아나힘 열점

아나힘 열점은 캐나다 브리티시컬럼비아 중부 내륙에 존재한다고 가정되는 열점으로, 아나힘 화산대의 화산 활동을 유발한 원인으로 제시되었다. 아나힘 화산대는 약 300km에 걸쳐 이어지는 화산과 마그마 활동 흔적들로 이루어져 있으며, 서쪽의 벨라 벨라 지역에서 동쪽의 퀘넬 부근까지 확장되어 있다. 일반적으로 화산은 판 경계에서 형성되지만, 아나힘 열점은 가장 가까운 판 경계에서 수백 킬로미터 떨어진 곳에 위치해 있어 특이한 지질학적 특징을 가진다.

이 열점 가설은 1970년대 세 명의 과학자에 의해 처음 제안되었으며, 이는J. 투조 윌슨의 열점 이론을 기반으로 한다. 윌슨의 이론에 따르면, 고정된 맨틀 플룸이 지표에 화산을 형성한 후, 북아메리카판의 이동으로 인해 화산이 점차 원래의 마그마 공급원과 분리되면서 활동이 약해지고 침식 과정을 거친다. 2001년 미국 지질학회에서 발표된 연구에서는 아나힘 열점이 깊은 맨틀이 아닌 상부 맨틀에서 기원한 플룸일 가능성을 제시했다. 이후 단층 촬영 분석을 통해 깊이 약 400km에 이르는 저속도 이상대가 확인되었으며, 이는 상승하는 맨틀 플룸의 존재를 시사한다. 다만, 이 이상대는 실제로 더 깊은 곳에서 시작될 가능성도 있다.

아나힘 열점에서 기원한 화산 활동은 약 1,450만 년 전까지 거슬러 올라가며, 가장 최근의 분출은 약 8,000년 전에 발생한 것으로 추정된다. 이 과정에서 생성된 암석은 화학 조성이 두 가지로 나뉘는 양상을 보인다. 또한, 열점 활동이 진행되는 동안 지각의 확장과 융기가 동반되었다. 현대에 들어서는 화산 분출보다는 지진과 화산가스 배출과 같은 비교적 미약한 활동이 관측되고 있다.

대부분의 판 구조 운동은 지각 변형과 화산 활동을 판 경계에서 집중적으로 일으킨다. 그러나 아나힘 열점은 가장 가까운 판 경계에서 약 500km 떨어진 곳에 위치하고 있다. 1979년, 캐나다의 지질학자 메리 베비어, 리처드 암스트롱, 잭 사우더는 이처럼 판 경계에서 멀리 떨어진 화산 활동을 설명하기 위해 열점 이론을 적용하였다. 이 개념은 1963년 캐나다의 지구물리학자 J. 투조 윌슨이 하와이 제도의 형성을 설명하기 위해 처음 제안한 것이다.

윌슨의 열점 이론에 따르면, 지구 내부에는 오랜 시간 동안 일정한 위치를 유지하며 극도로 뜨거운 마그마가 존재하는 지역이 있다. 이러한 열 중심은 맨틀 기둥을 형성하여 지속적인 화산 활동을 유지시키며, 판 운동에 의해 지역적인 판이 열점 위를 천천히 지나가면서 화산을 이동시킨다. 이 과정에서 화산은 마그마 공급이 차단되면서 활동을 멈추게 되고, 시간이 지나면 침식이 진행된다. 새로운 화산이 형성되면서 이 주기는 반복되며, 결국 열점이 붕괴될 때까지 지속된다.

이러한 과정은 수백만 년에 걸쳐 화산과 관입암의 연속적인 흔적을 남긴다. 아나힘 화산대는 이러한 열점 이동의 결과로 형성되었으며, 캐나다 서부 브리티시컬럼비아 해안에서 시작하여 내륙의 고원지대로 이어지는 동서 방향의 화산 분포를 나타낸다. 윌슨의 이론에 따르면, 열점에서 멀어질수록 화산암의 연대가 증가하고 침식이 심화되어야 한다. 실제로 브리티시컬럼비아 해안에 위치한 가장 오래된 암석은 약 1,450만 년 전 형성된 것으로, 심하게 침식된 상태를 보인다. 반면, 아나힘 열점의 현재 중심인 나즈코 콘은 불과 34만 년 전에 형성된 젊은 화산이며, 방사성탄소 연대측정 결과 7,200년 전에도 분출이 있었던 것으로 밝혀졌다.

