과학자들이 이탈리아 캄피 플레그레이의 불안을 진정시키는 열쇠를 발견했습니다.

2022년 이후 이탈리아 남부 지역을 강타한 지진의 떼는 강도가 점점 더 강해지면서 캄피 플레그레이(Campi Flegrei)로 알려진 화산 지대에서 사는 수십만 명의 주민들을 위협하고 있습니다. 캄피 플레그레이는 지반이 완만한 수직 이동을 보이는 곳입니다. 당국이 재난 대응 및 대피 지침을 논의하는 동안, 연구진은 이러한 순환적 불안정을 완전히 해소할 방법을 찾아냈을지도 모릅니다. 바로 유출수를 관리하거나 지하수위를 낮춰 지열 저장고 내부의 유체 압력을 낮추는 것입니다.

스탠퍼드 대학교 과학자들은 지하 이미징과 실험실 실험을 통해 캄피 플레그레이 지하 저류층의 물과 수증기로 인한 압력 상승이 캡록(덮개암)이 닫힐 때 지진으로 이어질 수 있음을 보여주었습니다. 5월 2일 Science Advances 에 발표된 이 연구는 과압 저류층의 반복이 1980년대 초와 지난 15년 동안 발생한 변형과 ​​지진 활동의 원인임을 보여주며, 궁극적으로 근본적인 메커니즘을 규명하는 데 기여했습니다.

이번 연구 결과는 마그마나 그 가스가 얕은 깊이로 상승하면서 진동이 발생한다는 널리 알려진 이론에 이의를 제기합니다. 즉, 깊은 용융대에서 용융된 물질이 화산 지역 아래의 상부 지하로 이동할 때 진동이 발생한다는 것입니다. 또한, 물이 저수지에 서서히 재충전되는 속도가 지형의 변형 속도와 높이 변화에 어떻게 영향을 미치는지도 밝혀냅니다.

스탠포드 도어 지속가능성 대학의 지구 및 행성 과학 부교수이자 이번 연구의 수석 저자인 티지아나 바노리오는 "문제를 해결하려면 표면 유출과 물 흐름을 관리하거나 우물에서 유체를 뽑아 압력을 낮출 수도 있습니다."라고 말했습니다.

연구진은 캄피 플레그레이에서 가장 최근 두 차례의 불안정한 시기에 발생한 지하 구조물과 지진의 영상에서 반복적인 패턴과 공통적인 특징을 분석했습니다. 지표면 융기와 폭발적인 진동, 그리고 이 지역의 특징적인 특징이 된 우르릉거리는 소리가 특징인 이 활동은 지진으로 인한 균열 과정에서 액체 물이 빠르게 증기로 변할 때 발생하는 증기 폭발을 나타내는 것으로 추정됩니다. 이 연구는 1982년부터 1984년까지와 2011년부터 2024년까지의 불안정한 시기에 발생한 데이터를 포함합니다.

"수십 년 간격을 두고 발생한 사건을 연구해 왔지만, 영상에는 심오한 유사점이 있습니다. 이는 현상의 주기적 패턴뿐만 아니라 공통된 근본 ​​원인을 시사합니다."라고 이탈리아 나폴리 페데리코 2세 대학교 연구원이자 스탠퍼드 대학교 방문 학자인 공동 저자 그라치아 데 란드로는 말했습니다. "바로 거기서 공동 연구, 특히 암석 물리학을 연구하자는 아이디어가 시작되었습니다. 암석 물리학을 활용하는 것은 지하 영상에 대해 정량적으로 설명할 수 있는 유일한 방법입니다."

캄피 플레그레이 화산 지대는 나폴리와 베수비오 산 서쪽, 포추올리 마을 아래에 위치한 봉우리 모양의 지열 저수지입니다. 1982년에서 1984년 사이에 발생한 폭동 이후 이 지역은 지속적으로 감시되어 왔습니다. 당시 지반이 1.8미터 이상 상승하고 포추올리 항구가 너무 얕아져 선박이 정박할 수 없게 되었습니다. 그 후 규모 4의 지진과 수천 건의 미소지진으로 포추올리 주민 4만 명이 대피했습니다.

