최후 빙기 이후 제주남서니질대 세립질 퇴적물의 기원지 변화

1. 서 론

동중국해는 한국-일본-중국의 배타적 경제수역이 상호 접해있는 지역으로, 장강(Changjiang) 북쪽 해안부터 제주 해역, 류큐 열도, 대만의 남쪽 해역까지 포함하는 바다이다. 동중국해는 쿠로시오 해류(KC, Kurosio Current), 황해 연안류(YSCC, Yellow Sea Coastal Current), 황해 난류(YSWC, Yellow Sea Warm Current), 장강 희석수(CDW, Changjiang Diluted Water), 한반도 연안류(KCC, Korean Coastal Current) 등의 영향을 받는 복잡한 해류 흐름과 퇴적물 유입 환경으로 인해 기원지가 명확하게 밝혀져 있지 않고, 또한, 해수면 변화에 민감한 지역으로 퇴적물의 유입 환경이 다양한 곳이기 때문에 고환경에 대한 많은 연구들이 수행되고 있다(Butenko et al., 1985; Youn and Kim, 2011).

동중국해 북단의 제주도 남서부 대륙붕 지역에 발달한 니질대인 제주남서니질대(SWCIM, South West Cheju Island Mud)는 전형적인 해침 대륙붕 환경을 보이며, 해수면의 상승, 해류 순환 및 강 퇴적물의 유입량에 따라 퇴적물의 기원지 및 공급경로가 변화하므로, 해수면 변화에 따른 퇴적물의 기원지 변화가 기록되어 있을 것으로 추정되어 많은 연구자들의 관심을 받아왔다(그림 1)(Yoo et al., 2002; Yang et al., 2003, 2014; Jung et al., 2006; Youn and Kim, 2011; Hu et al., 2014; Dou et al., 2015). 제주남서니질대는 중국의 장강과 황하(Huanghe), 한국의 강들과 같은 주변 대륙의 여러 강들로부터 많은 양의 퇴적물을 공급받았을 것으로 여겨지며, 각 강들의 영향을 밝혀내기 위한 연구가 수행되어 왔다.

Fig. 1.

Map showing the location of core E03-06, E03-11, and 07YS-PC12 as well as the surface circulation in the East China Sea (modified from Dou et al., 2010a, 2010b, 2015; Hu et al., 2014). ① Central Yellow Sea Mud (CYSM), ② Southwestern Cheju Island Mud (SWCIM), Kuroshio current (KC), Yellow Sea Warm Current (YSWC), Korean Coastal Current (KCC), Yellow Sea Coastal Current (YSCC), Changjiang Diluted Water (CDW).

제주남서니질대에 관한 초기 연구는 주로 표층 퇴적물에 대하여 이루어졌는데, 황하 기원(DeMaster et al., 1985; Milliman et al., 1985; Alexander et al., 1991; Saito, 1998), 장강 기원(Youn et al., 2007; Youn and Kim, 2011) 및 황하와 장강의 복합 기원(Yang et al., 2003; Cho et al., 2013) 등 기원지에 관한 다양한 견해가 존재하고 있다. 코어 시료에 대한 연구 결과는 약 10여 년 전부터 발표되기 시작하였다. Hu et al. (2014)은 희토류 원소, 입도, 방해석/백운석 비를 이용하여, 12,000-6,800년 전까지는 동중국해 남동쪽에서 조립질 퇴적물이 공급되다가, 6,800년 전 이후 황하와 장강 퇴적물이 복합적으로 공급되었다고 주장하였다. Dou et al. (2015)은 희토류원소(REEs, Rare Earth Elements)와 입도를 이용하여, 마지막 최대 빙하기(LGM, Last Glacial Maximum) 동안 황하에서 퇴적물이 공급되다가, 15,000-6,000년 전 동안에는 장강과 한국 강들의 퇴적물이 공급되었으며, 6,000년 전 이후 황하 퇴적물이 공급되었다고 주장하였다. 이처럼 제주남서니질대의 기원지 및 시대별 기원지 변화에 대하여 아직 일치된 견해는 없다고 할 수 있다.

점토광물은 주변 대륙을 구성하는 모암의 성질을 반영하며, 바다로 운반되는 동안 화학적 특성이 크게 변하지 않고, 기원지 암석의 특성을 그대로 유지하고 있으므로 전 세계 해양퇴적물뿐만 아니라 한반도 주변 해양퇴적물의 기원지 연구에 유용하게 이용되어 왔다(Choi et al., 2010; Li et al., 2014; Cho et al., 2015; Kwak et al., 2016; Koo et al., 2018; Park et al., 2019). 한반도 주변 해역 퇴적물의 중요 기원지 중, 황하 퇴적물은 일반적으로 스멕타이트(smectite)의 함량이 높은 반면, 장강 퇴적물은 일라이트(illite)의 함량이 높다. 또한, 한국 강들은 카올리나이트(kaolinite)와 녹니석(chlorite)의 함량이 높은 특징을 가진다. 이와 같은 특성을 이용하여 한반도 서부 해역인 황해중앙니질대(CYSM, Central Yellow Sea Mud)와 흑산니질대(HSM, Heuksan Mud)의 퇴적물 기원지와 변화에 대한 연구가 많이 수행된 데 비하여, 제주남서니질대의 점토광물을 이용한 기원지 변화는 상대적으로 연구된 바가 적다.

희토류 원소는 화학적으로 안정하여 퇴적 과정 동안 크게 변화하지 않고, 지역마다 부화된 정도가 달라 그 함량 비는 퇴적물의 기원지 연구에 잘 활용되고 있다(Taylor and McLennan, 1985). 그리고 중국 강들과 한국 강들의 퇴적물 내 희토류 원소 함량에 뚜렷한 차이가 존재한다는 연구 결과가 발표되어 있다(Jung et al., 2006; Song and Choi, 2009; Xu et al., 2009).

본 연구에서는 제주남서니질대 코어 시료의 점토광물조성과 희토류원소 함량비를 토대로, 제주남서니질대의 연대별 퇴적물의 기원지를 밝히고, 마지막 최대 빙하기 이후 해수면 상승에 따른 퇴적물 유입 환경 변화를 밝히고자 한다.

