울릉도 나리 칼데라의 형태와 다단계 진화의 해석

1. 서 언

울릉화산 전체는 동해 해저로부터 솟아났으며(그림 1a) 수면 위에 드러난 부분은 높이가 986 m이고 면적이 72.6 km²이다(그림 1b). 이 섬은 현무암질 용암과 관련 지표쇄설 퇴적물과 조면암질 용암돔 및 용암류의 범위까지 노출시킨다. 가장 최근 화산작용은 나리 칼데라라고 부르는 칼데라 내에 집중되어 있다. 이와 같은 어린 칼데라는 침식이 적어 잘 보존된 분출 형태를 가지고 있지만, 일반적으로 지하구조, 침하심도, 또는 공급 마그마 저장고에 관련된 정보를 명쾌하게 제공하지 못한다.

Fig. 1.

(a) Physiographic map, (b) topographic map with 50 m contour interval, and (c) geological map of Ulleung Island after Hwang et al. (2012). The rectangular boxes in both maps represent the location of Fig. 2 and 3.

울릉화산은 고기의 복성화산(composite volcano)으로서 정상 북쪽에 나리 칼데라와, 그 내에 최근의 알봉 용암돔을 가진다(그림 1c). 따라서 이 화산은 복식복성 화산으로서 베수비우스(Vesuvius) 화산을 닮은 솜마(Somma)형 화산이라고 할 수도 있다. 칼데라는 폭발성 분출 동안 불연속적으로 소규모 정상 함몰과 함께 형성되었으며, 새로운 용암돔은 불안정기를 지나 비교적 안정기에 지속적인 스트롬볼리언 분출과 함께 분류성 활동에 의해 성장하였다(Hwang et al., 2020). 불안정기에는 >18,800년 전에 저플리니언 분출에 의해 봉래분석층이 퇴적되었고, 18,800～5,600년 전에 플리니언 및 수증기플리니언 분출에 의해 말잔등응회암이 퇴적되었다.

개별 칼데라들은 기하학적으로 복잡하며 1개 이상의 구조 유형과 침하 과정의 요소들을 포함하는 경우가 있다(Lipman, 1984; Walker, 1984; Branney, 1995). 솜마형 칼데라는 일반적으로 이들의 내부에 후기 화산구를 가지는 아원상 구조로 나타난다(Simkin and Siebert, 1994). 솜마형 칼데라는 “카라카토아(Krakatoa)” 칼데라의 한 예이며, “1개 이상의 화구로부터 혹은 측면의 환형 열극으로부터 규질 부석의 폭발성 분출을 뒤따르는 큰 복합화산 상단부의 침몰”에 의해 형성된다고 하였다(Williams and McBirney, 1979). 최근까지, 나리 칼데라의 형성은 막연히 말잔등응회암을 퇴적시켰던 폭발성 분출의 결과라고 간주하였다. 나리 칼데라의 전체 형태는 거의 원형에 가깝지만, 그 범위를 남쪽의 큰 계곡부로 확대하면 비대칭 모양을 보여준다. 이 계곡부에는 말잔등응회암층의 전부가 두껍게 분포하기 때문에 이 칼데라가 이전부터 이미 존재했음을 암시한다(Kim et al., 2014). 나리 분지에서 지형에 따른 화산학적 해석은 기존 칼데라의 존재에 관해 적지 않은 의문을 해소할 수 있다(그림 2).

Fig. 2.

Geological map of Nari caldera region, showing the bounding ring faults and topographic rims.

나리 분지에는 지형적 근거에 의해 적어도 2개의 칼데라, 즉 칼데라 복합체(caldera complex)를 확인할 수 있다. 이 구조는 여러 차례 수직 함몰의 결과이었을 것으로 보인다. 이러한 원인 물질로서 칼데라-형성 끓어넘침 분출 및 플리니언 분출에 의해 잠재적으로 가능한 여러 화성쇄설층이 인식되었지만(Hwang et al., 2012; Kim et al., 2014), 지금까지 다단계의 칼데라 형성을 구체적으로 풀어내지 못했다. 원인 물질에 의하면 칼데라 함몰은 봉래 용결응회암과 말잔등응회암 N-4C 응회각력암을 퇴적시킨 폭발성 분출 동안 일어났음을 암시하며, 이 분출은 대략 40 ka와 11 ka로 측정되었다(Okuno et al., 2010; Shiihara et al., 2011; Im et al., 2012; McLean et al., 2020). 나리 칼데라의 비대칭 모양은 언뜻 보기에 측방 함몰의 가능성을 암시하는데, 실제로 지질학적 혹은 화산학적 추적에 의하면 “고기 칼데라와 혼돈적 산사태를 일으킨 격동적인 사건”에 관련된다는 것을 배제할 수 없다.

