남부 푸나 고원 지각·상부 맨틀 탈층 현상, 국소 지진 단층촬영으로 밝히다

초록

75개의 임시 관측소(2007‑2009)에서 수집한 지진 도착시간을 이용해 Vp와 Vp/Vs 비율을 역산한 결과, 남부 푸나 고원에서는 화산 중심부 아래에 저속 영역이 나타나 마그마 존재를 시사한다. 반면, 시에라스 팜페아나 남동 저지대와 모호 아래(≈90 km)에서는 고속 영역이 확인되었으며, 이는 하부 지각·상부 맨틀이 탈락한 ‘델라미네이션’ 블록으로 해석된다. 탈층으로 인한 유체·용융물 상승이 저속 지각을 만들고 고원을 상승시켰으며, 오호스 델 살라도 화산대와 100‑150 km 깊이의 전단대 지진군을 연결하는 저속 통로가 관측돼 슬래브 탈수에 의한 맨틀 웨지 유동을 뒷받침한다.

상세 분석

본 연구는 남부 푸나 고원(아르헨티나·볼리비아 경계)의 지각·상부 맨틀 구조를 고해상도 국소 지진 단층촬영(local earthquake tomography, LET)으로 재구성한 최초 사례 중 하나이다. 2007‑2009년 기간에 설치된 75개의 임시 지진관측소에서 수집된 P‑파와 S‑파 도착시간을 이용해, 비선형 최소제곱 역전법으로 Vp와 Vp/Vs 비율을 동시에 추정하였다. 데이터 전처리 단계에서는 관측된 도착시간의 편차를 기준으로 잡음 제거와 이벤트-스테이션 페어 선택을 수행했으며, 역전 과정에서는 3 km×3 km×3 km 격자(깊이 0‑120 km)를 적용해 공간 해상도를 확보하였다.

합성 테스트(synthetic tests)와 해상도 분석을 통해 주요 구조물의 검출 신뢰도를 검증하였다. 특히, 모호 아래 90 km 깊이에서 서쪽으로 연속된 고속 Vp 영역은 다양한 초기 모델과 파라미터 설정에서도 일관되게 재현되었으며, 이는 ‘델라미네이션 블록’이라고 명명된 하부 지각·상부 맨틀의 탈락체일 가능성을 높인다. 고속 Vp는 일반적으로 고밀도, 저온, 혹은 변성된 암석을 의미하는데, 여기서는 전통적인 하부 지각보다 더 높은 속도를 보이는 점이 탈락된 원래의 지각·맨틀이 아직 온도가 낮고, 화학적·물리적 특성이 보존된 상태임을 시사한다.

반면, 상부 지각(0‑15 km)에서는 주요 화산 중심(예: 오호스 델 살라도, 라고스 데 라스 라스) 아래에 저속 Vp와 높은 Vp/Vs 비율이 관측되었다. Vp/Vs 비율이 1.78‑1.85 수준으로 상승한 구역은 유체·용융물 함량이 높은 암석을 의미한다. 이는 탈층 과정에서 하부에서 상승한 고온·고압 유체가 상부 지각에 침투해 부분 용융을 일으키고, 화산 활동을 촉진했음을 의미한다.

또한, 남동 저지대(시에라스 팜페아나 남쪽)에서는 지각 중부(~30 km)에서 고속 Vp가 나타나, 이 지역이 비교적 안정된 ‘잔류 지각’임을 보여준다. 이러한 구조적 대비는 탈층이 국지적으로 진행되었으며, 탈락 블록이 남서쪽으로 이동하면서 주변 지각에 압력 해소와 상승을 유발했음을 뒷받침한다.

슬래브와 관련된 저속 통로는 오호스 델 살라도 화산 중심과 100 km·150 km 깊이의 전단대 지진군을 연결한다. 이 저속 영역은 Vp/Vs가 1.80 이상으로, 슬래브 탈수에 의해 방출된 물이 맨틀 웨지에 침투해 부분 용융을 일으키는 ‘유체 플럭싱(fluid fluxing)’ 현상을 나타낸다. 따라서, 푸나 고원의 고도 상승과 화산활동은 단순히 지각 두께 증가가 아니라, 하부 지각·맨틀 탈락과 그에 따른 유체·용융물의 상승이 복합적으로 작용한 결과로 해석할 수 있다.

본 연구는 기존의 중력·지진학적 모델과 일치하면서도, 고해상도 Vp·Vp/Vs 3차원 이미지가 제공하는 세부 정보를 통해 탈층 메커니즘을 정량적으로 평가한다. 다만, 관측망의 공간적 한계와 이벤트 수의 제한으로 인해 90 km 이하 깊이에서는 해상도가 다소 낮으며, 향후 장기 관측망 확대와 고정밀 지진파 전산모델링이 필요하다.