2. 연구 재료 및 방법

연구 지역으로 유입되는 퇴적물의 시대별 기원지 변화를 알아보기 위해 제주남서니질대에 위치한 07YS-PC12, E03-06, E03-11 등 3개의 코어에서 채취한 퇴적물 시료를 사용하였다(그림 1). 07YS-PC12 코어는 2007년 한국해양과학기술원 탐사를 통하여 직접 획득하였으며, E03-06과 E03-11 코어는 한국해양과학기술원 남해연구소의 해양시료도서관(LIMS, Library of Marine Samples))에 보관된 시료를 사용하였다.

E03-06 코어는 길이가 305 cm로써, 상부는 주로 실트와 점토로, 하부는 모래로 구성되어 있으며, 07YS-PC12와 E03-11 코어는 길이가 각각 300 cm, 370 cm 이며, 주로 모래, 실트, 점토의 혼합물로 구성되어 있다. 각 시료들은 심도별로 부시료를 채취하여, 점토 부분을 분리한 후 점토광물과 희토류원소 분석을 실시하였다. 모든 코어의 입도 자료는 기 발표된 논문 자료를 사용하였다(Badejo et al., 2014; Dou et al., 2015).

세립질 퇴적물 내에 포함된 점토광물들의 상대조성을 알아보기 위하여 점토 부분을 분리한 후, X-선 회절분석을 실시하여 주요 점토광물들의 함량비를 계산하였다. 점토 부분 분리는 Koo et al. (2018)에 따라 다음과 같이 시행하였다. 각 시료들은 유기물 제거, 습식 체질, 원심분리 과정을 거쳐 2 µm 이하의 점토 부분을 분리한 후 “smear-on-glass-slide”방법을 사용하여 정방위시편(preferred oriented specimen)으로 제작하였다. 점토광물 감정은 공기 중 건조 시료(air-dried specimen)와 에틸렌클리콜로 포화시킨 시료(ethylene glycolated specimen)에 대하여 X-선 회절분석을 실시하여 그 결과를 비교하여 결정하였다. 녹니석, 스멕타이트, 일라이트, 카올리나이트 등 4가지 주요 점토광물들의 상대적인 함량은 에틸렌클리콜로 포화시킨 시료에서 각 광물들의 특징적인 (00l) 피크의 면적비를 이용하여 계산하였다. 각 광물들의 (00l) 피크 강도차를 보정하기 위하여 계산된 면적에 가중치를 곱하였다(Biscaye, 1965). 녹니석과 카올리나이트의 상대적인 함량은 녹니석 (004) 피크와 카올리나이트 (002) 피크 면적비를 이용하여 계산하였다. 각 피크의 면적들은 EVA 3.0 프로그램을 이용하여 계산하였다. X-선 회절분석은 경상대학교 지질과학과에서 보유하고 있는 SIMENS D5005/Bruker 고분해능 X-선 회절분석기를 사용하였으며, 흑연 단색화된 파장(CuKα = 1.5406Å)을 사용하였다. 분석 조건은 40 kV/40 mA, 3-30° 2θ구간에서 주사 간격 0.02°, 주사 시간 2초로 설정하여 스텝-스캔(step-scan) 방식으로 회절값을 기록하였으며, 슬릿은 1.0-0.6-1.0°를 이용하였다.

희토류 원소 분석을 위해 10% 과산화수소수(H₂O₂)와 0.1N 염산(HCl)을 이용하여 유기물과 탄산염 성분을 제거한 후, 점토광물분석과 같은 과정을 거쳐 점토 부분을 분리하였다. 분리한 점토 시료는 80℃에서 건조한 후 아게이트 몰탈(agate mortar)을 이용하여 분말로 만들어 캐나다 Actlab에 의뢰하여 플라즈마 질량분석기(ICP-MS)를 이용하여 분석하였다.

3. 결과 및 토의

3.1 유닛(Unit) 구분

수직적인 입도 변화, 점토광물함량 변화 및 연대측정이 되어있는 기존 연구 결과를 바탕으로 3개의 코어를 비교하여 최상부의 유닛 1부터 최하부의 유닛 3까지 모두 3개의 유닛을 구분하였다(그림 2)(Badejo et al., 2014; Dou et al., 2015).

Fig. 2.

Downcore variations of clay mineral composition in core 07YS-PC12, E03-06 and E03-11. Grain size data and age data were obtained from Badejo et al. (2014) and Dou et al. (2015).

코어 E03-06은 약 150 cm를 기준으로 상부의 유닛 1과 유닛 2로 나눌 수 있다(그림 2). 유닛 1은 점토 함량이 매우 높고, 깊이에 따른 점토광물의 함량 변화가 심하지 않다. 유닛 2는 유닛 1에 비하여 모래 함량이 매우 높고, 깊이에 따른 점토광물의 함량 변화가 매우 크다.

코어 E03-11은 약 60 cm를 기준으로 상부의 유닛 2와 하부의 유닛 3으로 나눌 수 있다(그림 2). 유닛 2는 유닛 3에 비해 모래 함량이 급증하고, 깊이가 감소함에 따라 스멕타이트는 감소하고, 일라이트는 증가하는 경향을 보인다. 유닛 3는 깊이에 따는 점토광물 함량 변화는 유닛 2와 비슷하지만, 입도가 훨씬 세립하다.

코어 07YS-PC12 코어는 수직적인 점토광물함량이나 입도에서 큰 차이가 나지 않아 전체가 하나의 유닛으로 여겨진다(그림 2). 입도는 약 120 cm에서 모래 함량이 감소하는 경향이 있지만 그 외에는 입도에 큰 변화가 존재하지 않고, 점토광물의 함량 또한 표층을 제외하고 큰 변화가 없다. 입도분석 결과를 통해 유닛을 판단해보면 실트의 함량이 높아 유닛 3와 닮아있지만 점토광물함량의 평균값이 유닛 3과는 다르고 스멕타이트와 일라이트의 함량은 증가하고 카올리나이트와 녹니석의 함량은 감소하는 유닛 2와 비슷한 경향을 보여 유닛 2에 대비된다고 판단하였다.

