<Short Note>
Carbon isotopic composition of Miocene-Pliocene terrestrial plant matters in Gunsan Basin, Yellow Sea

1. 서 론

대기 중 이산화탄소의 탄소동위원소 조성은 전지구적 장주기 탄소 순환(long term global carbon cy-cle)에 영향을 받아 지질시대에 따라 다양한 변동을 보인다(Kump and Arthur, 1999; Montaňez et al., 2000). 따라서 대기 중 이산화탄소의 탄소동위원소 변동 복원은 화석이 부족한 지역의 지질시대를 밝히는 중요한 정보로 활용될 수 있다. 해양 탄산염퇴적물의 탄소동위원소 변동은 대기 중 이산화탄소의 탄소동위원소 변동을 지시하므로 이를 이용한 지질시대 해석연구가 진행되고 있다(Holser, 1997; Veizer et al., 1999). 비록 식물의 탄소동위원소는 대기 중 이산화탄소의 탄소동위원소 조성 이외에 서식환경 등에 영향을 받지만 해양 탄산염퇴적물과 식물의 탄소동위원소 변동은 지질지대에 걸쳐 유사한 것으로 알려져 있다(Gröcke, 1998; Hasegawa, 2001; Hasegawa et al., 2013). 따라서 퇴적물에 포함된 식물파편의 탄소동위원소 조성은 해양 탄산염퇴적물과 더불어 지질시대 해석에 유용하다.

군산분지는 서해 대륙붕에 위치하는 백악기-신생대 퇴적분지로 육성 쇄설성암과 화산암으로 충진되어 있다(그림 1). 군산분지에서 석유가스 탐사를 목적으로 5공의 시추가 이루어졌으며 물리탐사가 수행되었다. 5개 시추공의 미화석 생층서 연구(Park et al., 1997; Cheong et al., 1998; Yun et al., 2000; KNOC, 2008; Byun et al., 2013a)와 탄성파 층서 연구(Ryu et al., 2000; Park et al., 2010; Shinn et al., 2010)는 중기마이오세부터 군산분지는 완만한 침강이 지속되면서 중기마이오세-현생 퇴적층이 광역적으로 퇴적되었음을 지시한다.

Fig. 1.

(a) Geological setting of the South Yellow Sea Basin (SYSB) (modified from Shinn et al., 2010) and location of the Gunsan Basin and 5 exploratory wells. (b) Lithology of Haema-1 and IIH-1XA wells (modified from Shinn et al., 2010).

군산분지 신제삼기 퇴적층은 식물 파편을 포함한다. 따라서 신제삼기 퇴적층 식물파편의 탄소동위원소 조성 연구는 군산분지에 광역적으로 분포하는 신제삼기 퇴적층의 퇴적시기 해석 및 시추공 대비에 요구되는 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다. 이번 연구에서는 IIH-1XA과 Haema-1공의 마이오세-플라이오세 퇴적층에 포함된 식물 파편의 탄소동위원소 변동 원인을 밝히고, 해양 탄산염퇴적물의 탄소동위원소와 대비하여 군산분지 신제삼기 퇴적층의 퇴적시기에 대한 추가적인 정보를 제공하고자한다.

2. 연구지역

연구지역인 군산분지는 산둥반도 남동쪽 해역에 동북동-서남서 방향으로 발달하는 북부 남황해분지(Northern South Yellow Sea Basin)의 동부 지역으로 북쪽의 Qianliyan 융기대와 남쪽으로 Central 융기대와 접하고 있다(그림 1a). 군산분지에서는 북동-남서 방향의 주향이동성 단층과 북서-남동 방향의 공액단층 시스템들이 우세하게 나타난다. 군산분지는 전기 백악기에 형성되기 시작하여, 에오세 시기까지 구조적 침강과 분지 확장을 겪었다. 중기 마이오세 이전에 압축구조운동이 있었고, 그 후에 열적 수축에 의한 완만한 침강이 지속되면서 중기 마이오세-현세 퇴적층이 발달하였다. 석유탐사를 목적으로 시추된 5개 탐사공의 석회질(윤조, 복족류, 개형충, 유공충) 및 유기질 미화석(화분, 포자)의 생층서 연구를 통해 군산분지 퇴적층의 지질시대는 백악기에서 신생대에 이르는 것으로 알려져 있다. 관심구간인 IIH-1XA 공 800 m와 Heama-1 공 1000 m 상부 구간은 식물 파편을 포함하고 있는 미고결 사암과 이암으로 구성되며 주로 하호성 환경에서 형성되었다(그림 1b). 식물 파편이 관찰되는 Haema-1 공의 610~720 m 구간을 중심으로 기존 생층서 연구를 살펴보면 중기-후기 마이오세(Park et al., 1997; Cheong et al., 1998), 중기 마이오세(Yun et al., 2000; Yi et al., 2003; Byun et al., 2013a), 초기-중기 마이오세(KNOC, 2008)로 다양하게 해석된다. 식물 파편이 관찰되는 IIH-1XA 공 246~714 m 구간은 기존 연구자들에 의해서 중기 마이오세와 플라이오세(Park et al., 1997; Cheong et al., 1998; Yun et al., 2000; KNOC, 2008; Byun et al., 2013a)로 해석되었다. NPI (2000)은 357~469 m 구간에 후기 마이오세가 존재하는 것으로 제안하였다.

