고점도 조장석 용융체의 온도, 압력, 수분 함량에 따른 H2O 기포 크기 분석 연구

국문 초록 (Abstract)

백두산은 아시아에서 가장 위험한 활화산 중 하나로 하부는 반려암질 순상화산으로, 상부는 유문암질 성층화산으로 이루어져 있으며, 유문암질 마그마방의 경우 지하 10-15 km 깊이에 존재하는 것으로 알려져 있다. 또한 섭입대의 칠레형(Chilean type) 화산호에서는 해양 및 대륙 기원의 퇴적물에 의해 고수분의 유문암질 마그마가 존재할 수 있다. 화산 폭발의 원동력은 마그마 내 휘발성 유체가 용출되어 발생하는 기포의 형성 및 진화에 기인하며, 기포의 빠른 성장은 폭발적 분출을 야기할 수 있다. 본 연구에서는 유문암질 마그마의 모델 시스템인 조장석 용융체를 이용하여 과포화된 고점도 용융체에서의 기포 경향을 확인하였다. 고압실험을 위한 원시료인 비정질 조장석은 Na2CO3, Al2O3, 및 SiO2 파우더를 사용해 합성하였다. 이후 마그마방 환경을 모사하기 위해 멀티 앤빌 프레스와 피스톤 실린더를 이용하여 0.5－1.0 GPa, 1000－1400℃의 환경을 구현하였으며 용해도 이상의 물을 첨가하여 과포화 상태의 함수 비정질 조장석을 합성하였다. BSE 이미지에서 비정질 조장석 시료 내에 수－수십 마이크로 크기의 기포 형성과 압력의 증가 및 온도의 감소에 따라 기포 성장이 지연되어 기포의 크기가 뚜렷하게 감소함을 확인하였다. 라만 분광분석 결과, NBO/T 값은 약 0.17로 기포 경향에 중합도의 영향이 미미할 것으로 생각된다. 함수량 분석 결과, 기포 용출 후에도 용융물은 여전히 용해도 이상의 함수량을 가지며 이는 급속냉각 시의 재흡수 등에 기인할 수 있다. 섭입대 등에서 발생하는 고수분 고점도 마그마의 분출형 분화는 감압과 함께 일정 온도 이하로 냉각된 마그마에서 융합의 지연으로 생성된 탈가스 경로로 휘발성 성분이 다수 빠져나가기 때문에 발생할 수 있다. 본 연구에서는 고수분 고점도 조건의 비정질 조장석에서 기포 경향을 분석하고 그의 원인을 알아내고자 하였다. 고점도 용융물에서 폭발성의 제어 요인 중 하나인 기포 성장 과정을 확인하였으며 이를 통해 폭발적 분출 매커니즘의 이해를 고양할 수 있을 것으로 기대된다. 추후 저압, 저온 조건의 추가실험을 통해 전체 마그마 시스템에서 기포의 경향과, 기포가 폭발성에 미치는 영향을 정량화하는 연구가 필요할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Mt. Baekdu is one of Asia's most hazardous active volcanoes. Its lower structure consists of a basaltic shield volcano, while the upper part comprises a rhyolitic stratovolcano. The rhyolitic magma chamber is reported to exist at a depth of 10-15 km. In Chilean-type volcanic arcs formed in subduction zones, hydrous rhyolitic magma can develop due to sediments of oceanic and continental origins. The driving force of volcanic eruptions arises from the formation and evolution of bubbles, which result from the exsolution of volatile fluids within the magma. Rapid bubble growth can lead to explosive eruptions. This study investigated bubble behavior in oversaturated highly viscous melts using albite melt as a model for rhyolitic magma.
Amorphous albite, the starting material for high-pressure experiments, was synthesized using Na2CO3, Al2O3, SiO2 powders. To simulate magma chamber conditions, we used a multi-anvil press and a piston cylinder apparatus under conditions of 0.5-1.0 GPa and 1000–1400℃. Hydrous amorphous albite in an oversaturated state was synthesized by adding water exceeding the solubility limit. Back-scattered electron (BSE) imaging revealed the formation of bubbles ranging from several to tens of micrometers within the amorphous albite. Bubble growth was inhibited as pressure increased and temperature decreased, resulting in a significant reduction in bubble size.
Raman spectroscopy analysis indicated an NBO/T value of approximately 0.16, suggesting that the degree of polymerization had minimal influence on bubble behavior. Water content analysis revealed that, even after bubble exsolution, the melt retained water content above the solubility limit, potentially due to reabsorption during rapid quenching. Explosive eruptions in high-viscosity, water-rich magma systems, such as those in subduction zones, may result from extensive degassing pathways formed during decompression and cooling below a certain temperature, delaying coalescence.
This study aimed to analyze bubble behavior and its underlying causes in hydrous highly viscous albite melts.. By examining bubble growth—a key factor in controlling explosivity in highly viscous melts—we seek to enhance the understanding of explosive eruption mechanisms. Future research involving additional experiments under lower pressure and temperature conditions will be necessary to quantify bubble behavior and its impact on explosivity across the entire magma system.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures ⅲ
• List of Tables ⅵ
• 국 문 요 약 ⅶ
• I. 서론 1
• 1. 기포 진화(Vesiculation) 1
• 2. 기포 크기 분포 이론 4
• 3. 고점도 고수분 마그마 분출 환경 7
• II. 시료 합성 11
• III. 고압 실험 방법 16
• 1. 기포 진화 프로토콜 (Vesiculation protocol) 16
• 2. 멀티앤빌프레스 (Multi-anvil press) 17
• 3. 피스톤 실린더 (Piston cylinder) 19
• IV. 분석방법 22
• 1. 주사전자현미경분석(SEM) 22
• 2. ImageJ 기포 경향 분석 22
• 3. 라만 분광분석(Raman) 23
• 4. 퓨리에 변환 적외선 분광분석(FTIR) 23
• 5. 열중량분석(TGA) 23
• 6. 1H 고상 핵자기 공명 분광분석(1H MAS NMR) 24
• Ⅴ. 결과 25
• 1. 주사전자현미경분석 (SEM) 25
• 1) 후방산란전자이미지(BSE) 관찰 결과 25
• 2) 0.5 GPa 조건의 기포 크기 분포 28
• 3) 1.0 GPa 조건의 기포 크기 분포 30
• 2. 중합도 분석 36
• 3. 함수량 분석 40
• 1) 퓨리에 적외선 분광분석 (FTIR) 40
• 2) 열중량 분석 (TGA) 42
• 3) 1H 고상 핵자기 공명 분광분석 (1H MAS NMR) 45
• VI. 토의 47
• 1. 기포 경향과 화산 탈가스 유형 47
• 1. 고수분 용융체 함수량 분석 50
• Ⅶ. 결론 54
• 참고문헌 56
• ABSTRACT 61