동중국해 대륙붕의 퇴적상은 최후빙기극대기 이후 해수면 상승에 따라 사질 실트, 사질, 점토질의 순으로 변화한다(Hu et al., 2014; Dou et al., 2015). 해수면의 상승 이전 시기였던 최후 빙기는 저수위기로써 주로 사질 실트 퇴적상이 나타나고, 해수면이 빠르게 상승하는 해침기에는 사질 퇴적상이 나타난다. 해수면이 현재의 높이로 상승한 후, 현재와 같은 해류의 흐름이 형성된 고수위기에는 점토질 퇴적상이 나타나며, 황해와 동중국해의 대륙붕에 독립적인 여러 개의 이질퇴적체가 형성된다(Saito, 1998; Uehara and Saito, 2003; Dou et al., 2015). 위와 같이 나눈 3개의 유닛을 연대측정이 되어 있는 기존 연구 결과를 바탕으로 해석하면(Badejo et al., 2014; Dou et al., 2015), 제일 하부층인 유닛 3은 약 15,000년 이전의 최후 빙기(Llast glacial stage), 유닛 2는 15,000 - 7,000년 전의 해침기(transgressive stage), 제일 상부의 유닛 1은 약 7,000년 전부터 현재까지의 고수위기(high stand stage)에 해당된다. 유닛 3은 해수면의 높이가 현재보다 100 - 120 m 낮은 최후 빙기로, E03-11 코어의 하부 230 cm가 해당된다. 유닛 2는 최후 빙기 이후 해수면이 현재와 같은 높이로 빠르게 상승되는 시기이며, 07YS-PC12 코어 전체, E03-11 코어의 상부 70 cm, E03-06 코어의 하부 155 cm가 해당된다. 유닛 1은 해수면의 높이가 현재와 같아지며, 동중국해에 현재와 같은 해류 순환이 형성된 시기로서, E03-06의 상부 150 cm가 해당된다(Saito, 1998; Badejo et al., 2014; Li et al., 2014; Dou et al., 2015).

3.2 희토류원소

황해와 동중국해로 유입되는 강 퇴적물 중 한국 강 퇴적물들과 중국 대륙 및 타이완의 강 퇴적물 사이에는 희토류원소 조성에서 확실한 차이가 존재하기 때문에 퇴적물의 기원지를 명확하게 구분할 수 있는 것으로 보고되고 있다(Song and Choi, 2009; Xu et al., 2009; Li et al., 2013). 시료 처리와 분석 방법에 따라, 차이가 존재하지만, 한국 강 퇴적물들은 총 희토류원소함량(ΣREEs)이 225 ppm 이상으로 높은데 반하여, 중국 대륙이나 타이완의 강 퇴적물들은 205 ppm 이하로 낮은 값을 가진다(표 1). 중희토류(HREE, Heavy Rare Earth Elements. Gd에서 Lu)에 대한 경희토류(LREE, Light Rare Earth Elements. La에서 Eu)의 비(ΣLREEs/ΣHREEs) 역시, 한국 강 퇴적물들은 12.39로써 높은 데 반하여, 중국 대륙이나 타이완의 강 퇴적물들은 10 이하의 낮은 값을 가진다. 이와 같은 수치는 한국 강 퇴적물들은 중국 대륙이나 타이완의 강 퇴적물들에 비하여 총희토류의 함량이 높을 뿐만 아니라, 경희토류의 부화가 매우 심하다는 것을 지시한다(Song and Choi, 2009; Xu et al., 2009; Li et al., 2013).

Table 1.

REEs (Rare Earth Elements) characteristics of fine-grained sediments in cores E03-06, 07YS-PC12 and E03-06 from SWCIM in comparison with those in the potential provenances of SWCIM.

퇴적물의 희토류원소함량을 콘드로다이트(Chondrodite), 상부 대륙지각(UCC, Upper Continental Crust), 북미 셰일(NASC, North American Shale Composite) 등 잘 알려진 표준물질의 희토류원소함량으로 정규화한 값(normalized value)은 퇴적물의 기원지 연구를 위해 널리 사용되어온 방법인데, 이 중 황해에서 가장 많이 사용되는 표준물질은 상부 대륙지각이다(Taylor and McLennan, 1985; Jung et al., 2006; Xu et al., 2009; Dou et al., 2015; Lim et al., 2015). 상부 대륙지각으로 정규화한(UCC-normalized) 값 중, 경희토류와 중희토류 사이의 분별도(degree of fractination)를 지시하는 (La/Yb)_UCC 값의 경우 한국 강 퇴적물들은 1.5 이상으로 높은데 반하여, 중국 대륙이나 타이완의 강 퇴적물들은 1.1 이하의 낮은 값을 가진다(표 1). (Gd/Yb)_UCC 값 역시 한국 강 퇴적물들은 1.45 이상으로 높은데 반하여, 중국 대륙이나 타이완의 강 퇴적물들은 1.28 이하의 낮은 값을 가진다. 또한 (La/Yb)_UCC 값과 (Gd/Yb)_UCC 값은 서로 양의 상관관계를 나타낸다. 그러나 경희토류와 중간희토류(MREE, Middle Rare Earth Elements, Sm에서 Dy) 사이의 분별도를 지시하는 (Sm/Nd)UCC 값은 중국, 타이완, 한국강 퇴적물 모두 1.05에서 1.16 정도의 범위 내에서 비슷한 값을 나타낸다. 이와 같은 결과는 한국 강 퇴적물들을 중국 대륙이나 타이완의 강 퇴적물로부터 구분할 수 있는 지표로 (La/Yb)_UCC 값과 (Gd/Yb)_UCC 값이 사용될 수 있음을 지시한다.

