙윙거리는 것처럼 느껴질 만큼 충분히 강할 수 있다, 그래서 이름이다.
지진성의 패턴은 복잡하고 해석하기 어려운 경우가 많다. 그러나 지진활동의 증가는 특히 장기간에 걸친 사건이 지배적이 되고 고조된 떨림의 에피소드가 나타나는 경우 분출 위험을 증가시키는 좋은 지표다.
비슷한 방법을 사용하여 연구원들은 20 Hz 이하의 청각인 인프라 소음을 모니터링하여 화산 폭발을 감지할 수 있다.IMS Global Infrashound Network는 원래 핵실험 금지 조약의 준수를 검증하기 위해 설치되었으며, 분출하는 화산을 탐지하고 위치를 찾기 위해 일하는 전세계 60개의 방송국이 있다.[1]
지진 사례 연구
1985년 콜롬비아 네바도델루이즈의 지진 기록에서 장기간의 사건과 임박한 화산 폭발 사이의 관계가 처음으로 관찰되었다.그 후 알래스카의 1989년 리두트 화산 폭발과 1993년 콜롬비아의 갈레라스 화산 폭발을 예측하기 위해 장기간의 사건의 발생이 사용되었다.2000년 12월 멕시코시티의 국립재난예방센터 과학자들은 멕시코시티 외곽의 포포카테페틀에서 이틀 안에 폭발이 일어날 것으로 예측했다.그들의 예측은 미국 지질조사국에서 일하던 스위스 화산학자 버나드 츄에가 수행한 연구를 사용했으며 이들은 장기간의 사건과 곧 있을 폭발 사이의 관계를 처음으로 관찰했다.[2][3][4]정부는 수만 명의 사람들을 대피시켰고 48시간 후에 화산이 예상대로 폭발했다.그것은 포포카테페틀의 천년 동안 가장 큰 폭발이었지만, 아무도 다치지 않았다.
빙산이 흔들리다.
좌초할 때 발생하는 빙산 떨림과 화산 떨림 사이의 유사성은 전문가들이 화산 폭발을 예측하는 더 나은 방법을 개발하는 데 도움을 줄 수 있다.비록 빙산은 화산보다 훨씬 단순한 구조를 가지고 있지만, 그것들은 물리적으로 작업하기가 더 쉽다.화산 떨림과 빙산 떨림 사이의 유사점에는 긴 지속시간과 진폭뿐만 아니라 주파수의 일반적인 변화도 포함된다.[5]
가스배출량
마그마가 표면 가까이에 있고 그 압력이 감소하면 가스가 빠져나간다.이 과정은 탄산음료 한 병을 열고 이산화탄소가 빠져나갈 때 일어나는 것과 많이 비슷하다.아황산가스는 화산 가스의 주요 성분 중 하나이며, 그 양이 증가하면 지표면 근처에 마그마가 점점 많아진다.예를 들어 1991년 5월 13일 필리핀의 피나투보 산에서 이산화황의 양이 증가하였다.불과 2주 뒤인 5월 28일, 이산화황 배출량은 이전 양의 10배인 5,000톤으로 늘어났다.이후 1991년 6월 12일 피나투보 산이 폭발했다.피나투보 화산 폭발 이전과 1993년 콜롬비아 갈레라스 화산 폭발 이전과 같은 여러 차례, 이산화황 배출량은 분출 전에 낮은 수준으로 떨어졌다.대부분의 과학자들은 이러한 가스 수치의 하락은 굳어진 마그마에 의해 가스 통로를 봉인했기 때문이라고 믿는다.이러한 사건은 화산의 배관 시스템에 압력이 증가하고 폭발 가능성이 높아지게 된다.멀티 구성품 가스 분석기 시스템(Multi-GAS)은 화산 가스 플럼의 실시간 고해상도 측정에 사용되는 기기 패키지다.[6]CO2/SO2 비율의 다중 가스 측정은 상승하는 마그마의 사전 파괴를 감지하여 화산 활동 예측을 개선할 수 있다.[6]
지반변형