이 논문은 중첩된 칼데라의 형태로부터 반복적인 수직 함몰을 유도했던 사건의 입증과 시기를 통해 이 칼데라의 다단계 진화를 복원하였다. 이 연구는 다음과 같은 (1) 야외조사 및 지형관찰, (2) “칼데라-형성” 분출에 관한 층서적 복원, (3) 특히 칼데라 함몰에 관련되는 층서단위를 중심으로 수행되었다.

2. 지질개요

울릉화산은 현무암질, 조면안산암질, 조면암질 및 포놀라이트질 용암과 화성쇄설암, 그리고 이들로부터 나온 지표쇄설 퇴적층의 범위까지 노출시킨다. 이 화산은 부정합 및 조성차이에 의해 하부로부터 도동현무암질암류, 울릉층군, 성인봉층군과 나리층군의 4개 층군으로 구분되었다(그림 1c; Hwang et al., 2012).

도동현무암류는 현무암질 용암 및 유리쇄설성 퇴적층의 연속체(1.43~0.97 Ma; Brenna et al., 2014)이고 이의 기저는 노출되지 않는다. 울릉층군은 조면암질 각력암 및 용암류(1.25~0.51 Ma)로 구성되고, 성인봉층군은 조면암질 화성쇄설암 및 용암류(0.73~0.23 Ma)와 포놀라이트질 용암돔으로 구성된다. 나리층군은 포놀라이트질 화성쇄설층과 조면안산암질 분석층 및 용암돔으로 구성되고 봉래분석층, 말잔등응회암, 나리분석층, 알봉조면암과 죽암분석층 순으로 구분된다(그림 1c, 2).

말잔등응회암은 ¹⁴C 연령측정에 의하면 약 18.8~5.6 ka에 분출되었고(Okuno et al., 2010; Shiihara et al., 2011; Im et al., 2012) 두꺼운 화성쇄설 연속체이다. 이외에 60～61 ka U-Sado 및 40.1 ka U-Ym 테프라가 울릉도에서 유래되었다고 최근 보고되었다(Lim et al., 2013; McLean et al., 2020). 이때 일련의 칼데라 함몰이 수반되었으며, 이 섬의 중앙부에 원형 저지인 나리 칼데라를 형성하였다(그림 2).

3. 나리 칼데라의 형태

칼데라에 대한 구조적 및 형태적 요소에는 기본적으로 지형적 외륜(topographic rim), 내측 칼데라 벽(inner caldera wall), 경계 단층(bounding fault), 구조적 칼데라 바닥(structural caldera floor), 칼데라내부 충전물(intracaldera fill), 하위의 마그마 챔버 등이 포함된다(Lipman, 1984, 1997).

나리 칼데라는 북쪽으로 열린 원형 극장 모양을 하지만 남쪽에 만곡상으로 나와서 비대칭을 이룬다(그림 1b, 3). 이 칼데라를 경계짓는 타원상 외륜은 북쪽에서 칼데라 바닥 위로 <100 m 높이로 솟아있고 남쪽에서 최고 600 m 높이까지 도달한다(그림 1b). 칼데라 북서부는 알봉 용암돔이 위치하는데, 칼데라 바닥에서 약 120~150 m 솟아있다(그림 4a).

Fig. 3.

Schematic map of the Nari caldera complex summarizing the main structural and morphological features of the calderas.

Fig. 4.

Main morphological features in the Nari caldera complex. (a) Overview of the Nari caldera complex, showing opening rim northward; (b) Morphological feature showing dendritic pattern in the southern caldera wall; (c) Morphological feature with scalloped pattern in the western caldera wall; (d) Feature exhibiting scalloped pattern in the middle part and covered with rock-falling scree deposits in the lower part of the eastern caldera wall.

나리 칼데라의 지형적 외륜은 3.4 km 직경의 동서 주축을 가지는 거의 타원상 모양을 이루고 남쪽으로 만곡상을 나타낸다(그림 3). 그래서 이 외륜은 미륵산과 말잔등을 경계로 하여 3개 서쪽, 남쪽 및 동쪽 외륜으로 구분할 수 있다(그림 4a). 그러나 북쪽 외륜은 열린 부분으로 정의되지 않는다.