중국대륙의 강 중 장강 퇴적물이 황하 퇴적물에 비하여 조금 높은 총 희토류원소함량을 나타내지만, 그 차이가 비교적 크지 않다(표 1). 장강, 황하, 타이완 강 퇴적물의 중희토류에 대한 경희토류의 비은 모두 8.9 내지 10.5로 서로 비슷하며, (La/Yb)_UCC 값, (Gd/Yb)_UCC이나 (Sm/Nd)UCC 값 역시 비슷하므로 장강 퇴적물, 황하 퇴적물과 타이완 강 퇴적물들을 희토류원소만을 이용하여 구분하는 것은 어려운 것으로 판단된다(Jung et al., 2006; Song and Choi, 2009; Xu et al., 2009; Dou et al., 2015).

3개의 코어를 이용하여 구분한 각 유닛에 대한 희토류원소 함량과 상부 대륙지각으로 정규화한 값은 황해나 동중국해로 유입 가능한 강 퇴적물의 값과 비교하기 위하여 표 1에 같이 제시되어 있다. 희토류원소의 총 함량은 유닛 1과 유닛 2는 모두 200 ppm 이하로써, 중국이나 타이완 강 퇴적물의 함량과 유사하지만, 유닛 3의 평균값은 220 ppm 으로 다른 유닛에 비하여 다소 높은 것을 알 수 있다. 중희토류에 대한 경희토류의 비(ΣLREEs/ΣHREEs)는 모든 유닛에서 10 이하이며, 한국강 퇴적물보다 중국이나 타이완 강 퇴적물과 비슷한 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 모든 유닛의 퇴적물들이 한국강 퇴적물보다는 중국이나 타이완 강 퇴적물의 영향을 더 많이 받았다는 것을 지시할 수 있다. 그러나, 유닛 3의 비교적 높은 총 희토류원소 함량은 중국이나 타이완 강 퇴적물뿐만 아니라 희토류원소가 풍부한 한국강 퇴적물이 혼합되어 나타날 수 있으며, 이는 유닛 3는 한국강 퇴적물의 영향을 일부 받았을 가능성이 있다는 것을 지시한다.

경희토류와 중희토류 사이의 분별도를 지시하는 (La/Yb)_UCC 값은 모든 유닛에서 1.10 내지 1.15 범위를 가지는데, 이 값 역시 모든 유닛들이 한국강 퇴적물보다 중국이나 타이완 강 퇴적물의 값과 유사하다(표 1). (Gd/Yb)_UCC의 경우 유닛 1과 유닛 2는 모두 1.25 이하로 중국이나 타이완 퇴적물과 유사하지만, 유닛 3의 경우 평균값은 1.27로 다른 유닛에 비하여 조금 큰 값을 가진다. 특히 유닛3의 하부 구간에서는 1.32에서 1.43의 비교적 높은 값을 가지는 것을 알 수 있다.

3개로 구분한 각 유닛들의 희토류원소 조성을 (La/Yb)_UCC와 (Gd/Yb)_UCC를 나타내는 그래프에 나타내면, 유닛들의 특성과 기원지를 쉽게 추론할 수 있다(그림 3). E03-11 코어의 하부에 해당하는 유닛 3은 대부분 중국강이나 타이완강 퇴적물의 영역에 도시되지만, 일부 시료는 중국강, 타이완강, 한국강 퇴적물 중간 영역에 표시된다. 3개 코어 모두 해당하는 부분이 있는 유닛 2의 경우, 모든 퇴적물들이 황하, 장강, 타이완 강 퇴적물 영역에 위치한다. E03-06 코어 상부에만 존재하는 유닛 1 퇴적물들은 장강이나 황하 퇴적물 영역에 대부분 표시된다(그림 3). 이와 같은 결과는 앞에서도 지적한 바와 같이 모든 유닛 퇴적물들이 주로 중국강이나 타이완 강 퇴적물의 영향을 받았다는 것을 지시하며, 유닛 3 하부 구간의 경우 한국강 퇴적물의 영향이 있었을 가능성을 암시하고 있다. 그러나 중국의 장강이나 황하 퇴적물 중 어느 강 퇴적물의 영향이 더 큰지는 이 자료만으로는 정확하게 해석이 어렵다. 희토류원소 분석을 통하여 추론한 세립질 퇴적물의 기원지를 요약하면, 모든 유닛의 퇴적물들은 주로 중국의 장강이나 황하 또는 타이완의 강 퇴적물로부터 기원했으며, 유닛 3 하부 구간에서 한국강 퇴적물이 부분적으로 유래할 가능성이 있다.

Fig. 3.

Discrimination plot between (La/Yb)UCC and (Gd/Yb)UCC of core sediments from SWCIM. a. Unit 1, b. Unit 2, c. Unit 3. Data regarding the potential provenance comprising the Chinese, Taiwan and western Korean rivers (Song and Choi, 2009; Li et al., 2013) are plotted for comparison. CJ; Changjiang, HH; Huanghe, TR; Taiwan rivers, KR; western Korean rivers.

3.3 점토광물조성

모든 코어 내 점토광물 함량은 일라이트, 녹니석 및 카올리나이트, 스멕타이트 순으로 풍부한 양상을 보인다(그림 2). E03-06 코어에서 가장 풍부한 광물은 일라이트로 평균 60%의 함량을 가지고, 두 번째로 풍부한 광물은 녹니석으로 평균 20%의 함량을 가진다. 그 뒤로 카올리나이트가 평균 15%의 함량을 보이며, 스멕타이트는 평균 5%의 함량으로 가장 적은 함량을 보인다(표 2). E03-11 코어 역시 일라이트가 평균 63%로 가장 풍부하고 그 뒤로 녹니석, 카올리나이트, 스멕타이트가 각각 평균 19%, 15%, 3%의 함량을 가진다. 07YS-PC12 코어 또한 일라이트가 평균 64%, 녹니석 평균 18%, 카올리나이트 평균 15%, 스멕타이트 평균 3%의 함량을 가진다.

Table 2.

Clay mineral characteristics of fine-grained sediments in cores E03-06, 07YS-PC12 and E03-06 from SWCIM in comparison with those in the potential provenances of SWCIM.