화산이 부풀어 오르면 마그마가 지표면 근처에 쌓였다는 신호다.활화산을 관찰하는 과학자들은 종종 경사면의 기울기를 측정하고 붓는 비율의 변화를 추적할 것이다.특히 아황산가스의 배출량 증가와 조화 진동이 동반될 경우 부기의 증가율은 임박한 사건의 높은 확률 신호다.산세의 변형에 관한 연구 1980년 5월 18일 폭발 이전의 헬렌스는 화산의 북쪽이 아래 마그마가 쌓이면서 위로 불룩하게 솟아올라 변형의 전형적인 예였다.대부분의 지반변형 사례들은 보통 과학자들이 사용하는 정교한 장비만으로 감지할 수 있지만, 그들은 여전히 이런 식으로 미래의 폭발을 예측할 수 있다.하와이의 화산은 상당한 지반변형을 보인다; 분출하기 전에는 지면의 팽창이 있고, 그 후에는 분명한 디플레이션 현상이 나타난다.이것은 하와이 화산의 얕은 마그마 챔버 때문이다; 마그마의 움직임은 위 지상에서 쉽게 눈에 띈다.[7]
열 모니터링
마그마의 움직임, 가스 방출의 변화, 열수 활동은 화산 표면의 열 방출성 변화를 초래할 수 있다.이러한 측정은 다음과 같은 몇 가지 기법을 사용하여 측정할 수 있다.
수문학
수문학의 사용을 통해 화산 폭발을 예측하는 데 사용할 수 있는 네 가지 주요 방법이 있다.
- 보어홀과 우물 수문학과 수압 측정은 지표면 아래 가스 압력과 열 체계의 변화를 감시하기 위해 점점 더 많이 사용되고 있다.가스 압력이 증가하면 폭발 직전 수위가 상승했다가 갑자기 낮아지고, 열 집중(국소 열 흐름 증가)은 대수층을 줄이거나 건조시킬 수 있다.
- 라하르와 다른 잔해들의 발견은 그들의 근원에 가까이 흐른다.USGS 과학자들은 활화산을 배수하는 강 계곡의 잔해 흐름과 홍수의 도착과 통로를 탐지하고 지속적으로 감시하기 위해 저렴하고 내구성이 뛰어나며 휴대하기 쉽고 설치하기 쉬운 시스템을 개발했다.
- 화산 주변 하천 수로에 의해 침전물이 집어들어 실제 분화가 임박했음을 알 수 있다.대부분의 침전물은 집중호우 기간 동안 화산활동으로 파괴된 분수대에서 운반된다.이는 기계의 모니터링 기법이 없는 경우 형태학적 변화와 열수 활성 증가를 나타내는 지표일 수 있다.
- 강둑에 놓일 수 있는 화산성 퇴적물은 쉽게 침식될 수 있어 강 수로가 극적으로 넓어지거나 깊어질 수 있다.따라서 하천 수로의 폭과 깊이에 대한 모니터링은 향후 화산 폭발의 가능성을 평가하는 데 사용될 수 있다.
원격 감지
원격 감지란 화산 표면이나 화산 폭발 구름에서 분출된 물질로부터 흡수, 반사, 복사 또는 산란되는 전자기 에너지 센서에 의해 감지되는 것이다.
- '클라우드 감지:과학자들은 두 개의 서로 다른 열 파장의 데이터를 이용하여 화산으로부터 유별나게 차가운 분출 구름을 관찰할 수 있으며, 화산 구름의 가시성을 높이고 기상 구름과 구별할 수 있다.
- '가스 감지: 아황산가스는 오존과 같은 파장에서 원격 감지로도 측정할 수 있다.토탈 오존 지도 분광계(TOMS)는 화산이 분출하는 아황산가스의 양을 측정할 수 있다.NASA의 궤도 탄소 관측소 2를 이용한 단파 적외선에서 화산에서 나오는 이산화탄소 배출이 검출됐다.[8]
- 열 감지:새로운 중요한 열 시그니처나 '핫 스팟'의 존재는 분출 전에 지반이 새로 가열되고, 분출이 진행 중이거나 용암 흐름이나 화탄성 흐름을 포함한 매우 최근의 화산 침전물이 있음을 나타낼 수 있다.
