Aims & Scope

남쪽 외륜은 울릉화산에서 가장 높은 능선을 이루며 미륵산-형제봉-성인봉(986 m)-말잔등(968 m)으로 뻗는다(그림 3). 이 외륜은 약 4.2 km 길이로서 활모양으로 휘어지고 북쪽에 중심을 둔 약 1.5 km의 곡선 반경을 추정할 수 있다. 대략 900 m의 평균 고도를 가지는 비교적 가파른 내측 칼데라 벽을 나타낸다.

이 외륜은 주 칼데라 벽에서 남서쪽으로 만곡부를 형성한다. 이러한 만곡부는 일부 칼데라 벽을 따라 지형적 확대 혹은 위성 환상단층으로 연결되는 돌출부의 불규칙한 주변 침하로부터 발생할 수도 있겠지만(Branney, 1995; Branney and Gilbert, 1995), 층서적으로 부합되지 않는다. 이 칼데라 벽은 500 m 높이로 비교적 가파르지만 말잔등응회암이 용암과 각력암 위에 두껍게 쌓여있기 때문에, 우리는 이 만곡부를 선기의 함몰구조로 보는 것이다. 만곡상 함몰구조는 바이아스(Valles) 칼데라의 톨레도(Toledo) 만에서와 같이 반복적인 분출과 조합되어 편심으로 겹치는 연속적인 침하 사건과 관련된 것으로 선기의 침하구조에 의한 것이다(Self et al., 1986).

나리 칼데라의 만곡부에는 차별적 침식으로 인한 부채꼴(수지상) 계곡이 알봉골로 모여 충적선상지를 형성하고 있다(그림 4b). 부채꼴 모양의 평면도와 칼데라 벽의 비교적 완만한 사면은 크리드(Creede) 칼데라(Steven and Lipman, 1976)와 같은 큰 칼데라에서와 비교될 수 있는 지형적 칼데라의 슬럼핑(slumping) 확대를 암시한다.

이 외륜의 외측 화산체 사면은 배수패턴이 파라솔과 같이 방사상으로 말잔등응회암의 화성쇄설 덮개뿐만 아니라 그 아래 용암과 각력암까지도 깊게 침식된 특징을 나타낸다. 파라솔과 같은 방사상 배수패턴은 울릉화산에서 전체적으로 서쪽, 남쪽 및 남동쪽 방향의 능선을 따르는 계곡의 배열 관계를 보여주는 타원상 화산 모양을 나타낸다(그림 1b).

원래 대칭적 화산구를 생각하면, 고기 울릉화산의 크기는 배수축의 수렴점에 의해서 또한 외측 칼데라 외륜의 반원형 등고선(예, 그림 1b에서 900 m 등고선)에 의해서 평가될 수 있다. 이런 방식으로, 고기 화산의 정점은 대체로 현재 성인봉의 북쪽 부근에서의 고도 1,050 m에 위치할 것으로 예상된다. 이러한 고기 화산구에서, 칼데라의 남쪽 외륜 부분(그림 3, 4)은 화산의 북측 사면에 중심을 두었던 함몰 잔류체를 나타낸다. 이는 남쪽 외륜보다 훨씬 더 낮은 바다쪽 외륜을 가지는 칼데라의 심한 비대칭 단면을 초래하였다.

서쪽 외륜은 미륵산(905 m)-유두봉-깃대봉-송곳산(611 m)으로 약 1.4 km 연결되고 북동쪽으로 낮아진다(그림 1b). 이는 남쪽 외륜과 예각을 이루고 활모양으로 약간 휘어지며 동쪽 내측으로 거의 수직에 가까운 칼데라 벽을 가진다(그림 3).

칼데라 벽은 하부에 각력암과 상부에 용암층으로 구성되고(그림 2) V자곡이 가리비 모양의 침식패턴으로 형성되며(그림 4c), 기슭에는 절벽에서 낙하된 암괴들에 의한 애추로 덮이거나 용암돔으로 덮여 칼데라 구조의 최후기 부분을 나타낸다(그림 3). 이 벽은 역시 이의 기슭에서 애추가 지시하는 바와 같이 산사태의 영향을 받았다. 이 활은 동쪽 외륜과 함께 동쪽에 중심을 둔 반경이 대략 1.7 km으로 추산된다.

외륜의 서쪽 화산체 사면의 성숙한 모양은 용암층에 잘려진 망상의 구심적 배수패턴을 가지며, 화산구조의 고기 부분을 나타낸다. 화산의 최고 높이에서 배수패턴은 대체로 방사상 양상을 보여준다(그림 1b).