점토광물의 함량 및 상대적인 비는 모암에 따라 다른 특성을 가지기 때문에, 연구지역의 잠재적 기원지인 중국, 한국, 타이완 강 퇴적물들을 구분하는데 많이 적용되어 왔다(Li et al., 2014; Lim et al., 2015; Koo et al., 2018). 황하에서 공급되는 퇴적물들은 다른 강들에 비해 스멕타이트의 함량이 높고, 양쯔강에서 공급되는 퇴적물들은 다른 강들에 비해 일라이트의 함량이 높으며, 한국 강들로부터 공급되는 퇴적물들은 녹니석 및 카올리나이트의 함량이 다른 강보다 높은 특징을 보인다. 또한 타이완에서 공급되는 퇴적물들은 스멕타이트가 전혀 포함되지 않는다는 특징을 보인다(Choi et al., 2010; Cho et al., 2015; Lim et al., 2015; Koo et al., 2018).

E03-06 코어의 유닛 1에서 일라이트의 평균 함량은 65.4%, 카올리나이트와 녹니석의 합은 30.6%, 스멕타이트는 4.0%이고, S/I 비((스멕타이트/일라이트) × 100 ratio)는 6.2이다(표 2). 유닛 1에서 모든 점토광물들은 깊이에 따라 특별한 변화 양상을 나타내지 않는다. E03-06 코어의 유닛 2의 경우 일라이트의 평균 함량은 65.5%, 카올리나이트와 녹니석의 합은 29.2%, 스멕타이트는 5.3%이고, S/I 비는 8.1이다. 유닛 2에 속하는 07YS-PC12 코어 퇴적물 내 일라이트의 평균 함량은 63.5%, 카올리나이트와 녹니석의 합은 33.2%, 스멕타이트는 3.3%이고, S/I 비는 5.2이다. 이 코어의 경우 깊이가 감소함에 따라 스멕타이트 함량은 약간 증가하고, 카올리나이트와 녹니석의 합은 약간 감소하는 경향을 나타낸다. E03-11 코어의 유닛 2에서 일라이트의 평균 함량은 65.6%, 카올리나이트와 녹니석의 합은 29.7%, 스멕타이트는 4.7%이고, S/I 비는 7.1이다. E03-11 코어의 유닛 3의 경우 일라이트의 평균 함량은 64.8%, 카올리나이트와 녹니석의 합은 27.8%, 스멕타이트는 7.3%이고, S/I 비는 11.3이다. 유닛 3에서 깊이가 감소함에 따라 스멕타이트 함량은 감소하고, 카올리나이트와 녹니석의 합은 증가하는 경향을 나타낸다.

세 개로 구분한 유닛의 점토광물함량을 비교할 경우, 일라이트의 함량은 유닛에 따라 차이가 거의 없지만, 깊이가 감소하는 유닛 3-유닛 2-유닛 1 순으로, 스멕타이트 함량과 S/I 비는 적어지는 대신, 카올리나이트와 녹니석의 합은 많아지는 경향을 나타낸다(표 2).

녹니석과 카올리나이트의 함량, S/I비, 점토광물간의 상대적인 비는 퇴적물의 기원지 연구에 유용한 지시자로서 활용될 수 있다(Cho et al., 2015; Lim et al., 2015; Kwak et al., 2016; Koo et al., 2018; Park et al., 2019). 황하는 높은 스멕타이트의 함량으로 인해 평균 14 이상의 높은 S/I 비를 가지며, 타이완 강 퇴적물들은 스멕타이트 함량이 거의 0이며, 장강과 한국 강 퇴적물들은 S/I 비는 3 내지 5의 중간값을 가진다. 장강과 한국강 퇴적물들은 (녹니석+카올리나이트) 함량 차이로 구별이 가능한데, 장강의 경우 32-36%, 한국강 퇴적물들은 약 40%이다(표 2).

점토광물의 기원지를 구분하기 위해, 각 유닛들의 점토광물조성을 (녹니석+카올리나이트) 함량과 S/I비를 나타내는 그래프에 나타냈다(그림 3). 유닛 3는 E03-11 코어의 하부에 해당하는데, 여기에 속하는 세립질 퇴적물들은 모두 황하 퇴적물의 영역에 표시된다. 유닛 2의 경우, 07YS-PC12 코어는 모두 장강 퇴적물의 영역에 표시되지만, E03-06 코어의 하부와 E03-11 코어의 상부에 해당하는 유닛 2 퇴적물들은 황하-장강 퇴적물 사이에 위치하며, 이는 코어의 위치에 의한 차이로 판단된다. E03-06 코어 상부에만 존재하는 유닛 1 퇴적물들은 장강 퇴적물 영역에 대부분 표시된다(그림 3).

점토광물조성을 통하여 추론한 각 유닛의 퇴적물 기원지를 정리하면, 깊이가 가장 깊은 유닛 3은 황하 기원, 유닛 2는 장강 기원 또는 황하-장강 복합기원, 깊이가 가장 얕은 유닛 1은 장강 기원으로 해석된다. 타이완 강 퇴적물의 경우, 매우 낮은 S/I 비를 가지기 때문에, 다른 강 퇴적물들과 혼합될 경우 뚜렷한 구분이 어려울 수도 있다. 그러나, 타이완 강은 중국강들과 비교하여 퇴적물의 양이 매우 적고 연구지역과 가장 멀리 떨어져 있으며, 대부분의 퇴적물들이 황하와 장강 퇴적물의 조성과 유사하다. 따라서, 본 연구 결과에서 타이완 강의 영향은 무시될 수 있을 정도로 적을 것으로 판단된다.