- 변형 감지: 위성에 의한 공간 레이더 데이터를 사용하여 상승과 하강과 같은 화산 구조물의 장기적인 기하학적 변화를 감지할 수 있다.이 방법에서는 레이더 이미지에서 생성된 디지털 표고 모델인 inSAR(Inferometric Insynthetic Apropure Radar, InSAR)을 서로 빼서 차등 이미지를 산출하여 지형 변화율을 표시한다.
- 포리스트 모니터링:최근, 분화 전 몇 달에서 몇 년 전, 산림의 성장을 감시함으로써 폭발성 골절의 위치를 예측할 수 있다는 것이 증명되었다.이 도구는 나무의 성장 모니터링에 기반한 것으로, 2002-2003년 화산 폭발 사건 당시 니야공고와 에트나산에서 모두 검증되었다.[9]
- 인트라하운드 감지: 화산 폭발을 감지하기 위한 비교적 새로운 접근법은 국제 감시 시스템(IMS) 인트라하운드 네트워크의 인트라하운드 센서를 사용하는 것을 포함한다.이 검출 방법은 복수의 센서로부터 신호를 받아 삼각측량을 이용해 폭발 위치를 파악한다.[10]
매스 이동 및 매스 고장
질량 이동과 실패를 모니터링하는 것은 지진학(지진), 변형, 기상학에서 빌려주는 기법을 사용한다.산사태, 암석 낙하, 화쇄성 흐름, 진흙 흐름(라하르)은 화산 폭발 전후의 대량 붕괴의 예다.
가장 유명한 화산 산사태는 아마도 성산 이전에 마그마를 침입하여 쌓았던 폭포의 실패였을 것이다.1980년 헬렌스 분화, 이 산사태는 치명적인 실패와 예기치 못한 측면 분화 폭발을 야기하는 얕은 마법의 침입을 "조크아웃"시켰다.암반 추락은 종종 변형이 증가하는 기간 동안 발생하며, 계측기 모니터링이 없을 경우 활동량이 증가한다는 신호일 수 있다.진흙 흐름(라하스)은 화쇄성 흐름에서 나오는 수화 재 침전물과 재 낙하 침전물로, 고속으로 매우 얕은 각도에서조차 아래로 이동한다.높은 밀도 때문에 그들은 적재된 벌목 트럭, 집, 다리, 돌과 같은 큰 물체를 이동할 수 있다.그들의 침전물은 보통 화산재 주위에 두 번째 파편 팬 고리를 형성하는데, 내부 선풍기는 일차 재 침전물이 된다.가장 좋은 하중의 퇴적 하류인 라하르스는 여전히 잔류수로부터 시트 홍수 위험을 일으킬 수 있다.라하르 퇴적물은 마르는 데 수개월이 걸릴 수 있다. 걸어서 갈 수 있을 때까지.라하르 활동에서 파생된 위험은 대규모 폭발물 폭발 후 몇 년 후에 존재할 수 있다.
