화산섬(火山島)은 해저 화산 활동으로 분출된 용암과 화산쇄설물이 해수면 위로 쌓여 형성된 섬이다. 지각판의 경계나 판 내부의 열점(hot spot)에서 마그마가 반복적으로 분출하면서 점차 높이 성장해 육지를 이루는 방식으로 생겨난다. 지구상의 화산섬은 태평양과 대서양, 인도양 전역에 분포하며, 하와이 제도·갈라파고스 제도·아이슬란드·제주도 등이 대표적인 사례다.
1. 형성 메커니즘
화산섬은 형성 원인에 따라 크게 세 유형으로 나뉜다.
1.1 열점 화산섬
열점(hot spot)은 지각판과 무관하게 독립적으로 화산활동을 일으키는 맨틀 영역이다. 지구 깊은 곳에서 뜨거운 맨틀 물질이 플룸(plume) 형태로 상승하면서 감압 용융이 일어나 마그마가 생성된다.[1] 이 마그마가 해양 지각의 균열을 뚫고 분출하면 해저에 용암이 쌓이고, 수백만 년에 걸쳐 해수면 위로 솟아오르면 섬이 된다.
판이 열점 위를 이동하는 동안 새로운 화산이 계속 형성되고 기존 화산은 열원에서 멀어져 활동을 멈추기 때문에, 열점 화산섬은 판의 이동 방향을 따라 일렬로 늘어선 섬 사슬을 이룬다.[2] 가장 오래된 섬일수록 침식이 진행되어 낮아지며, 결국 해수면 아래로 가라앉는 과정을 밟는다.
1.2 호상열도
호상열도(volcanic arc)는 해양판이 대륙판 아래로 섭입할 때 생성되는 화산섬 사슬이다. 해양 지각이 맨틀 속으로 끌려들어가면서 마그마가 생성되고, 이것이 위쪽 판을 뚫고 분출해 섬을 만든다.[3] 열점 화산섬의 현무암과 달리 안데사이트 용암이 주를 이루며, 점성이 높아 폭발적인 분출이 잦다. 일본 열도, 알류샨 열도, 마리아나 제도가 호상열도의 전형적인 사례다. 이들 섬 사슬은 심해골과 나란히 배치되는 특징이 있다.
1.3 해령 화산섬
해양판이 서로 갈라지는 해령(mid-ocean ridge) 지역에서도 화산섬이 형성된다. 두 판이 분리되는 틈을 따라 맨틀 물질이 상승하면서 마그마가 생성되고, 일부는 해수면 위로 솟아오른다.[4] 아이슬란드는 중앙대서양해령이 지나는 위치에 열점까지 겹쳐 있어, 해령 화산활동과 열점 화산활동이 함께 일어나는 독특한 사례다.
2. 지질학적 특성과 진화
열점 화산섬은 현무암 용암으로 이루어진 순상 화산(shield volcano) 형태를 갖는다. 유동성이 높은 현무암 용암이 넓게 퍼지면서 완만한 경사면을 만들기 때문에, 폭발적인 성층 화산보다 훨씬 넓고 낮은 윤곽을 갖는다. 하와이 마우나로아(Mauna Loa) 화산은 해저 기반에서 정상까지의 높이가 약 9,000m에 달해 지구상 가장 거대한 단일 화산으로 꼽힌다.[5]
화산섬은 활동이 멈추면 침식과 침강의 순환을 거친다. 판이 냉각되면서 밀도가 높아져 맨틀로 서서히 가라앉고, 동시에 파도와 강수에 의한 물리·화학적 침식이 섬의 높이를 낮춘다. 열대 해역에서는 해수면 아래로 가라앉기 전 단계에 산호초가 섬 가장자리를 둘러싸며 성장해 환초(환초)를 형성하기도 한다. 최종적으로 완전히 가라앉으면 평탄한 봉우리를 가진 수중 화산체인 기요(guyot)가 된다.[6]
3. 주요 사례
3.1 하와이 제도
하와이 제도는 태평양판이 북서쪽으로 이동하면서 태평양 열점 위를 지나 형성된 화산섬 사슬이다. 서쪽 끝에 있는 카우아이섬은 약 550만 년 전에 형성된 가장 오래된 섬이고, 동쪽 끝의 하와이 빅 아일랜드는 약 70만 년 전에 형성된 가장 젊은 섬이다.[7] 현재는 빅 아일랜드 남동쪽 해저에서 로이히(Lō'ihi) 수중 화산이 활발히 활동 중으로, 수만 년 후 새로운 섬이 될 것으로 예측된다.