3.4 퇴적물의 기원지

앞에서 희토류원소 분석을 이용하여 모든 유닛의 세립질 퇴적물은 중국의 강 퇴적물로부터 기원했으며, 유닛 3 일부 구간이 한국강 퇴적물의 영향을 받았다는 사실을 알 수 있다. 한편 점토광물조성 분석 결과를 이용하여 유닛 3은 황하 기원, 유닛 2는 장강 기원 또는 황하-장강 복합기원, 유닛 1은 장강 기원으로 해석하였다. 희토류원소와 점토광물조성 분석 결과를 모두 고려하면 보다 합리적인 기원지를 추론하기 위해 3개로 구분한 각 유닛들의 S/I 비와 (La/Yb)_UCC를 나타내는 그래프를 이용하였다(그림 4). E03-11 코어의 하부에 해당하는 유닛 3은 대부분 황하 퇴적물의 영역에 도시되지만, 일부 시료는 황하, 장강 및 한국강 퇴적물 중간 영역에 표시된다. 3개 코어 모두 해당하는 부분이 있는 유닛 2의 경우, 모든 퇴적물들이 황하-장강 퇴적물 사이에 위치한다. E03-06 코어의 하부에 해당하는 부분은 황하 퇴적물에 조금 더 가깝게 표시되는데 반하여, E03-11 코어의 상부에 해당하는 부분은 장강 퇴적물에 조금 더 가깝게 표시된다. E03-06 코어 상부에만 존재하는 유닛 1 퇴적물들은 장강 퇴적물 영역에 대부분 표시된다(그림 3). 이와 같은 결과는 앞에서도 지적한 바와 같이 모든 유닛 퇴적물들이 중국강 퇴적물의 영향을 더 많이 받았다는 것을 지시하며, 유닛 3 하부 구간의 경우 한국강 퇴적물의 영향이 있었을 가능성을 암시하고 있다. 희토류원소 분석과 점토광물 조성을 통하여 추론한 세립질 퇴적물의 기원지를 요약하면, 유닛 3는 황하, 유닛 2는 황하와 장강, 유닛 1은 장강으로부터 기원했으며, 유닛 3 하부 구간에서 한국강 퇴적물이 부분적으로 유래할 가능성이 있다.

Fig. 4.

Discrimination plot between S/I raito (× 100) and K+C of core sediments from SWCIM. a. Unit 1, b. Unit 2, c. Unit 3. Data regarding the potential provenance comprising the Chinese, Taiwan and western Korean rivers (Liu et al., 2008; Li et al., 2012; Cho et al., 2015; Koo et al., 2018) are plotted for comparison. CJ; Changjiang, HH; Huanghe, TR; Taiwan rivers, KR; western Korean rivers.

3.5 퇴적물의 유입 및 퇴적 환경

CLIMAP (Climate: Long range Investigation, Mapping, and Prediction)에 의하여 지난 18,000년 동안의 고기후와 고환경 변화에 대한 연구 결과 마지막 최대 빙하기 동안 지구의 해수면은 현재보다 평균 130 m 정도 낮았던 것으로 알려져 있다(Mix et al., 2001). 동중국해에 대한 다양한 연구가 한국, 일본 및 중국학자들에 의하여 지난 60년 동안 수행되었으며(Li et al., 2014), 동중국해에서 이루어진 고해양-고환경 연구에 의하면, 마지막 최대 빙하기 이후의 지질시대를 크게 3개의 시기 즉, 최후 빙기, 퇴빙기 및 고수위기 등으로 구분하고 있다(Li et al., 2014; Dou et al., 2015). 일반적으로 동중국해와 황해에서 최후 빙기는 15,000년 이전, 퇴빙기는 15,000-7,000년 전, 고수위기는 7,000년 이후로 알려져있다.

이번 연구에 사용된 코어들에서도 해수면 변화에 따른 동중국해 대륙붕의 대표적인 퇴적상들이 잘 나타나고 있다(그림 2). E03-11의 유닛 3는 사질 실트 퇴적상이 나타나고, 유닛 2는 사질 퇴적상이 나타난다. E03-06의 유닛 2는 사질 퇴적상이 나타나고 유닛 1은 점토질 퇴적상이 나타난다. 07YS-PC12는 코어 전체에서 사질 퇴적상이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 동중국해 주변에서 일어난 해수면 상승에 기인하여 유닛 3의 사질 실트 퇴적상으로부터 유닛 2의 사질 퇴적상을 거쳐, 유닛 1의 점토질 퇴적상 등으로 퇴적상이 변화하고 있다. 유닛 별 퇴적물의 입도 변화 요인은 여러 가지가 있을 수 있지만, 이 중 가장 중요한 것은 퇴적 환경의 변화로 해석할 수 있는데(Hyun et al., 2006; Dou et al., 2015), 그 이유는 퇴적물 공급지와의 거리와 수력학적 조건에 따라 퇴적되는 퇴적상이 서로 다르게 나타나기 때문이다(Jung et al., 2006; Choi et al., 2010; Lim et al., 2015). 그러므로 유닛별 퇴적상이 다르다는 점은 퇴적물이 공급될 당시의 환경이 서로 다르다는 것을 시사한다.

세립질 퇴적물의 기원지를 희토류원소 분석과 점토광물 조성을 통하여 연구한 결과, 유닛 3는 황하, 유닛 2는 황하와 장강, 유닛 1은 장강으로부터 기원한 것으로 추론하였다. 유닛별 퇴적상과 퇴적물 기원지 변화를 종합하여 유닛별 퇴적물의 유입과 퇴적 환경의 변화를 다음과 같이 해석하였다.