지구물리학자들은 열점이 지구 깊은 곳에서 발생한다고 보고 있으며, 두 가지 주요 기원에 대해 논의하고 있다. 첫 번째 가설은 상부 맨틀이 대류하는 층과 하부 맨틀이 상대적으로 정체된 층 사이의 경계에서 열점이 형성된다는 것이다. 두 번째 가설은 열점이 핵-맨틀 경계 바로 위의 ‘D 이중 프라임’ 층에서 발생한다는 주장이다. 열점이 형성되는 과정은 일반적으로 맨틀의 하층부가 상층부를 가열하면서 시작된다. 이 과정에서 가열된 물질은 팽창하여 밀도가 낮아지며 상승하고, 결국 리플레이-테일러 불안정성을 통해 맨틀 기둥을 형성한다. 맨틀 기둥이 지각의 아래쪽에 도달하면, 지각을 가열하여 부분 용융을 유도하고, 이때 생성된 마그마가 표면으로 분출하면서 화산을 형성한다.

열점 이론을 뒷받침하는 주요 증거로는 아나힘 화산들이 동쪽으로 이동하면서 점진적으로 연대가 젊어지는 경향을 보인다는 점이 있다. 이와 유사한 패턴은 북아메리카 남동쪽 1,400km 떨어진 옐로스톤 열점에서도 관찰되며, 두 열점의 이동 경로는 북아메리카판의 움직임을 연구하는 데 중요한 단서를 제공한다.

그러나 일부 연구자들은 아나힘 열점이 상부 맨틀에서 기원한 작은 맨틀 기둥, 즉 ‘미니 플룸’에서 형성되었다는 가설을 제기한다. 미니 플룸은 주로 상부 맨틀에서 발생하지만, 하부 맨틀에서 시작되었을 가능성도 있다. 이 가설을 뒷받침하는 증거로는 아나힘 화산대의 서쪽 끝, 즉 가장 오래된 지역에서 발견된 두 개의 암맥군이 있다. 일반적으로 대규모 암맥군은 깊은 맨틀에서 상승한 플룸이 지표 부근에 도달할 때 형성된다고 알려져 있다. 따라서 아나힘 지역의 암맥군은 이 열점이 미니 플룸에 의해 형성되었음을 시사하는 중요한 증거로 간주된다.

고해상도 지역 단층 촬영 연구 결과, 아나힘 열점은 하부 맨틀에서 기원한 플룸의 존재 가능성을 시사한다. 상부 맨틀에는 저속 지진파 지역이 확인되었으며[1], 이는 뜨겁고 부력이 큰 맨틀 물질이 존재함을 의미한다. 이 저속 지역은 북쪽과 남쪽에서 각각 다른 고속 이상대[2]에 의해 둘러싸여 있다. 북쪽에서는 약 1억 5천만 년에서 5천만 년 전에 지속된 섭입 작용으로 인해 형성된 심부 화강암질 근원이 반영된 것으로 보인다. 남쪽에서는 후안 데 푸카판이 섭입하는 과정에서 발생한 지각 운동이 반영된 결과로 해석된다.

나즈코 화산을 중심으로 한 저속 지진파 지역은 약 400km 깊이까지 확장되며, 남쪽에서는 후안 데 푸카판 아래를 지나 하부 맨틀까지 이어질 가능성이 있다. 이를 바탕으로 아나힘 열점이 맨틀 플룸과 판 경계 유동에 의해 공급된다는 결론이 도출되었다. 또한, 아나힘 지역의 용암에 포함된 납과 스트론튬의 동위원소 분석 결과, 브리티시컬럼비아 중앙부 지각 아래에 해양 맨틀이 존재할 가능성이 확인되었다. 이는 신생대 중신세 이후 아나힘 화산대 아래에 섭입하는 판이 존재하지 않았음을 시사한다.

아나힘 열점에서 생성된 화산들은 연간 약 2~3cm 속도로 남서쪽으로 이동하며, 각각의 화산은 약 200만 년 동안 열점에 의해 마그마 공급을 받는다. 가장 오래된 아나힘 화산은 브리티시컬럼비아 중앙 해안에 위치하며, 약 1,450만 년 전에 형성되었다. 만약 그 이전에 해저 화산이 존재했다면, 이는 북아메리카 대륙으로 섭입되면서 사라졌을 가능성이 높다. 따라서 아나힘 열점이 태평양의 해양에서 기원했는지는 명확하지 않다.