3. 연구방법

식물파편은 IIH-1XA 공(246~714 m)과 Haema-1 (610~720 m) 공에서 채취되었다(그림 1b). 퇴적물에 포함된 1~3 mm 크기의 식물 파편을 구간별 100여개 채취였다. 식물파편은 증류수로 세척한 후 건조하여 분말로 분쇄하였다. 퇴적물 내 식물파편의 탄소 동위원소 비를 측정하기 위해서 분말 시료를 10% 염산(HCl)에 반응시켜 탄산염물질을 제거하였다. 전처리를 완료한 시료는 한국기초과학지원연구원 EA-IRMS (Elemental Analyzer-Isotope Ratio Mass Spectrometer, 영국 GV Instruments사의 Isoprime모델)를 이용하여 유기물의 ¹³C/¹²C 비를 분석하였다. 표준물질은 NBS22를 이용하였다. 탄소동위원소 분석정밀도는 약 ±0.2‰이다.

4. 분석결과 및 토의

4.1 군산분지 식물 파편의 탄소동위원소 분석결과

IIH-1XA 공 246~714 m 구간 식물 파편의 탄소동위원소 조성은 -28.7~-24.8‰(평균 -26.3‰) 범위를 보인다(표 1). 687~714 m 구간을 제외하고 430 m 하부 구간은 -25.8‰ 보다 높은 값을 보이는 반면에서 246~426 m 구간은 -26.8‰ 보다 낮은 값을 보인다. 전반적인 탄소동위원소 조성은 714 m에서 516 m 까지 증가하며 이후에 감소한다(그림 2). Haema-1공 610~720 m 구간 식물파편의 탄소동위원소 조성은 -24.7~-25.9‰(평균 -25.4‰)의 범위에 분포하며(표 1) 상부로 갈수록 증가한다(그림 2).

Fig. 2.

Variation in carbon isotopic composition of plant matters in IIH-1XA and Haema-1 wells.

Table 1.

Carbon isotopic compositions of plant matters in IIH-1XA and Haema-1 wells.

4.3 군산분지 식물 파편의 탄소동위원소 변동이 지시하는 퇴적 시기

군산분지 식물 파편의 탄소동위원소 변동은 대기 이산화탄소의 탄소동위원소 변동을 지시하므로 해양의 탄산염퇴적물의 탄소동위원소 변동과 대비하여 퇴적 시기 해석이 가능하다. 미화석 연구들은 시기에 차이는 있으나 IIH-1XA 공의 246~714 m 구간은 중기 마이오세와 플라이오세로 해석하였다(Park et al., 1997; Cheong et al., 1998; Yun et al., 2000; KNOC, 2008; Byun et al., 2013a). NPI (2000)은 화분과 포자를 분석하여 387~469 m 구간을 후기 마이오세로 설정하였다. Zachos et al. (2001)은 약 40개 지역의 DSDP와 ODP 시추공에서 수집된 자료를 종합하여 고해상도의 신생대 해양 탄산염퇴적물 탄소동위원소 조성 변동을 그림 3과 같이 제시하였다. 이번 연구에서는 생층서 연구 자료를 고려하여 군산분지 식물 파편의 탄소동위원소를 Zachos et al. (2001)가 제안한 마이오세-플라이오세 해양 탄산염퇴적물의 탄소동위원소 조성에 대비하였다.

Fig. 3.

Global deep-sea carbon isotope records based on data from DSDP and ODP sites (Zachos et al., 2001) and variation of carbon isotopic compositions for plant matters in IIH-1XA and Haema-1 wells. Black and red arrows indicate depositional age of IIH-1XA and Haema-1 wells (A: NPI, 2000, B: Byun et al., 2013a, C: Park et al., 1997).