동쪽 외륜은 말잔등-천두산(961 m)-나리령(799 m)-나리봉(816 m)으로 뻗치고 나리고개를 거쳐 북서쪽으로 내려간다(그림 1b), 이 외륜은 남쪽 외륜과 거의 직각을 이루고 약 4 km 이상으로 길며 북서쪽에서 뚜렷하지 않다. 그래서 북쪽 외륜은 선명하게 정의되지 않는다. 동쪽 외륜은 서쪽에 중심을 둔 활모양의 원상 곡선을 나타내며 이 활은 약 1.7 km의 곡선 반경을 가진다.

칼데라 벽은 매우 가파른 절벽으로 대개 고기 용암류와 각력암층으로 구성되며(그림 2) V자곡으로 파인 가리비 모양의 침식패턴을 나타내고 절벽에서 떨어진 암괴들에 의한 작은 애추가 기슭에 놓여있다(그림 3).

외륜의 동쪽 화산체 사면은, 화성쇄설 단위뿐만 아니라 그 아래 용암층에 잘려진 구심적 배수패턴을 가지며, 화산구조의 고기 부분을 나타낸다. 화산의 최고 높이에서 배수패턴은 분명히 방사상 양상을 보이지만, 최근 분출물에 의해 현저한 퇴적층에 의해 명확하지 않다(그림 1b).

경계단층은 이 외륜의 내측에 약 300~700 m 간격의 칼데라 벽을 사이에 두고 거의 평행하게 동심원상으로 나타나고 두 가닥의 환상단층(ring fault)을 이룬다. 내측 환상단층은 칼데라 충전물로 거의 전부 덮여있지만 칼데라 바닥의 남동측에서 수직 절벽을 이루기 때문에, 수직 내지 외측경사를 이룬다고 생각된다. 외측 환상단층은 대부분 지질경계선을 따라 추적되고 칼데라 벽을 따라 수직에 가까운 내측경사를 이룬다. 칼데라에서 환상단층은 그 기하학적 구조가 흔히 천부 레벨에서 안쪽으로 경사지더라도 깊어지면서 가팔라지고 챔버 바로 위 레벨에서 바깥쪽으로 경사진다(Williams, 1941; Branney, 1995). 이 환상단층도 피스톤 침하로 정의되며, 분출이 진행됨에 따라 점점 일관된 피스톤 함몰을 일으켰을 것이다(Fridrich et al., 1991). 한편 이 환상단층은 칼데라 바닥을 뚜렷하게 정의해주며 그 최저고도 345 m 이하이었다. 지금 경계단층과 칼데라 바닥은 칼데라내부 충전물로 덮였지만, 숨은 단층을 예측할 수 있다(그림 2). 따라서 환상단층은 거의 원형을 나타내며 그 직경을 2 km로 측정할 수 있다.

칼데라 바닥은 나리분석층, 알봉 용암돔 및 용암류와 충적층 등의 함몰 후의 충전물로 기복을 나타내지만, 아직도 낮은 저지를 나타내므로 칼데라 분지라 할 수 있다. 특히 경계단층의 북서부는 용암돔이 538 m로 솟아있어서 원래 북쪽으로 트인 칼데라를 구축한 모양새이다(그림 1b, 3). 이는 바다쪽으로 화산의 비대칭 성장을 유도하는 칼데라 경계부 저지를 구축한 충전물을 나타낸다. 이 돔의 외측 사면은 북쪽으로 큰 계곡을 형성하고 칼데라 내로 스며든 지하수가 용출되고 있다.

봉래 용결응회암은 봉래분석층 하부에 2~4 m 두께로 존재되는 것이 인상적이다(그림 5a). 말잔등 이전 각력암에도 2 m 크기의 거대암괴(megablock)로 포함되어있고(그림 5b) 칼데라의 북동쪽 지겟골에서도 말잔등응회암 아래에서 소규모로 발견된다. 이 용결응회암은 남동측 사면 계곡부에서 4 m 두께의 설상체를 형성하며 사동각력암 침식면 위에 직접 놓인다. 상위에는 스트롬볼리언 내지 저플리니언 분출의 분석층들에 의해 덮인다(Hwang et al., 2012).

Fig. 5. 
Main lithological images of collapse-maker deposits involved the Nari caldera complex. (a) Bongrae welded tuff occurred at the base of Bongrae Scoria Deposits in a valley over the Bongrae Fall; (b) Welded tuff lithology of a megablock at the base of landslide breccia outcropped in a valley west of Maljandeung; (c) Landslide breccia exposed below the Maljandeung Tuff in a valley west of Maljandeung; (d) Block-rich tuff breccia overlying crudely bedded lapill tuff in Member N-4.