3.2 갈라파고스 제도
3.3 아이슬란드
북대서양에 위치한 아이슬란드는 중앙대서양해령과 아이슬란드 열점이 교차하는 지점에 형성되었다. 북미판과 유라시아판이 연간 약 1~2cm씩 서로 멀어지면서 끊임없이 새로운 지각이 생성되고, 열점까지 겹쳐 있어 지구상에서 화산활동이 가장 활발한 지역 중 하나다.[9] 평균 3~4년마다 한 번씩 분출이 일어난다. 1963년에는 아이슬란드 남쪽 해역에서 수중 화산이 분출해 쉬르트세이(Surtsey)라는 새 섬이 탄생했으며, 이 섬에서 생물이 정착하고 생태계가 구성되는 과정이 수십 년에 걸쳐 관찰되었다.
3.4 제주도
한반도 남쪽 동중국해에 위치한 제주도는 약 180만 년 전 해저 화산활동으로 형성이 시작되어 약 50만 년 전부터 육상 화산활동으로 순상 화산체를 키웠다. 가장 최근의 화산활동은 약 2,000년 전으로, 현재는 휴화산으로 분류된다.[10] 제주도 중심부의 한라산(해발 1,947m)은 대한민국에서 가장 높은 산이다. 2007년에는 '제주 화산섬과 용암동굴'이 유네스코 세계자연유산으로 등재되었으며, 성산일출봉과 거문오름 용암동굴계 등이 포함된다.
4. 생태계와 생물다양성
화산섬은 본토와 격리된 환경에서 독립적인 진화가 일어나 고유종(endemic species)이 발달하기 쉽다. 지리적 장벽이 유전자 교류를 차단하면서 집단이 독자적인 형질을 발전시키는 적응 방사가 일어난다. 섬은 지구 전체 육지 면적의 약 3.5%에 불과하지만, 전 세계 종의 약 15~20%를 부양하는 것으로 알려져 있다.[11]
화산 분출은 기존 생태계를 파괴하지만, 식은 용암 위에 선구식물이 정착하고 점차 복잡한 군집으로 발전하는 일차 천이(primary succession)를 관찰할 수 있는 기회를 제공하기도 한다. 제주도의 경우 난대림(산 기슭)에서 온대림(중간 지대), 아한대림(정상 부근)으로 이어지는 수직적 생물대가 뚜렷하게 나타나며, 식물 1,565종과 동물 1,179종이 자생한다. 갈라파고스 제도는 고유 파충류, 조류, 해양 생물이 밀집해 '살아있는 진화 실험실'로 불린다.
5. 인간 정착과 활용
화산섬은 화산 분출물이 풍화되어 형성된 비옥한 토양 덕분에 농업 생산성이 높다. 하와이와 인도네시아 자바섬 등 화산섬 지역에서 고밀도 농경이 이루어지는 것도 같은 이유다. 아이슬란드와 같이 화산활동이 활발한 섬에서는 지열 에너지를 난방과 발전에 광범위하게 활용한다.
반면 화산 폭발과 지진, 쓰나미 등 자연재해 위험을 상시 감수해야 한다. 원격한 화산섬은 본토와의 연결이 어렵고 담수 확보가 제한적이어서 대규모 정착이 어렵다. 트리스탄 다 쿠냐(Tristan da Cunha)처럼 세계에서 가장 외딴 유인 화산섬도 존재하지만, 거주민이 수백 명에 불과하며 외부 의존도가 높다.
섬의 유형으로는 대륙섬, 대양섬과 함께 대표적인 세 갈래 중 하나이며, 바다 위에 솟아오른 화산 봉우리가 침강을 거치면 최종적으로 환초로 이어지는 경로를 밟기도 한다.
[1] NOAA Ocean Exploration, "What is a hotspot volcano?", oceanexplorer.noaa.gov(새 탭에서 열림)
[2] USGS, "Hotspots — This Dynamic Earth", pubs.usgs.gov(새 탭에서 열림)
[3] Wikipedia, "Volcanic arc", en.wikipedia.org(새 탭에서 열림)
[4] Britannica, "Mid-Atlantic Ridge", www.britannica.com(새 탭에서 열림)
[5] USGS Hawaiian Volcano Observatory, "Evolution of Hawaiian Volcanoes", www.usgs.gov(새 탭에서 열림)
[6] Britannica, "Guyot", www.britannica.com(새 탭에서 열림)
[7] USGS, "On the Trail of Hotspots: the Galapagos and Hawaiian Islands", www.usgs.gov(새 탭에서 열림)
[8] IGTOA, "Geology of the Galápagos", www.igtoa.org(새 탭에서 열림)
[9] Guide to Iceland, "Geology of Iceland", guidetoiceland.is(새 탭에서 열림)
[10] 제주도세계지질공원, "제주 화산섬의 형성과정", www.jeju.go.kr(새 탭에서 열림)
[11] Island Conservation, "Biodiversity on Island Biomes", www.islandconservation.org(새 탭에서 열림)