3.5.1 유닛 3 : 최후 빙기

최후 빙기 동안, 동중국해와 황해를 비롯한 동아시아의 주변 해역은 현재보다 수심이 최대 120 m 정도 낮았던 것으로 여겨지므로(Saito, 1998; Hanebuth et al., 2000; Li et al., 2014), 이 시기 동안 연구지역은 대부분 지면으로 노출된 환경이었거나 강 하구와 인접한 연안 환경이었을 가능성으로 여겨진다. 또한, 과거 고수로 연구에 의하면 연구지역 인근에는 고 황하 및 고 장강의 수로들이 분포하고 있었기 때문에(Wang, 1999; Yang et al., 2014; Yoo et al., 2016), 이 시기에는 황하와 장강의 고수로를 통해 연구지역에 퇴적물이 직접적으로 유입될 수 있었을 것으로 여겨진다(Dou et al., 2015). 강에서 공급된 퇴적물들은 강 하구와의 거리에 따라서 퇴적되는 퇴적물의 크기가 달라지는데, 조립질 퇴적물들은 강 하구와 거리가 가까운 지역에 퇴적되고, 점토와 같은 세립질 퇴적물들은 해류를 따라 강으로부터 멀리 운반되어 퇴적될 수 있다(Choi et al., 2010). 유닛 3이 퇴적된 이 시기는 사질 실트 상으로써 비교적 조립한 퇴적상을 가지고 있으므로, 퇴적물이 공급지와 가까운 거리에서 퇴적되었을 것으로 고려된다. 연구지역 동쪽에 위치한 코어 EEZ02-PC20은 약 20,000년의 기록을 가지고 있으며, 이 코어의 하부에서도 최후 빙기에 해당하는 사질 실트 퇴적물이 확인된다(Hyun et al., 2006). 이 사질 실트 퇴적물들은 퇴적물 상부와 비교하여 모두 C/N ratio가 10 이상으로 높고 δ¹³C의 값이 약 –25‰로 낮았으며, 이는 최후 빙기 동안 연구지역 주변으로 현재보다 육상 기원의 물질이 풍부하게 공급되었고 강 하구와 인접한 환경임을 나타낸다(Hyun et al., 2006).

기원지 연구 결과 유닛 3의 세립질 퇴적물은 황하로부터 공급되었던 것으로 해석되었고(그림 5), 저수위기에 황하의 고수로는 연구지역에 매우 가깝게 위치하였다(Yoo et al., 2016). 따라서 이 시기에는 고 황하로부터 공급된 퇴적물이 연구 지역으로 공급된 것으로 판단된다.

Fig. 5.

Discrimination plot between (La/Yb)UCC and S/I raito (× 100) of core sediments from SWCIM. a. Unit 1, b. Unit 2, c. Unit 3. Data regarding the potential provenance comprising the Chinese, Taiwan and western Korean rivers (Liu et al., 2008; Song and Choi, 2009; Li et al., 2012, 2013; Cho et al., 2015; Koo et al., 2018) are plotted for comparison. CJ; Changjiang, HH; Huanghe, TR; Taiwan rivers, KR; western Korean rivers.

저수위기 기간 동안 낮은 해수면으로 인해 고 장강 또는 한국 강들의 하구 또한 황해 남쪽에 위치하였을 수 있다(Yoo et al., 2016). 그러나 고 장강의 하구는 연구지역보다 더욱 남쪽 방향으로 위치하고 있었으며(Yoo et al., 2015), 저수위기동안 고 장강을 통해 공급된 퇴적물들은 연구지역이 아닌 연구지역 남쪽의 오키나와 곡분(Okinawa Trough)으로 공급되어 퇴적되었다(Dou et al., 2010a, 2010b; Xu et al., 2019). 따라서 연구지역에는 장강에서 공급된 세립질 퇴적물이 공급되지 않았을 것으로 판단된다. 한국 서부 강들의 고수로는 장강의 고수로와는 다르게 황하의 고수로와 매우 근접한 지역에 위치하고 있었다(Yoo et al., 2016). 그러나 한국의 강들로부터 공급되는 퇴적물들은 중국의 황하나 장강으로부터 공급되는 퇴적물들에 비해 매우 적은 양이 공급되고(Milliman and Meade, 1983), 세립질 퇴적물의 양 또한 황하나 장강에서 공급되는 양보다 매우 적은 양일 것으로 판단된다. 따라서 한국 강들로부터 공급된 퇴적물들은 연구지역으로 도달할 가능성은 있었을 수 있으나, 고 황하로부터 공급된 퇴적물에 비해 양이 매우 적었을 것으로 판단된다. 이와 같은 결과는 희토류 원소 분석을 통한 기원지 해석과도 일치하는 것으로 판단된다.

3.5.2 유닛 2 : 해침기

유닛 2 시기는 해수면이 현재의 높이까지 빠르게 상승하는 시기였다. 빠른 해수면 상승 때문에, 이 기간 동안 동중국해는 현재보다 강한 조석 작용으로 인한 응력에 의해 해역 전체에 Tidal Sand Ridge가 형성되었다(Uehara and Saito, 2003; Li et al., 2014). 해수면이 상승하면서 연구지역 주변에 위치하던 고 장강과 고 황하의 하구들은 연구지역으로부터 빠르게 멀어졌으나, 현재보다 높은 해저면의 응력과 그에 따른 강한 조석력으로 인해 연구지역에 조립질 퇴적물들이 공급되었다(Hu et al., 2014; Dou et al., 2015). 조립질 퇴적물들의 유입량이 많아져 3개의 코어가 속하는 유닛 2 시기에 공통적으로 모래의 함량이 높은 사질상이 지배적으로 나타난다(그림 2). 이러한 사질의 해침퇴적체는 탄성파 탐사를 통해 동중국해 대륙붕 전반에 분포하고 있음이 알려졌으며, 수로 또는 침식곡을 피복하는 형태로 발달한다(Choi et al., 2005). 또한, 해침퇴적체의 하부에서는 경사 부정합이 관찰되어 광역적인 침식작용이 있었을 것으로 판단되었으며(Choi et al., 2005), 이는 E03-11 코어의 유닛 2와 3 사이의 상당한 시간 차이로 나타날 수 있다(그림 2). 유닛 2의 발달 시기는 해수면이 상승한 이후 약 15,000년 전부터 해수면이 현재의 위치에 도착까지인 6,000-7,000년 이전까지로 추정되나(Saito, 1998; Yoo et al., 2002), 연구지역 주변의 코어 퇴적물들(코어 B2, B3, DH01, EEZ02-PC20)의 연대측정 결과에 의하면 약 5,000년 전까지 사질 퇴적물들이 공급될 수 있다(Choi et al., 2005; Hyun et al., 2006; Hu et al., 2014; Shan et al., 2018).