이 응회암은 전체적으로 암갈색을 띠는 기질에 흑색 및 암갈색 유리질 피아메, 반정과 회색 암편이 존재하며, 괴상이고 기질지지를 한다. 피아메는 부석이 편평화된 것이며 대체로 사면 방향에 평행하게 1:3 정도로 신장되어 있다(그림 5a). 반정은 대부분 1~2 mm 크기의 유백색 알칼리장석이고 드물게 휘석과 캘슈타이트로 구성된다. 기질은 암갈색 본질 화산재 샤아드로 이루어지고 치밀용결을 나타낸다(그림 5a).

조직적 형상은 이 응회암이 고온 고밀질 화쇄류에 의해 정치된 결과라는 것을 암시한다. 이는 화쇄류가 화산 계곡부의 완만한 기슭에 도달했을 때 집단 정치된 것으로 생각된다. 이러한 이유는 피아메가 배열된 완배열상 석리의 형성, 기질에 치밀한 본질 샤아드의 존재, 수 km 긴 이동거리에서의 치밀 용결작용, 그리고 구성원의 다양성 및 불균질성이지만 외관의 치밀성 및 균질성 등의 특징으로부터 알 수 있다.

이 용결응회암층은 단지 화산의 남동측 사면 계곡부에서만 기재되었지만(Hwang et al., 2012), 그 당시 북동측 사면 지겟골에서도 소규모 노두로 발견되었다. 이 두 산출은 울릉화산의 중심부인 성인봉을 중심으로 할 때 전반적으로 방사상으로 분포를 보여준다. 이들은 분산되어 분포하지만 암질적으로 완전히 같을 뿐만 아니라 사동각력암 혹은 천부조면암의 침식면 위에 놓이고 수증기마그마성 퇴적층에 의해 덮여 같은 층서적 위치에 놓을 수 있다. 말잔등-이전 산사태 각력암에 들어있는 용결응회암 암괴도 마찬가지로 완전히 같은 암질을 나타내고, 사동각력암 침식면 위에 놓이고 말잔등의 시작 수증기마그마성 퇴적층에 의해 덮여 있는 각력암 속에 포함되어있기 때문에 동일한 층서적 위치에서 유래된 것으로 볼 수 있다. 미국 서부에서 수많은 조사에 의하면 5 km³ 이상의 용결응회암은 반드시 마그마 챔버의 최상단부가 내려앉는 칼데라 함몰과 연관된다고 한다(Smith, 1960). 이 용결응회암은 매우 적은 양으로 남아있는데, 그 이유는 급한 화산사면의 지형 지배뿐만 아니라 화쇄류의 이동속도가 최고 100 km/h의 빠른 관계로 그 대부분이 화산 아래로 흘러내려가 바다 속으로 들어갈 수밖에 없었기 때문이라고 생각된다.

이러한 용결화쇄류층의 산출 위치와 층서적 위치는 남쪽 외륜 부분(그림 1b, 3)이 고기 칼데라 함몰을 유도했던 잔류 부분을 나타내는 것을 암시한다. 계곡에 충진된 용결화쇄류층은 고기 칼데라 벽의 형성과 관련되는 증거물인 것이다. 이 용결화쇄류층은 지속적 분연주의 함몰에 의하기보다 칼데라 함몰 직전에 분화구를 따라 끓어넘침 분출(boiling-over erup-tion)에 의해 생성되는 함몰 동시 및 후의 고온 고밀도 화쇄류가 칼데라 외측부에 정치된 결과이었다는 것을 암시한다(Hwang and Kim, 1990). 즉 계곡에 충진된 화쇄류층은 남쪽 칼데라 벽이 끓어넘침 분출에 따른 함몰로 형성되었다는 간접적 증거이다. 분화구를 넘치는 화쇄류가 계곡을 따라 흘러 대부분 바다로 들어가고 일부가 완만한 계곡부에 정치된 것이다. 이때 분출에 관여했던 마그마는 칼데라 블록을 구축함으로 위로 압출되는 마그마의 휘발성물질이 부족한 부분을 나타낼 것이다.

폭발성 화쇄류(혹은 회류) 분출과 조합된 칼데라들은 지난 반세기 동안 칼데라 형성(Williams, 1941)과 회류 과정(Smith, 1960)에 대한 획기적인 검토에 자극을 받아 많은 연구가 이루어졌지만, 칼데라 형성과정과 침하의 입체모양이 완전하게 이해되지 못했다(McBirney, 1990). 하지만 하위의 마그마 저장고에 지붕 붕괴에 의한 칼데라의 형성은 현재 수 km³ 이상의 마그마 부피에 관련되는 폭발성 분출을 수반하는 것으로 널리 인식되고 있다.

