사모아 열점

사모아 열점은 남태평양에 위치한 열점 화산으로, 지구 내부 깊은 곳에서 뜨거운 마그마가 상승하여 지각을 뚫고 분출하면서 화산섬을 형성하는 과정으로 설명된다. 이 열점 이론은 1963년 J. 투조 윌슨(J. Tuzo Wilson)에 의해 제안되었으며, 하와이 제도의 화산 활동을 설명하기 위해 처음 도입되었다.

이 이론에 따르면, 사모아 열점은 태평양 판이 서서히 이동하는 동안 일정한 위치에서 마그마가 지속적으로 분출하여 새로운 섬들을 만들어낸다. 태평양 판이 열점 위를 지나면서 뜨거운 열이 축적되고, 결국 마그마 기둥(plume)이 지각을 뚫고 상승하여 화산 활동을 일으키는 것이다. 이러한 과정이 반복되면서 일련의 화산섬들이 형성되는데, 사모아 제도(미국령 사모아와 사모아)를 포함하여, 우베아(Wallis Island, 월리스&푸투나), 니우라키타(Niulakita, 투발루), 그리고 해저에 잠긴 파스코 뱅크(Pasco Banks)와 알렉사 뱅크(Alexa Bank)까지 확장된다.

사모아 제도는 대체로 동서 방향으로 정렬되어 있으며, 이는 태평양 판이 이동하는 방향과 일치한다. 즉, 섬들은 판의 이동에 따라 점차 새로운 위치에서 생성되며, 가장 오래된 섬은 이미 침식이 진행되거나 해저로 가라앉은 반면, 현재 활발한 화산 활동이 진행되는 지역은 비교적 새로운 섬들이다. 이러한 섬들의 형성 과정은 하와이 제도의 사례와 유사하며, 지구 내부의 역동적인 지질 활동을 보여주는 중요한 증거 중 하나로 여겨진다.

일반적으로 하와이 열점과 같은 ‘고전적인’ 열점에서는 판이 이동함에 따라 열점에서 멀어질수록 섬의 나이가 점점 증가하는 경향을 보인다. 하와이 제도의 경우, 가장 새로운 화산섬은 고정된 열점 위에 위치한 카마에후아카날로아 해산(구 로이히 해산)이며, 이곳은 현재도 해저에서 활발한 화산 활동이 진행 중인 곳이다. 과거 카마에후아카날로아에서 이루어진 연구를 바탕으로 과학자들은 '하와이 모델'을 정립했으며, 이는 열점의 화산 활동을 설명하는 대표적인 이론으로 자리 잡았다.

그러나 사모아 열점은 기존 모델과 다소 다른 특징을 보이며, 학자들에게 여러 가지 수수께끼를 제기했다. 일반적인 열점 모델에서는 가장 동쪽의 섬이 가장 젊고, 서쪽으로 갈수록 오래된 섬들이 위치하는데, 사모아 제도의 경우는 다소 예외적인 현상이 관찰된다. 예를 들어, 동쪽 끝에 위치한 타우(Taʻū) 섬과 서쪽 끝의 사바이이(Savaiʻi) 섬 모두 최근 150년 내에 화산 활동을 경험했다. 사바이이에서는 1905년부터 1911년까지 마타바누(Mount Matavanu) 화산이 분출했으며, 타우 섬에서도 1866년에 분화가 기록되었다.

이러한 현상의 원인으로는 사모아 열점이 북쪽에 위치한 통가 해구(Tonga Trench)와 가까운 지리적 위치가 영향을 미친 것으로 추정된다. 사바이이 섬에서 남쪽으로 불과 100km 떨어진 통가 해구와의 상호작용이 열점 활동을 활성화시켜, 기존 열점 모델에서 예상되는 것보다 훨씬 많은 양의 용암이 분출된 것으로 보인다. 실제로, 사바이이 섬 전체가 100만 년 이내에 분출된 용암층으로 덮여 있을 정도로 화산 활동이 왕성했다. 이는 하와이 제도의 후기 화산 활동과 비교했을 때도 이례적으로 큰 규모였다.

지질학적 조사 결과, 사모아 열점에서 생성된 약 500만 년 된 고대 용암층이 존재하며, 이후의 분출이 이 위를 덮은 것으로 확인되었다. 더욱이, 과거에는 열점이 단일한 지점에서 작용한다고 생각되었으나, 후속 연구에서는 사모아 지역을 지나는 두 개의 ‘열점 경로’가 존재한다는 것이 밝혀졌다. 이에 따라, 사모아 지역의 화산들은 형성 시기와 지화학적 조성을 기준으로 각각 다른 열점에서 기원했는지를 구별해야 한다는 점이 강조되고 있다.