"지난 3년 동안 정말 힘들었습니다. 계속되는 진동으로 많은 건물이 파손되었고, 어떤 사람들은 집도 없습니다." 포추올리에서 자라 1980년대에 대피해야 했던 바노리오는 말했다. "이 프로젝트는 이제 단순한 지구물리학자가 아니라 시민으로서 제 목표입니다. 이 연구는 불안을 단순히 감시하는 데 그치지 않고 관리할 수 있음을 시사하며, 이를 통해 예방의 길을 열어주기 때문입니다."

'숨쉬는' 땅

캄피 플레그레이는 폭 8마일(약 12.6km)의 칼데라로, 약 3만 9천 년과 1만 5천 년 전의 대규모 분화로 형성된 거대한 함몰지입니다. 이 분화는 지구 표면의 붕괴를 초래했습니다. 칼데라는 융기와 침강을 반복하며, 분화가 없더라도 땅은 솟아오르고 가라앉습니다. 1982년과 1984년의 소요 사태 이후 이 지역은 약 90cm(3피트) 정도 가라앉았습니다. 침강이 일어나려면 지하에서 마그마, 물, 수증기, 이산화탄소 등의 물질이 분출되어야 합니다.

포추올리 주민들은 칼데라가 "숨 쉬는" 방식을 관찰합니다. 칼데라는 연기를 내뿜고 지면을 움직이며, 짧은 시간 동안 몇 미터 위아래로 움직이기도 합니다.

역사적으로 화산 지역의 융기는 마그마 관련 재충전 과정과 관련이 있는 것으로 널리 받아들여져 왔습니다. 이는 마그마 및/또는 그 가스가 변형과 지진의 주요 원인이라고 가정하는 것입니다. 하지만 연구 결과에 따르면 항상 그런 것은 아닐 수 있습니다. 일부 연구자들은 지난 10년 동안 강수량과 지진 활동의 관계를 연구하기 시작했지만, 바노리오는 이 연구에서 강수량 자체가 아니라 밀폐된 저수지에 물이 느리지만 꾸준히 축적되면서 발생하는 압력이 균열을 유발하고, 결과적으로 진동을 유발한다는 점을 명확히 밝혔습니다.

바노리오는 "지난 24년 동안 연간 강수량 변화가 증가하고 있다는 것을 알고 있으므로, 지하에 축적되는 지하수 수위를 모니터링하거나 유출수가 직접 흐르도록 해야 합니다."라고 덧붙였습니다.

폐쇄된 시스템

캄피 플레그레이의 주목할 만한 특징 중 하나는 지열 저장고 꼭대기에 있는 덮개암의 섬유질 특성입니다. 섬유질 재료는 즉시 파쇄되지 않고 변형될 수 있기 때문에 공학에서 구조 보강용으로 사용됩니다. 섬유질 재료는 응력을 축적할 수 있으며, 화산계에서는 과열된 물, 증기, 화산재의 갑작스러운 분출을 통해 이러한 응력이 방출될 수 있습니다.

연구진은 지열 저장고의 재충전과 압력 상승을 이해하기 위해 24년간의 강우 패턴, 지하수 흐름 방향, 그리고 캡록 밀봉 과정을 조사했습니다. 바노리오의 암석 물리 및 지구재료 연구실에서, 그들은 캡록의 균열이 암석 광물과 열수 및 증기의 상호작용을 통해 어떻게 밀봉되는지를 보여주었습니다.

캡록의 특성을 시험하기 위해, 연구 저자들은 많은 이탈리아인들에게 친숙한 도구인 모카포트(스토브탑 에스프레소 머신)와 유사한 기능을 하는 열수 용기를 사용하여 실험을 수행했습니다. 그들은 바닥 용기에 소금물을 채우고, 윗부분에는 캄피 플레그레이 지역의 특징인 화산재와 부서진 암석을 채운 후, 용기를 지열 저장소의 온도까지 가열했습니다. 하루 만에 광물 섬유가 형성되었고, 암석층의 균열은 시멘테이션을 통해 빠르게 메워졌습니다.