해양 탄산염퇴적물의 탄소동위원소 조성을 살펴보면 초기 마이오세에서 후기 마이오세 후기까지 0.8‰보다 높은 값을 보이는 반면 후기 마이오세 후기 이후 플라이오세에는 0.8‰ 보다 낮은 값을 보인다(그림 3). 이러한 후기 마이오세와 플라이오세 구간의 탄소동위원소 조성 변동은 지난 20년간 전 세계의 해양 퇴적층에 관찰되었고 그 원인에 대해서 다양한 의견이 제시되고 있다(Haq et al., 1980; Dickens and Owen, 1999; Grant and Dickens, 2002). 최근에 육상 퇴적층에서도 후기 마이오세-플라이오세 변동이 보고되고 있다(Harzhauser et al., 2007; Uno et al., 2011; Hynek et al., 2012). IIH-1XA 공 식물 파편의 탄소동위원소 조성을 살펴보면 678 m 시료를 제외하고 462~714 m 구간은 -26.4‰ 보다 높은 값을 보이며 426~246 m 구간은 -26.4‰ 보다 낮은 값을 갖는다(그림 2). 이러한 수직적 변동은 후기 마이오세-초기 플라이오세에 발생한 전지구적 탄소 순환의 변동이 군산분지 식물 파편의 탄소동위원소 조성에 반영되었을 가능성을 제시한다.

해양 탄산염퇴적물 탄소동위원소의 전반적인 변동을 살펴보면 전기 마이오세 후기부터 증가하여 중기 마이오세에 가장 높은 값을 유지한 후 중기 마이오세 후기부터 감소한다. 이후 플라이오세에 가장 낮은 값을 보인 후 증가한다(그림 3). 이러한 전반적인 변동은 IIH-1XA공 식물 파편의 탄소동위원소 조성이 714 m에서 증가하기 시작하여 516 m에서 가장 높은 값을 보이고 이후 감소하여 264 m에서 가장 낮은 값을 보인 이후 미약하게 상승하는 변동과 유사하다(그림 3). 분석 시료의 부족으로 정확한 대비는 어려우나 해양 탄산염퇴적물의 탄소동위원소 조성이 20 Ma에 증가하기 시작하여 12~16 Ma에 다른 시기보다 높은 값을 보인 후 감소하며 2~4 Ma 사이에서 가장 낮은 값을 보이는 변동을 고려하면 다른 구간에 비해서 높은 값을 보이는 516~660 m 구간은 12~16 Ma에, 최소값을 보이는 264 m는 2~4 Ma에 대비될 가능성이 있다(그림 3). 식물 파편의 탄소동위원소 해석과 생층서 연구를 종합하면 IIH-1XA 공의 246~714 m 구간 퇴적시기를 중기 마이오세에서 플라이오세로 설정할 수 있다.

Haema-1 공의 610~720 m 구간 식물파편 탄소동위원소 조성은 -24.7~-25.9‰의 범위를 보이며 상부로 갈수록 증가한다. 부화된 탄소동위원소 조성과 수직적 증가 경향은 중기 마이오세로 해석되는 IIH-1XA 공의 516~624 m 구간과 일치한다(그림 3). 따라서 Haema-1공의 610~720 m 구간을 중기 마이오세로 해석하였다.

5. 결 론

군산분지 IIH-1XA 공의 246~714 m와 Haema-1공의 610~720 m 구간의 식물 파편은 C3 식물 기원으로 식물의 서식 당시 대기 중 이산화탄소 탄소동위원소 조성 변동의 복원에 이용할 수 있다. IIH-1XA 공 246~714 m 구간 식물 파편의 탄소동위원소 조성은 중기 마이오세-플라이오세의 해양 탄산염퇴적물의 탄소동위원소 조성과 유사한 변동을 보이며, 후기 마이오세와 플라이오세 구간에 관찰되는 전지구적 탄소 순환 변동을 반영하는 것으로 판단된다. 이러한 특성을 고려하면 IIH-1XA 공의 246~714 m 구간의 퇴적시기를 중기 마이오세-플라이오세로 설정할 수 있다. Haema-1 공의 610~720 m 구간 식물 파편의 탄소동위원소 조성 및 변동은 IIH-1XA 공의 516~624 m 구간에 유사하다. 따라서 이 구간의 퇴적시기를 중기 마이오세로 해석하였다.

이번 연구를 통해 군산분지 신제삼기 퇴적층에 분포하는 식물 파편 탄소동위원소 조성의 변동이 퇴적시기 해석에 유용한 정보로 활용될 수 있음을 확인하였다. 그러나 일부 제한된 구간에 확보된 식물 파편 시료를 이용하여 탄소동위원소 변동을 제시하였기 때문에 정확한 퇴적시기 해석 및 시추공 간의 대비에 어려움이 있었다. 향후 군산분지 시추공에 포함된 식물 파편을 통해 고해상도의 탄소동위원소 변동이 복원된다면 신제삼기 퇴적시기 해석 및 시추공 간의 대비에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgments

본 연구는 해양수산부 주관하에 한국해양과학기술진흥원의 지원에 의한 “CO2 해양지중저장기술개발” 사업과 미래창조과학부 주관하에 (재)한국이산화탄소포집및처리연구개발센터의 지원을 받아 수행된 연구이며(NRF-2012-0008916) 연구비 지원에 감사드립니다. 논문 심사에서 유익한 조언을 해주신 형기성 박사님, 익명의 심사위원과 편집위원장께 진심으로 감사드립니다.

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