이러한 대규모 분출은 동해나 일본까지로 분산되어 그 일부를 화산재 강하를 일으켰을 것이다. 최근에 보고된 동해에서의 60~61 ka U-Sado 테프라 (Lim et al., 2013)와 일본 혼슈에서 40 ka U-Ym 테프라(McLean et al., 2020)가 이에 대응될 것으로 생각된다.

말잔등 이전 산사태 각력암은 두께가 최고 5 m 이상인 불규칙한 설상체를 형성하며, 멤버 N-5에 의해 덮이고 아마도 남쪽 칼데라 벽의 기슭에 해당하는 사동각력암 위에 직접 놓인다. 이 각력암은 일반적으로 괴상이고 입자지지를 나타내고, 일반적으로 각상의 조립 라필리 내지 암괴 크기의 쇄설물로 구성된다(그림 5c). 쇄설물은 대부분 조면암편으로 구성되며 직경이 최고 2 m의 다양한 암괴를 함유한다. 암괴들은 대부분 회색 조면암편들이고 이 각력암의 주요 구성원이며, 특히 거대암괴 중에는 톱니상 단열도 나타나고 드물지만 산발적으로 용결응회암을 포함한다. 암편-풍부 설상체는 이 퇴적체에서 아주 약한 층리를 형성하면서 드물게 나타난다. 판상 암편들은 약하게 배열되고, 이들의 장축이 일반적으로 수평이거나 혹은 매우 저각도로 하류로 경사된다. 기질은 본질 화산재 물질이 부족하고 속성작용으로 인해 적색 내지 갈색을 가지는 불량분급의 사질 뻘로 구성되며, 알칼리장석과 휘석을 갖는 다양한 암편을 함유한다.

대부분 칼데라는 관련 분출 중에 함몰되기 때문에, 칼데라내부 충전물은 칼데라 과정에 대한 주요한 증거를 제공한다. 충전물은 흔히 칼데라 내의 단층 파괴를 평가하는데 층서 표시자 역할을 한다. 이 각력암의 불규칙한 더미는 화산분출의 긴 휴지기 동안 칼데라 벽의 반복적인 산사태에 의한 암설 축적 애추로서 고기 칼데라 내부 충전물이다(Kim et al., 2014). 이 산사태 각력암은 후기 분출물로 덮여 소규모로 노출되지만 초기 칼데라 함몰을 수반하는 대량의 산사태 암설이 환상단층 근처에 숨겨져 있을 것으로 추정된다. 이러한 각력암 더미는 침하된 고기 칼데라 바닥 내에 깊숙이 축적되기도 하며(Lipman, 1976), 화구에 인접하면 직접적인 화도 침식 외에, 분연주에 유입되어 암편질 각력암(lithic breccia)으로 정치될 수 있는 큰 암편질 물질의 잠재적 공급원이기도 하다. 하지만 칼데라 벽에서 발생하는 대규모 산사태는 일차적 화산구조를 숨기는 경향이 있어 침하과정의 해석이나 심지어 일부 칼데라의 존재를 방해하기도 한다. 특히 칼데라 벽에서 매우 짧은 이동, 톱니상 단열, 언덕 같은 표면과 피아메 같은 기존 내부구조를 갖는 거대암괴의 존재뿐만 아니라 기질의 본질 물질의 부재와 불균질성 등이 암설 사태의 성인으로 나타난다. 이 각력암은 단지 남쪽 외륜의 칼데라 벽에서만 발견된다. 그러므로 이 산사태 각력암은 선기 칼데라의 존재에 대한 간접적인 증거를 지시한다.

말잔등응회암은 칼데라 외부에서 상부로부터 하부로 가면서 멤버 U-2, 3, 4, 5 강하층으로 세분되고(Machida et al., 1984), 칼데라 내부에서도 멤버 N-2, 3, 4, 5로 세분되었다(Kim et al., 2014). 이 연속체는 국지적 및 광역적으로 분산된 강하층, 국지적인 써지층과 화쇄류층으로 구성된다(Kim et al., 2014). 이들은 대개 수증기플리니언 분출과 플리니언 분출로부터 퇴적된 것이다(Hwang et al., 2018, 2020). 멤버 N-5의 분출 후에, 이 화산은 거의 8 ka 동안 조용해졌으나, 11 ka 전에 N-4 분출은 말잔등응회암에서 기록된 가장 크고 가장 폭발적인 분출이었다. 처음에는 단기간 수증기마그마성 활동이었으나 후기로 가면서 극히 폭발적인 플리니언 분출로 높은 분연주을 형성하여 널리 퍼지는 강하층(N-3B)을 유도하였다.