미국 과학자 팀이 라하르를 예측하는 방법을 개발했다.그들의 방법은 워싱턴의 레이니어 산의 암석을 분석하여 개발되었다.경고 시스템은 신선한 암석과 오래된 암석의 차이점을 지적하는 것에 달려 있다.신선한 바위는 전기를 전도하지 못하며 물과 열에 의해 열수학적으로 변하게 된다.그러므로 그들이 바위의 나이를 알고, 따라서 그 힘을 알면 라하르의 경로를 예측할 수 있다.[11]라하르를 유발할 수 있는 지반 진동을 분석하기 위해 레이니어 산에 AFM(Acoustic Flow Monitor) 시스템을 배치해 조기 경고를 제공하고 있다.[12]
현지 사례 연구
니라공고
2002년 1월 17일 나이라공고 화산 폭발은 몇 년 동안 화산을 연구해 온 현지 전문가에 의해 일주일 일찍 예견되었다.그는 지역 당국에 알렸고 유엔 조사팀이 그 지역에 파견되었지만, 안전하다고 선언되었다.불행히도, 화산이 폭발했을 때 고마 시의 40%가 많은 사람들의 생활과 함께 파괴되었다.이 전문가는 그가 지역 구호물에서 작은 변화를 감지했고 2년 전에 훨씬 더 작은 화산의 분화를 관찰했다고 주장했다.그는 이 두 화산이 작은 화산으로 연결되어 있다는 것을 알았기 때문에 나이라공고 산이 곧 폭발할 것이라는 것을 알고 있었다.[13]
에트나 산
영국의 지질학자들은 에트나 산의 향후 분출을 예측하는 방법을 개발했다.그들은 사건 사이에 25년의 시차가 있다는 것을 발견했다.심층 지각 사건의 감시는 앞으로 일어날 일을 정확하게 예측하는 데 도움이 될 수 있다.지금까지 그들은 2007년에서 2015년 사이에 화산 활동이 1972년의 절반에 달할 것이라고 예측해 왔다.[14][citation needed]화산 활동을 예측하는 다른 방법은 CO2/SO2 비율의 증가를 조사하는 것이다.이 비율은 마그마 챔버의 파괴 전 탈가스를 나타낼 것이다.한 연구팀은 HO2, CO2, SO와2 같은 가스를 관찰함으로써 이 연구에 에트나 산을 이용했다.이 팀은 에트나 산이 2006년 7월과 12월에 폭발을 경험하기 전에 실시간 모니터링을 했다.이러한 CO2/SO2 비율은 가스가 풍부한 마그마의 가속화로 인해 이러한 비율이 증가된 것이 다가올 폭발의 전신이며 마그마 챔버를 보충한다는 점에서 유용하다.연구팀이 2년간 관찰한 결과, 이 비율의 증가는 앞으로 일어날 폭발의 전조가 된다.분화 전 몇 달 동안 그 비율이 증가했고 그것이 최고치에 도달한 후 분화로 이어진 것으로 기록되었다.특히 에트나 산에서 HO2, CO2, SO를2 측정하는 것이 화산 활동을 예측하는 데 유용한 방법이 될 수 있다는 결론을 내렸다.[15]에트나 산의 화산 활동 예측은 4D 미중력 분석으로도 사용할 수 있다.이러한 유형의 분석은 GPS와 합성 개구부 레이더 간섭측정(InSAR)을 사용한다.그것은 밀도의 변화를 측정할 수 있고, 그 후에 모델을 회수하여 화산계 내에서 일어나고 있는 마그마 움직임과 공간적 척도를 보여줄 수 있다.2001년, 중력 모델은 2.5×1011 kg의 에트나 산의 질량이 감소하는 것을 감지했다.결국, 폭발 2주 전에 갑자기 질량이 증가했다.그 화산은 배관 시스템의 상위 레벨까지 끌어올리기 위해 저장 구역에서 더 많은 마그마를 회수함으로써 마그마의 감소를 만회했다.이 발견으로 인해, 그것은 폭발로 이어졌다.이 팀이 수행한 미세중력 연구는 화산 폭발 전에 마그마 챔버 내의 마그마와 가스의 이동을 보여주는데, 이것은 화산 활동을 예측하는 데 유용한 방법이 될 수 있다.[16]
일본 사쿠라지마
사쿠라지마는 아마도 지구상에서 가장 감시가 잘되는 지역 중 하나일 것이다.사쿠라지마 화산은 인구 50만 명 이상의 가고시마 시 근처에 있다.일본 기상청(JMA)과 교토대 사쿠라지마 화산 관측소(SVO) 모두 화산 활동을 감시한다.1995년 이후 사쿠라지마씨는 용암 방출이 없는 정상에서 분출했을 뿐이다.
사쿠라지마에서의 감시 기법:
- 화산 주변의 땅이 부풀어 올라 아래 마그마가 쌓이기 시작하자 활동 가능성이 높다.사쿠라지마에서는, 가고시마 만의 해저의 상승으로, 결과적으로 조수가 상승한다.
- 마그마가 흐르기 시작하면서 염기암을 녹이고 쪼개지는 현상이 화산 지진으로 감지될 수 있다.사쿠라지마에서는 수면 아래 2~5km 지점에서 발생한다.지하 관측 터널은 화산지진을 보다 안정적으로 감지하기 위해 사용된다.