4. 폭발성 분출과 칼데라 함몰

나리 칼데라 함몰에 관련된 원인 물질은 봉래분석층 하부와 말잔등응회암 기저와 중부에 존재하며, 봉래 용결응회암(아마도 40 ka), 말잔등 이전 각력암(>18,8 ka), 말잔등응회암의 멤버 N-4 화성쇄설암(11 ka) 등이다.

4.1 봉래 용결응회암과 끓어넘침 분출

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.

5. 토 의

칼데라는 화산 지역에서 아원형 저지이며, 직경이 2 km 이상으로서 분화구의 지름보다 더 큰 것이다(Williams, 1941). 미국의 라 가리타(La Garita)처럼 직경이 35×75 km에 이르는 것도 있다(Steven and Lipman, 1976). 칼데라는 수백 m에서 수 km까지 다양한 침하심도로 함몰한다. 이들의 모양은 아원형 또는 더 흔하게 타원형일 수 있다.

칼데라는 분류성이나 폭발성 분출 동안 마그마 챔버를 비우는 것의 지표 표현이다. 함몰 전에 어느 시점에서 마그마챔버 내의 감압의 결과로서, 저장고의 지붕이 함몰되어 지표면에서 저지를 형성할 때 만들어진다(Williams, 1941; Druitt and Sparks, 1984; Branney, 1995; Lipman, 1997). 일단 함몰이 시작되면, 휘발성이 풍부한 마그마의 대부분 혹은 전부를 챔버에서 밀어낼 것이다.

5.1 나리 칼데라의 규모

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.

Table 1.

Caldera elements and calculated volumes for the Nari caldera.

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).

5.2 나리 칼데라의 진화단계

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.

6. 결 론

나리 칼데라는, 40 ka(혹은 60 ka) 봉래 용결응회암과 11 ka 말잔등응화암 N-4의 분출 동안 형성되었으며, 한정된 침식 절개로 이의 내부구조에 대해 확실한 해석을 하기에 한계가 있다. 그러한 중첩된 함몰의 기하학적 구조는, 개개의 큰 폭발성 분출 동안 칼데라 함몰과 규모가 다르지만, 유사한 과정을 동반할 수 있고 많은 화쇄류 칼데라의 특성을 나타내는 다단계의 함몰 역사를 보존하고 있다.

나리 칼데라는 적어도 두 차례 수직함몰의 결과이며, 이 화산의 원래 산봉은 현재 성인봉의 북쪽 가까이에 있었다. 봉래 용결응회암은 끓어넘침 분출에 의한 고온 화쇄류의 정치에 의해 형성되고, 산사태 각력암은 고기 칼데라 벽의 산사태에 의한 암설류의 정치를 나타내며, 멤버 N-4 응회각력암은 고밀질 분연주의 붕괴에 따른 치밀한 화쇄류의 정치에 의해 형성되었다.

성인봉 북쪽에서 선기 성인 칼데라는 지하에 있는 마그마 챔버로부터 상승하는 마그마의 끓어넘침 분출, 후기 나리 칼데라는 화쇄류-형성 분출로 비워진 결과로서 형성되었다. 그러나 고기 칼데라는 현재 형태와 환상단층의 매몰로 인해 그 수직 변위를 정확히 알아낼 수 없다. 칼데라 바닥이 충적선상지 퇴적층으로 덮인 관계로 그 계단식 모양을 잃었기 때문이다.

나리 칼데라는 우선 외형적으로 보면 피스톤 모양의 블록 함몰에 의한 결과이며, 지붕 종횡비가 A>1이므로 큰 칼때기형 함몰에 속한다. 나리 칼데라 블록은 약 750 m 이상의 수직 변위를 갖는데, 이는 모두 환상단층을 따라 축적되었다. 환상단층은 외측경사 역단층이 형성되고 뒤따라 외곽부에 내측경사 정단층이 형성되었다. 그러므로 우리는 나리 칼데라의 현재 외측 경계가 플리니언 분출 동안 천부 레벨의 성숙한 마그마 챔버의 대규모 배출 후에 반복적 함몰에 의해 형성되는 다단계 칼데라 외륜의 형태적 진화의 결과이라고 결론짓는다.

Acknowledgments

이 연구는 기상청 연구비(KMI2018-01610)에 의해 지원되었다. 우리는 한국지질자원연구원의 최근 제작된 지질도에 따라 작업을 진행하였다. 지형 자료는 울릉군청 최희성님이 흔쾌히 제공하였으며 이에 감사한다. 심사과정을 통하여 원고를 다듬어준 두 분의 심사위원께 사의를 표한다. 그림 제작은 안동대 화산학실험실 현혜원의 도움이 있었다.

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