단위 N-4B는 화학조성과 ¹⁴C 연령측정에 따르면 동해와 일본열도에서의 U-Oki 테프라(Machida et al., 1984; Shiihara et al., 2011)와 같은 층이다(Kim et a., 2014). U-Oki 테프라는 >5 cm 두께로서 광역적으로 분포하고 층서적으로 육상 테프라와 같은 엉성한 부석 라필리 퇴적층 조직을 보여준다. 이러한 특징은 플리니언 분연주을 지속할 만큼 강력했었고 동해를 넘어 일본 열도로 대량의 부석질 테프라를 퇴적시킬 만큼 광범위했음을 지시한다.

특히 N-4C 화성쇄설암은 13 m 두께의 기질지지 화성쇄설 연속체이며, N-4B 위에 정합으로 놓인다(Kim et al., 2014). 이는 대부분 1~2 m 두께의 괴상 라필리응회암 및 응회각력암층으로 구성되며, 10~20 cm 두께의 응회암층이 협재된다(Kim et al., 2014). 라필리응회암 및 응회각력암층은 담갈색을 띠고 조립 암편이 다른 멤버에 비해 특히 풍부하다. 괴상 응회각력암층은 조립 암괴가 풍부한데 주로 역점이 층리를 보여준다. 이 암괴들은 일반적으로 칼데라 벽에서 축적되는 산사태 각력암에 비해 훨씬 적은 편이다.

N-4C의 라필리응회암 및 응회각력암층은 고밀집의 암괴-풍부 화쇄류와 뒤따르는 저밀집의 세립질 꼬리에 의한 화쇄류층이다(Kim et al., 2014). 이질 암편의 풍부함은 왕성한 칼데라-형성 분출에서 화도에서 유래하는 암편 분출물로서 고밀집 화쇄류에 포함된 것이다(Kim et al., 2014). 즉 암편은 분출물이 지표로 상승하는 동안 화도에서 뜯겨 나왔음을 의미한다. 그러나 이는 상승하는 마그마 분출물이 화도를 통해 통과되는 동안 이들의 강력하고 끊임없는 침식능력의 결과라고 할 수 없고(Macedonio et al., 1994), 칼데라 함몰과 조합되는 마그마 챔버 상위의 지붕암의 단열에 의한 것도 포함된다. 즉 암괴-풍부 화쇄류층은 진화된 마그마 챔버의 최상단부가 칼데라 함몰에 필요한 환경을 촉진시키는 분출에 관련되었다는 것을 암시한다. 멤버 N-4에 협재된 암괴-풍부 화쇄류층의 존재는 플리니언 분출에 따른 칼데라와 관련되었다는 증거이다.

플리니언 분출에 관한 연구에서, 초기의 지속적 플리니언 분연주는 화도계의 빠른 확장과 조합하여 붕괴되기 시작하거나, 혹은 마그마 챔버의 감압이 뒤따르는 칼데라 혹은 환상단층 함몰로 인해 붕괴되기 시작한다고 널리 알려져 왔다(e.g., Druit and Sparks, 1984; Heiken and McCoy, 1984; Polacci et al., 2003; Kawakami et al., 2007; Bear et al., 2009). 뚜렷한 상전이는, 멤버 N-4에서 부석-풍부 강하층(N-4B)에서 암괴-풍부 화쇄류층(N-4C)으로 증명되는데, 분연주가 지속되는 분출단계에서 분연주가 붕괴하는 단계로 분출양식의 변화를 나타낸다. 이 붕괴 단계에서 나온 화쇄류의 높은 암편 함량은 칼데라-형성 분출작용과 연관되어있다. 한편 섬장암 포획체의 존재는 강력한 플리니언 분출 동안 마그마 챔버 지붕의 불안정성을 암시한다. 멤버 N-4가 해저 테프라층(U-Oki)과 육상 테프라층(U-4) 기록에서 발견되는 가장 크고 가장 널리퍼진 단위라는 것을 고려하면, 아마도 이 분출은 고기 칼데라 구조에 중첩하여 북쪽에서 칼데라의 함몰을 반영하는 것으로 생각된다. 내측 칼데라벽에서 암괴-풍부 화쇄류층은, 상류로 이동하는 흐름에 의해 분산되었지만(Kim et al., 2014), 지형지배를 받는 관계로 높은 칼데라 외륜을 넘지는 못했던 것 같다. 왜냐하면 이러한 화쇄류층은 칼데라 외부의 화산사면 노두에서 발견되지 않기 때문이다. 따라서 높은 칼데라 외륜은 치밀한 화쇄류의 통과를 방해했던 기존 지형적 장애물을 지시하는 것으로 생각된다.

