마그마 역학을 밝히는 클리노피록시엔 격자 변형 모델

초록

본 연구는 마피알칼리성 마그마에서 클리노피록시엔이 REE+Y와 HFSE를 어떻게 분배하는지를 정량화하기 위해 P‑T‑H₂O‑격자 변형 모델을 개발하고, 이를 이탈리아 에티나 화산의 최근 분출에 적용하였다. 압력·온도·수분 함량에 따른 클리노피록시엔의 조성 변화를 바탕으로 D₀, r₀, E 세 격자 변형 매개변수를 도출함으로써, 마그마 저장 깊이와 수분 함량을 추정하고, 클리노피록시엔 분별이 REE+Y/HFSE 패턴을 지배한다는 결론을 얻었다.

상세 분석

이 논문은 마피알칼리성 마그마(MAM)에서 클리노피록시엔(Cpx)이 REE+Y와 HFSE의 운반체 역할을 수행한다는 점에 주목한다. 기존 연구들은 Cpx가 높은 D값을 보이는 이유를 주로 구조적 격자 변형(lattice strain) 효과로 설명했지만, MAM 특유의 고온·고압·고수분 환경을 반영한 정량적 모델은 부족했다. 저자들은 먼저 Cpx‑melt 사이의 교환 평형식을 재정의하여, jadeite–melt, jadeite/Ca‑Tschermak–diopside‑hedenbergite 교환 반응을 포함한 새로운 압력·온도·수분(PT‑H₂O) 바리오메트리와 테르모메트리를 구축하였다. 이 방정식들은 실험 데이터베이스(>200개의 Cpx‑melt 쌍)를 기반으로 회귀 분석을 통해 보정되었으며, 특히 H₂O 함량이 0–6 wt% 범위에서 D값에 미치는 비선형 효과를 정밀하게 반영한다.

격자 변형 매개변수 D₀, r₀, E는 Brice(1975)와 Blundy‑Wood(1994)의 이론을 토대로, 각 원소의 이온 반경과 Cpx의 M2·M1 사이트 탄성 상수를 결합한 식으로 표현된다. 여기서 D₀는 무변형 상태에서의 분배계수이며, r₀는 최적 이온 반경, E는 사이트의 유효 탄성 계수이다. 저자들은 MAM 조성을 대표하는 합성 용액 모델을 사용해, 온도·압력·수분에 따른 D₀·r₀·E의 변화를 실험적으로 검증하였다. 결과는 특히 H₂O가 증가할수록 Cpx의 Ca‑Tschermak 성분이 강화되어 r₀가 약간 감소하고, E가 감소함에 따라 D값이 전반적으로 상승한다는 것을 보여준다.

모델 적용 단계에서는 Mt. Etna의 2011–2013년 분출 샘플을 대상으로 Cpx와 동반 마그마의 조성을 분석하고, 위에서 구축한 PT‑H₂O‑격자 변형 모델을 역산하였다. 역산 결과, 초기 저장 깊이는 약 12–15 km, 온도는 1150–1220 °C, 수분 함량은 2.5–4.0 wt%로 추정되었다. 또한, Cpx 분별이 진행될수록 DREE+Y/DHFSE 비가 1.2–1.8 범위로 변동하며, 이는 관측된 REE+Y/HFSE 패턴을 정확히 재현한다. 이러한 결과는 Cpx가 MAM에서 REE+Y와 HFSE의 분별을 주도하고, 마그마 상승·분출 전 단계에서 물 함량과 압력 변동을 기록한다는 중요한 의미를 갖는다.

이 모델의 강점은 (1) MAM 전용으로 보정된 PT‑H₂O 바리오메트리와 격자 변형 매개변수를 통합함으로써, 기존의 일반적인 Cpx 모델보다 높은 정확도를 제공한다는 점, (2) 실험 데이터와 현장 화산암을 동시에 활용해 검증함으로써 현장 적용 가능성을 입증했다는 점, (3) D값을 직접 계산하는 대신 D₀·r₀·E를 물리‑화학적 변수와 연결시켜, 마그마 저장 조건을 역산하는 새로운 방법론을 제시했다는 점이다. 다만, 모델은 Cpx 외에 olivine·plagioclase·magnetite와의 다중 광물 상호작용을 아직 포함하지 않으며, 고수분·고압 조건에서의 비정상적인 용액 비활성화 현상을 완전히 설명하지 못한다는 한계도 있다. 향후 연구에서는 다중 광물 시스템에 대한 확장과, 비정상적인 용액 행동을 고려한 보정이 필요할 것으로 보인다.