이로 인해 폐쇄된 시스템이 형성되어 유체 압력이 축적되어 주변 암석을 파쇄합니다. 지진으로 인한 파쇄는 액체 물이 증기로 변해 분출되면서 유체 압력이 급격히 떨어집니다. 바노리오는 "이로 인해 이 지역에서 흔히 볼 수 있는 폭발음과 굉음이 발생합니다."라고 말했습니다.

연구자들은 캄피 플레그레이가 폐쇄된 시스템으로 작동하는 방식을 밝히기 위해 여러 학문 분야를 적용했는데, 여기에는 지진 기록을 사용하여 CT 스캔처럼 분석할 수 있는 지하 이미지를 구축한 지하 단층촬영도 포함되었습니다.

"지구물리학적 방법을 통해 지하를 영상화하는 것은 마치 구식 초인종 소리와 같습니다. 누군가 문을 두드린다는 것을 알려주지만, 누구인지는 알려주지 않죠. 따라서 단층촬영 이미지의 해석은 실험실에서 검증되어야 합니다. 이것이 지진학과 암석물리학의 협력이 그토록 강력한 이유입니다."라고 바노리오는 말했습니다.

새로운 모델

단층촬영법 분석과 지진 발생 위치 및 범위 분석은 반복적인 지진이 마그마 재충진이나 시스템 내 가스 방출에 의한 것이 아닐 수 있다는 연구자들의 이론에 기여했습니다. 두 차례의 불안정한 상황 모두에서 지진은 약 1마일(약 1.6km) 깊이의 비교적 얕은 암반층에서 시작되었습니다.

"지진의 시간적 진화를 시각화하면 매우 명확한 패턴을 볼 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 지진이 더 깊어집니다." 두 차례의 지진 데이터를 시각적으로 해석하기 위해 결합한 지구 및 행성 과학 박사후 연구원이자 공동 저자인 티안양 궈의 말입니다.

만약 마그마나 그 가스가 얕은 깊이로 상승하는 것이 불안정의 주요 원인이라면, 연구진에 따르면 정반대의 패턴, 즉 지표면 아래 약 8km 깊이의 더 깊은 용융 영역 근처에서 시작하여 시간이 지남에 따라 점차 얕아지는 지진이 발생할 것으로 예상됩니다. 또한, 분출 없이 마그마가 상승하는 것만으로는 불안정 이후의 침강을 설명할 수 없다고 바노리오는 말했습니다. 침강에 대한 그럴듯한 설명은 지진 활동으로 인한 균열 후 관측된 물과 증기의 배출이며, 이는 자연스럽게 저류층 내부의 압력을 방출합니다.

연구진은 캄피 플레그레이의 내부 작동에 대한 새로운 모델을 통해, 불안정한 시스템에서 불안을 유발하는 메커니즘을 이탈리아 지방 정부 관리들에게 전달하고자 합니다.

"저는 이것을 지질학의 완벽한 폭풍이라고 부릅니다. 폭풍을 일으킬 모든 요소가 갖춰져 있죠. 바로 시스템의 버너, 즉 녹은 마그마, 지열 저장소의 연료, 그리고 뚜껑입니다."라고 바노리오는 말했다. "버너에 직접 개입할 수는 없지만, 연료를 관리할 힘은 있습니다. 수로를 복원하고, 지하수를 모니터링하고, 저장소의 압력을 관리함으로써 지구과학을 예방적 건강 관리와 같은 보다 적극적인 접근 방식으로 전환하여 위험을 조기에 감지하고 불안이 발생하기 전에 예방할 수 있습니다. 이것이 바로 과학이 사회에 기여하는 방식입니다."

바노리오 연구실의 전 박사후 연구원인 다비데 제레미아가 이 연구의 공동 저자입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250502182509.htm