칼데라는 대개 적당한 크기와 침하를 가지는 피스톤과 같은 구조를 닮았다(Newhall and Dzurisin, 1988; Chadwick and Howard, 1991; Rowland and Munro, 1992). 다단계의 함몰은 흔히 길쭉한 구조물을 발달시킬 수 있다(Martì and Gudmundsson, 2000).

울릉화산에서 칼데라는 40 ka(혹은 60~61 ka)에 봉래 용결응회암의 분출과 11 ka 말잔등응회암 분출할 때 형성되었으며, 잘 보존된 중첩된 칼데라이다. 즉, 전자의 분출은 선기 성인 칼데라를 후자의 분출은 후기 나리 칼데라를 형성하였다. 선기 칼데라는 후기 칼데라에 숨어있기에 나리 칼데라의 규모만을 알아본다. 나리 칼데라는 지형적 외륜의 직경(D)이 대략 3.4 km인 대표적인 소형 피스톤-침하 칼데라이다(표 1). 구조적 직경(d)이 약 2 km인 환상단층은 칼데라 충전물로 잘 노출되지는 않았지만, 가파른 칼데라 벽과 평탄한 충전물과의 접촉하는 호상 트렌드로부터 추론되고, 마찬가지로 칼데라 벽과 알봉 용암돔 간의 경계선을 따라 유추된다. 이 단층은 외측 환상단층이라 한다면 그 내측에 내측 환상단층도 칼데라 바닥 남동측 경계부를 따라 지나면서 충적층에 피복된다.

칼데라 서쪽 해자(moat)에서 시추 결과(Kang, 1989)는 칼데라의 지형적 바닥 아래 24 m부터 120 m 이상까지 심도에서 평탄한 조면안산암의 상단을 관통하였으며, 원래의 “비충전의 칼라 높이”에 엄격한 평가를 제공한다. 칼데라 내부에는 지표에 노출되는 조면안산암 용암류보다 고기의 용암류가 그 기저에 도달하는 채로 적어도 100 m 두께로 지하에 존재한다. 따라서 약 550 m의 채워지지 않은 칼라 높이(h)와 칼데라 내부를 충전한 용암층 및 충적층을 합친 것은 최소 침하 심도(s)이다. 구조적 환상단층 너머의 만곡부 노두에서 칼데라내부 응회암의 존재는 선기 칼데라의 존재를 의미하며 선기 칼데라 벽에서 유래된 산사태 각력암층 위에 이 응회암의 중첩을 암시한다(그림 5c). 단지 산사태 각력암만이 구조적 단층 가까이에서 소규모로 노출되지만, 이의 상당한 부피는 선기 칼데라 벽에서 유래하는 대량의 산사태 암설류층이 지하 조면안산암 용암층 아래에 깊숙이 숨겨져 있다는 것을 지시한다. 충전물 내에서 암편질 암설 선상지의 높이는 대략 30 m로 추산되므로 총 침하심도(s)는 700 m로 계산된다(표 1).

열압력계를 적용하면 나리층군에서 각섬석은 약 1600~500 MPa 사이에서 변화하는 압력에서 결정화되었다고 한다(Brenna et al., 2014). 즉 말잔등응회암의 포놀라이트에서 각섬석은 유사하게 약 600 MPa에서 정출되었다. 이는 포놀라이트가 비교적 높은 압력(약 600 MPa)에서 진화하는 마그마로부터 유래되었음을 나타낸다. 따라서 말잔등응회암은 그 공급 마그마는 약 20 km 심도에서 분출되었음을 의미하며, 챔버 위의 지붕 두께(T)도 이와 유사하다.