그러나 해양 지질 조사와 지화학 연구에 따르면, 대륙붕 지역에 대규모 심성암이 존재할 가능성이 있으며, 이들은 아나힘 화산대의 북동 방향 확장과 일치하는 패턴을 보인다. 특히, 하이다과이 군도의 매셋 지층 일부가 열점 이동 경로의 초기 흔적일 가능성이 제기되지만, 그 화학적 및 동위원소적 특성이 아나힘 화산의 알칼리성 용암과 유사한지에 대한 추가 연구가 필요하다.

아나힘 열점에서 생성된 마그마의 조성은 시간이 흐르면서 변화를 겪었다. 1,450만 년 전부터 300만 년 전까지는 주로 유문암과 트라키타이트로 구성된 산성 마그마가 분출되었으며, 이는 두꺼운 화강암질 지각 아래에서 발생한 것으로 해석된다. 특히 이 시기의 유문암 용암류는 높은 규소 함량에도 불구하고 비정상적으로 유동성이 강했다. 이는 페랄칼리 성분이 규산염 용암의 점성을 크게 감소시켰기 때문으로 보인다.

300만 년 전 이후에는 보다 염기성 성질을 띠는 마그마가 생성되기 시작했다. 이 시기의 화산들은 주로 포놀라이트, 트라키타이트, 트라키안데사이트, 현무암, 바사나이트로 이루어져 있다. 최근 33만 년 동안의 화산 활동은 나즈코 콘에서 주로 바사나이트를 분출하며 진행되었으며, 이는 서쪽의 오래된 아나힘 화산들보다 더 깊거나 덜 고갈된 맨틀 근원을 반영하는 것으로 해석된다.

지난 1,450만 년 동안 아나힘 열점은 적어도 40개의 화산을 형성했다. 이들은 세 가지 주요 유형으로 나뉜다.

특히, 아나힘 화산들은 칠코틴 용암군과 밀접한 관계를 가지지만, 두 화산계는 화학적 조성이 다르며 기원이 다를 가능성이 높다. 칠코틴 용암군은 캐스케이드 섭입대 뒤쪽에서 발생한 확장 지각 운동과 관련된 것으로 해석된다.

아나힘 열점이 이동하면서 지각 구조에 영향을 미쳤다. 약 1,700만 년 전, 퀸 샬럿 해협 지역에서 발생한 지각 확장과 관련하여, 아나힘 플룸의 열이 지각을 약화시키고 새로운 지각 균열을 유도했을 가능성이 제기된다. 이 과정에서 하이다과이 군도는 북쪽으로 약 70km 이동하였으며, 퀸 샬럿 분지가 형성되었다.

또한, 약 1,000만 년 전부터 아나힘 열점이 벨라쿨라-오션폴스 지역을 지나면서 해안 산맥 지역의 융기를 촉진한 것으로 보인다. 이후 800만 년 전부터는 열점이 칠코틴 고원에 도달하면서 융기 속도가 감소하였다. 이러한 현상은 아나힘 열점이 지각을 가열하고 판을 얇게 만들면서 발생한 열적 융기 과정으로 해석된다.

아나힘 열점은 약 390만 년 전부터 140만 년 전 사이에 칠코틴 고원에서 단층 시스템과 상호작용하면서 새로운 화산군을 형성했다. 이차 산맥이 위치한 단층 교차점에서는 보다 집중적인 화산 활동이 나타났으며, 사타 산 화산대는 해당 단층 시스템을 따라 분포하고 있다. 반면, 일가추즈 산맥이나 레인보우 산맥과 같은 지역에서는 상대적으로 대규모 화산 활동이 일어나지 않았으며, 이는 해당 지역에 단층 시스템이 존재하지 않았기 때문일 가능성이 크다.

결론적으로, 아나힘 열점은 북아메리카판 아래에서 이동하며 화산대를 형성하고 지각에 변화를 초래하였다. 이 과정에서 지각 확장, 화산 분출, 마그마의 조성 변화 등이 관찰되며, 이는 열점의 기원과 이동 메커니즘을 이해하는 중요한 단서를 제공하고 있다.