1975년, 지구물리학자 록니 존슨(Rockne Johnson)은 미국령 사모아 타우(Taʻū) 섬에서 동쪽으로 약 45km 떨어진 해저에서 바일룰루우(Vailuluʻu) 해산을 발견했다. 이후 국제 과학자 팀에 의해 연구된 바일룰루우 해산은 사모아 열점에서 형성된 가장 젊은 화산으로 평가받고 있다.

바일룰루우 해산의 정상부에는 활발한 해저 화산 활동이 이루어지는 나파누아(Nafanua)라는 화산 원뿔이 존재하는데, 이는 사모아 신화에 등장하는 전쟁 여신의 이름을 따서 명명되었다. 바일룰루우 해산에 대한 연구는 하와이 열점 모델과는 다른 열점의 작용 방식에 대한 또 다른 가능성을 제시하며, 기존 이론을 보완하는 새로운 모델을 탐구하는 계기가 되고 있다.

바일룰루우 해산과 하와이 열점의 카마에후아카날로아 해산(Kamaʻehuakanaloa)은 각각 사모아 제도와 하와이 제도의 가장 동쪽 끝에 위치한 해저 화산이라는 공통점이 있다. 그러나 두 화산 사이에는 중요한 차이점이 존재하는데, 바일룰루우 해산에서는 전형적인 톨레이아이트 현무암(tholeiitic basalt)이 전혀 발견되지 않았다는 점이다. 이 차이는 열점 활동이 지역에 따라 다른 방식으로 작용할 수 있음을 시사하며, 사모아 열점의 고유한 특징을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하고 있다.

사모아에서 관측된 후기 화산 활동은 기존에는 사모아 열점과 북쪽 통가 해구의 가까운 거리와 관련이 있다고 추정되었으나, 최근 연구에서는 그 범위가 확장되었다. 사모아 열점 경로에서 남쪽으로 약 60km 떨어진 파파투아 해산에서도 유사한 현상이 발견되었으며, 이 해산에서는 고제3기 시기의 해양 섬 현무암과 사모아 후기 화산 활동과 유사한 젊은 용암이 함께 존재하는 것으로 확인되었다. 이러한 연구 결과는 태평양 판이 통가 해구 북쪽 끝에서 굽힘 융기를 겪으면서 사모아 열점의 맨틀 물질이 녹아 최근에 분출했을 가능성을 시사한다.

사모아 열점 경로는 크게 동사모아 화산 지대와 서사모아 화산 지대로 나뉜다. 동사모아 화산 지대는 사바이이 섬에서 바일룰루우 해산까지 약 350km에 걸쳐 확장되며, 약 170km 길이의 두 개의 세부 경로가 존재한다. 북쪽 경로는 타마이이 해산에서 바일룰루우까지 이어지며, 남쪽 경로는 투틸라 섬에서 말루말루 해산까지 연결된다.

서사모아 화산 지대는 사바이이 섬 서쪽에서 알렉사 뱅크까지 약 1,300km에 걸쳐 확장된 오래된 화산들로 구성된다. 이 지역에서 가장 최근의 화산 활동은 약 2,400만 년 전으로 추정되며, 동니우라키타 해산에서는 약 4,200만 년에서 4,500만 년 전에 형성된 아라고 용암과 약 1,400만 년 전 사모아 순상화산 단계에서 형성된 젊은 용암이 함께 존재하는 것이 확인되었다. 서태평양 해산 지대에서는 온통 자바 고원 너머까지 확장된 1억 년 된 해산들이 존재하며, 이들 중 일부는 사모아 열점에서 기원한 것으로 보인다.

사모아 열점에서 생성된 맨틀 물질은 통가 호 북부의 타파히와 니우아토푸타푸 지역에서 약 280~300km 남쪽까지 이동하여 분출된 것으로 확인되었으며, 일부 용암은 라우 분지 북서부에서도 발견되었다. 이러한 현상은 사모아 열점에서 유래한 물질이 판 경계 지대에서 다시 융기하면서 새로운 화산 활동을 일으키고 있음을 보여준다.

사모아 열점에서 분출된 화산암을 분석한 결과, 일부 용암에서는 최대 7%까지 대륙 지각 기원의 퇴적물이 포함된 것으로 나타났다. 이는 맨틀에서의 섭입판 혼합이 이전에 예상했던 것만큼 균질하지 않으며, 지역적 차이에 따라 다른 방식으로 혼합될 수 있음을 시사한다.