지표에서 환상단층의 존재는 지형적 차이에 의해 인지될 수 있지만, 심부에서 이의 경사도는 불확실하다. 이는 내측경사 정단층, 외측경사 역단층 혹은 수직단층으로 다양하게 존재할 수 있겠지만, 나리 칼데라에서는 외측경사 역단층이 가장 유력하다. 왜냐하면 지붕 두께가 20 km로서 지붕 종횡비(A: T/d)는 10으로 매우 커서 정단층에 의해 침하할 수 없고 수직단층에 의해서도 상당히 어렵기 때문이다. 특히 내측 환상단층이 외측경사 역단층에 해당할 것이며(그림 6), 남동측 경계부의 수직 절벽이 증거이다. 함몰을 경계짓는 외측경사 역단층에 대한 광범위한 규모의 불변적 증거들이 많이 있다. 현재 활동 중인 화산에서, 외측경사 역단층은 2000년 일본 미야케지마(Miyakejima)에서 초기 함몰동안 형성되었으며, 지금까지 관측된 가장 중대한 곳으로 수 100 m의 침하를 나타낸다(Geshi et al., 2002). 수 km 규모에서, 외측경사 환상단층은 파푸아뉴기아의 라바울(Rabaul) (Saunders, 2001), 일본의 이쉬쥬치(Ishizuchi) (Yoshida, 1984), 이태리의 콜리 알바니(Colli Albani) (Giordano et al., 2006), 칼라파고스의 시에라 네그라(Sierra Negra) (Jonsson et al., 2005) 등에서 관찰되었다. 외측 환상단층은 대부분 지질경계선을 따라 추적되고 칼데라 벽을 따라 수직에 가까운 내측경사 정단층을 나타낸다(그림 6).

Fig. 6. 
Section view of the Nari caldera complex summarizing collapse pattern for piston caldera with small deep chamber.

울릉화산 아래에 마그마챔버 형태를 알아보려면 분출물 부피와 침하 면적이 필요하다. 말잔등응회암의 분출물의 부피 계산치는 대략 12.4 km³ DRE이다(Hwang and Jo, 2016). 마그마 챔버를 전부 비운다는 가장 보수적 사고와 타원체 모양을 생각할 때, 분출된 마그마 부피와 침하된 면적 크기는 대략 12:3이며 마그마챔버가 4:1의 종횡비(수직:수평)를 가지는 편장상(prolate) 형태임을 암시한다(Cioni et al., 1998).

세계의 잘 연구된 여러 칼데라에서 역시 중첩된 구조적 특징을 쉽게 관찰되고 있다(Barberi et al., 1991; Nappi et al., 1991; Hwang and Kim, 1992; Marti et al., 1997; Florio et al., 1999; Milner et al., 2002; Gudmundsson and Nilsen, 2006). 이는 선기 구조가 보존되어 있을 때 더 진행된 침하로 산출될 것이고, 혹은 칼데라를 따라 다른 함몰 단계에 해당하는 구조를 발달시킬 때 비대칭 구조로 산출될 것이다. 실제로, 칼데라 내에서 구조적 특징이 중복됨을 인지할 수 있다면 칼데라의 전체 지표구조에 의해 칼데라의 진화 단계를 인식하는 것이 원칙적으로 가능하다. 지금까지 울릉도에서 지표 자료는 만곡부를 이루는 외측 칼데라가 더 선기 성인 칼데라라는 것을 알 수 있고 더 뚜렷한 내측 칼데라가 후기 나리 칼데라로 나타낼 수 있다.

Acocella (2007)는 가장 잘 알려진 46개 칼데라에 대해 그 진화를 일관성 있게 이해하고 최초로 분류하기 위한 정량적 시도를 하였다. 그는 실험을 통해 (1) 다운새그, (2) 환상 역단층, (3) 주변 다운새그, (4) 주변 환상 정단층 순서로 침하를 일으키는 4단계 진화단계를 제시하였다. 그리고 그는 각 칼데라의 직경(d)과 침하심도(s)를 d-s 상관도에 도시하고 4가지 실험 단계에 따라 칼데라를 크게 묶음으로써, d/s 비와 진화단계 간에 관계를 알아보고자 하였다(그림 7). 1단계 칼데라는 그림의 오른쪽 하단에 분포하고, 작은 침하와 중간에서 긴 직경을 가진다. 2단계 칼데라는 그 위로 중간 정도의 침하와 중간 내지 짧은 직경을 가진다. 그 위의 3단계 칼데라는 중간 침하와 직경을 가지고, 반면에 4단계 칼데라는 더 위로 더 큰 침하와 짧은 직경을 가지고 있다. 이러한 4가지 칼데라 유형의 대부분은 d/s(지름/침하) 값이 대체로 서로 다른 파선에 의해 경계되는 영역 내에 군집한다. 1단계 칼데라는 d/s >40, 2단계는 18< d/s <40, 3단계는 14< d/s <18, 4단계는 d/s <14 범위에 있는 것이 특징적이다. 나리 칼데라는 d/s=2.9이므로 진화단계의 4단계에 속하며, 미야케지마(Miyakejima) 칼데라(Geshi et al., 2002)와 쎄로 아줄(Cerro Azul) 칼데라(Munro and Rowland, 1996)와 유사하다(그림 7; Acocella, 2007). 따라서 이는 먼저 외측경사 역단층에 의해 내측 환상단층을 발달시키고 그 다음에 내측경사 정단층에 의해 외측 환상단층으로 진화했음(그림 6)을 의미한다.