- 지하수 수위가 변화하기 시작하고 온천 온도가 상승하며 방출되는 화학적 구성과 가스의 양이 변할 수 있다.온도 센서는 보어 구멍에 넣어 지하수 온도를 감지하는 데 사용된다.사쿠라지마에서는 가스 독성이 매우 강하기 때문에 원격 감지가 사용된다. – 폭발 직전에 SO 가스2 대비 HCl 가스의 비율이 상당히 증가한다.
- 폭발이 다가오면 틸트미터 시스템은 산의 미세한 움직임을 측정한다.데이터는 SVO의 모니터링 시스템에 실시간으로 중계된다.
- 지진계는 분화구 바로 아래에서 발생하는 지진을 감지해 분화구 폭발의 시작을 알린다.그것들은 폭발하기 1~1.5초 전에 발생한다.
- 폭발이 일어나면서 틸트미터 시스템은 화산의 정착을 기록한다.
에콰도르
키토 국립폴리텍대학의 지구물리학 연구소는 에콰도르 안데스 산맥과 갈라파고스 제도에서 에콰도르의 수많은 활화산을 감시하는 임무를 맡고 있는 지진학자와 화산학자로[17] 구성된 국제 연구팀을 보유하고 있다.에콰도르는 세계 지진의 [18]약 90%와 세계 최대 지진의 약 [19]81%가 발생하는 '불의 고리'에 위치해 있다.지질학자들은 국내 화산, 특히 1999년 8월 19일에 화산 활동이 재개된 퉁구라후아 화산의 분출 활동을 연구하고 있으며,[20] 그 시기 이후 몇 차례의 주요 분출이 2014년 2월 1일에 마지막으로 시작되었다.[21]
완화
화산활동 예측을 넘어 지열발전 기법을 이용해 마그마 챔버를 냉각시켜 폭발적 화산활동을 막자는 투기성 제안이 쏟아지고 있다.[22]
참고 항목
메모들
- ^ 인프라하운드 기술
- ^ 버나드 츄에트(1996년 3월 28일) "장기 화산 지진성: 그 근원과 화산 폭발 예측에 이용" 네이처, 380권, 6572호, 309~316쪽.
- ^ 버나드 츄에트와 오랜 기간 동안의 사건과 화산 폭발에 대한 그의 연구에 관한 인터뷰:"Essential Science Indicators". Archived from the original on 2009-02-01. Retrieved 2009-02-18. .
- ^ 화산 폭발을 예측하기 위해 오랫동안 지속된 사건들을 사용하는 미국 TV 프로그램: "노바: 화산의 치명적인 경고": https://www.pbs.org/wgbh/nova/volcano/. 같은 주제로 BBC TV 시리즈 "호라이즌"의 "Volcano Hell" 에피소드도 참조하라: http://www.bbc.co.uk/science/horizon/2001/volcanohell.shtml.
- ^ Mason, Christopher (1 March 2006). "Singing icebergs". Canadian Geographic. Retrieved 11 December 2016.
- ^ a b Aiuppa, Alessandro; Moretti, Roberto; Federico, Cinzia; Giudice, Gaetano; Gurrieri, Sergio; Liuzzo, Marco; Papale, Paolo; Shinohara, Hiroshi; Valenza, Mariano (2007). "Forecasting Etna eruptions by real-time observation of volcanic gas composition". Geology. 35 (12): 1115. Bibcode:2007Geo....35.1115A. doi:10.1130/G24149A.1.
- ^ 능동단층 및 화산중심지 주변 지층변형 모델링: 변형모델 카탈로그 미국 지질조사국
- ^ Schwandner, Florian M.; Gunson, Michael R.; Miller, Charles E.; Carn, Simon A.; Eldering, Annmarie; Krings, Thomas; Verhulst, Kristal R.; Schimel, David S.; Nguyen, Hai M.; Crisp, David; o'Dell, Christopher W.; Osterman, Gregory B.; Iraci, Laura T.; Podolske, James R. (2017). "Spaceborne detection of localized carbon dioxide sources". Science. 358 (6360): eaam5782. doi:10.1126/science.aam5782. PMID 29026015.
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