Fig. 7. 
Variation diagram between subsidence (s) and diameter (d) of he worldwide 47 calderas (modified from Acocella, 2007). The calderas are classified accordingly with the 4 experimental stages of Acocella (2007). Dashed lines define specific d/s ratios for each caldera stage. The symbol patterns in the inset represent the DRE volume of erupted deposits during the formation of the caldera.

또한 분출된 부피는 대체로 진화 단계와 상관관계를 보여준다(그림 7). 4단계 칼데라는 대개 가장 큰 부피와 조합되어 있는 반면, 2단계 칼데라의 대부분은 가장 작은 부피와 연관되어 있다. 이는 일반적으로 구조적으로 진화된 칼데라가 더 큰 분출량과 관련되고 덜 진화된 칼데라가 더 적은 부피와 관련이 있음을 시사한다.

칼데라 형성동안, 화산작용은 침하량과 지붕 종횡비 A에 의해 제어될 것이다. 지붕 종횡비가 A<1일 때, 함몰 동안 저장고 내의 부피변화는 지표에서 생성된 저지의 것과 유사하다(Roche et al., 2000). 이는 칼데라의 부피와 챔버 수축 간의 대략 1:1 비를 의미한다. 반대로, A>1일 때, 챔버의 부피 변화는 일반적으로 더 두꺼운 지붕에서 일어나는 일관성 없는 변형 때문에 지표에서 칼데라의 부피보다 현저히 낮다(Roche et al., 2000). 따라서 칼데라와 챔버 부피 간의 비는 <1이 되는데, 이는 지표에서 붕괴되기 위해서는 상당한 양의 마그마가 분출되어야 함을 의미한다. 이는 이론적 계산(Roche and Druitt, 2001)과 실험(Geyer et al., 2006) 결과와 일치한다. 그러한 지붕 종횡비의 제어는 현무암질 칼데라에서 함몰을 발생시키는 분류성 분출이 일어나고, 규장질 칼데라에서 함몰을 발생시키는데 필요한 많은 양의 폭발성 분출이 일어난 것을 설명해줄 수 있다(Cole et al., 2005). 실제로, 일부 규장질 칼데라는 분출 마그마의 부피에 크게 관련되는데, 지붕 종횡비가 A>1를 가진다(Geyer et al., 2006). 이와 마찬가지로, 나리 칼데라도 A>1이므로 일본까지 퍼질 정도로 많은 테프라(약 12 km³)를 분출시킴(Hwang and Jo, 2016)으로써 함몰될 수 있었다.

함몰 후 화산작용은 마찬가지로 침하량과 그 다음으로 지붕 종횡비에 따라 달라질 것이다. 적당히 적은 침하는 다운사그를 발생시키며 환상단층이 지표에 도달하지 않는다. 마그마의 퇴각은 붕괴 및/혹은 기존 구조에 의해 제어되는 새로운 단열에 만들어진 화구를 따라 예상된다. 따라서 다운사그 칼데라의 조구조적 배경을 이해하면 불안정동안 화구의 위치를 예측할 수 있게 한다. 더 큰 침하와 함께, 지붕 종횡비 A는 외측경사 또는 내측경사 환상단층을 따라 2단계(Deception Island; Walker, 1984), 3단계(Rotorua; Milner et al., 2002), 4단계 칼데라(Valles, Campi Flegrei, Latera, Rabaul, Creede, Batur, Suswa; Lipman, 1984; Walker, 1984; Newhall and Dzurisin, 1988; Nappi et al., 1991; Skilling, 1993; Di Vito et al., 1999)에서 칼데라 후의 화구를 흔히 발생시킨다. 이러한 거동에 대한 변화는, 알봉에서와 같이, 기존 구조를 따라 화구 개방을 가능케 하였다. A>1이면, 일관성 없는 함몰을 정의하는, 외측경사 역단층이 예상되고(Roche et al., 2000) 칼데라가 함몰 후의 화산작용 동안 그러한 효과적인 퇴각을 제공하지 못할 것이다. 나리 칼데라에서와 같이, 칼데라 바닥 기하학의 복잡성은 역시 반복적으로 침하되는 칼데라 내에서 함몰 후 화구들의 분산 또는 횡단 분포에 의해서도 지시되고 있다.