유닛 2에 속하는 3개의 코어들은 입도의 특징은 모두 유사하지만, 점토광물함량 변화는 두 가지로 구분할 수 있다. 즉, 시간의 경과에 따라 E03-06, E03-11과 같이 스멕타이트는 감소하고 일라이트는 증가하는 것이고, 두 번째는 07YS-PC12와 같이 스멕타이트는 증가하고, 일라이트가 감소하는 것이다. 두 가지 경우 모두 해수면이 상승하기 전과 후로 나눠 살펴보면 다음과 같다. 해수면이 상승하기 전 E03-06과 E03-11은 스멕타이트가 높은 특징을 가져 황하의 영향을 더 많이 받은 것으로 나타나고, 두 개의 코어 중 E03-06이 더 조립한 특징을 통해 황하의 하구가 E03-06에 근접할 것으로 판단하였다. 또한 해수면 상승 전 07YS-PC12는 일라이트가 높고, 07YS-PC12가 다소 조립질인 것을 통해 황하보다는 장강의 영향을 더 많이 받았으며, 07YS-PC12는 장강의 하구에 인접하였던 것으로 판단할 수 있다. 그리고 07YS-PC12의 스멕타이트 함량이 높아지는 것을 통해 해수면 상승 이전 07YS-PC12에 인접해있다고 판단했던 장강의 하구가 해수면이 상승하면서 육지 쪽으로 이동한 것으로 해석하였다.

유닛 2 퇴적물의 기원지는 장강과 황하 복합 기원으로 해석된다. 해침기에는 강한 응력에 의해 고 장강 및 고 황하의 인근지역에 퇴적되어 있던 퇴적물들이 강한 응력에 의해 재동되어 퇴적되었을 가능성이 있다(Li et al., 2014; Dou et al., 2015). E03-11은 유닛 2에서 유닛 1로 변화하는 과정 동안 황하의 영향이 약해지고 장강의 영향이 강해지는 경향을 보이는데, 이는 해수면의 상승 때문에 황하의 고 하구는 황해 해역으로 멀어지며 재동된 퇴적물들이 황하의 고 하구 주변에 퇴적되고, E03-11 코어의 근처에 있던 장강의 고 하구 지역에 퇴적되었던 퇴적물들이 재동되어 공급되었을 가능성이 존재한다.

3.5.3 유닛 1 : 고수위기

유닛 1이 퇴적된 고수위기는 해수면의 높이가 현재와 거의 같아진 약 7,000년 전부터 현재까지로 추정되며(Saito, 1998; Yoo et al., 2002), 강들의 하구가 현재의 위치와 같아지고, 동중국해와 황해에 현재와 같은 해류 순환 시스템이 형성된 시기이다. 해수면 상승에 의해 약해진 조석력과 강한 연안류에 의해, 강으로부터 배출된 퇴적물들은 대부분 연안 지역을 따라 퇴적되었으며, 일부 세립질 퇴적물들만이 해류 순환에 의해 동중국해와 황해의 대륙붕 내에 제주남서니질대, 황해중앙니질대, 흑산니질대와 같은 니질퇴적체를 형성하였다(Saito, 1998; Liu et al., 2008; Hu et al., 2014; Li et al., 2014; Dou et al., 2015). 연구지역의 유닛 1 퇴적물 내 모래의 함량은 적고, 점토 함량이 많은 특징은 전형적인 니질퇴적체의 특징을 나타낸다. 이 니질퇴적체가 발달하는 해역은 전반적으로 다른 지역보다 깊이 파인 저지대 지형으로, 침식 저지대에 점토질의 세립한 물질이 조용히 가라앉아 충진된 퇴적양상을 보인다(Choi et al., 2005). 따라서, 유닛 1 퇴적물들은 황해의 다른 니질퇴적체와 마찬가지로(Lim et al., 2015; Kwak et al., 2016; Koo et al., 2018), 연구 지역과 퇴적물 공급지와의 거리가 멀어 세립한 입자들만이 공급되는 것으로 판단된다.

현재 퇴적되고 있는 제주남서니질대 퇴적물의 기원지에 대한 많은 연구가 수행되었지만, 아직도 완전히 일치된 결론에 도달하지는 못하였다. 현세 동안 황하와 장강은 각각 매년 1.1×10⁹톤과 5×10⁸톤 이라는 엄청나게 많은 양의 퇴적물을 바다로 운반하고 있다(Milliman et al., 1985; Choi et al., 2005). 초기 연구들은 동중국해 북쪽에 분포하는 제주남서니질대를 반시계 방향의 순환 와류(counterclockwise cyclonic eddy)에 의하여 형성된 황하 퇴적물의 말단부 퇴적물(distal end)로 간주하였다(DeMaster et al., 1985; Milliman et al., 1985; Sato, 1989; Alexander et al., 1991; Yang et al., 2003). 장강 퇴적물은 황해연안류에 의해 동중국해를 거쳐 남쪽으로 운반되므로, 장강은 황해와 동중국해 북쪽 해역의 세립질 퇴적물의 중요한 기원지가 아닌 것으로 여겨졌었다. 그러나, 또 다른 연구 그룹들은 제주남서니질대가 황하 퇴적물 이외에도 장강 퇴적물이 혼합되어 형성되었다는 연구를 발표하였으며(Yoo et al., 2002; Choi et al., 2005; Youn et al., 2007), 지역에 따라 황하 또는 장강으로부터 서로 다른 정도의 퇴적물이 공급되었다는 결과도 발표되었다(Youn and Kim, 2011; Cho et al., 2013). 더 나아가 제주남서니질대 전부가 장강 퇴적물에 기원했다는 연구 결과도 최근 발표되었다(Hu et al., 2014).

점토광물조성과 희토류 조성을 이용한 이번 연구 결과는 현재 제주남서니질대에 해당하는 유닛 1 퇴적물들이 대부분 장강 기원으로 구분되었으며, 장강 퇴적물이 공급되었음을 제안한 최근 연구결과들과 일치한다(Hu et al., 2014). 장강 퇴적물은 강한 연안류에 의해 남쪽으로 이동 및 퇴적되지만, 일부는 장강희석수에 의하여 직접 연구지역에 유입되거나, 남쪽으로 이동한 장강 퇴적물이 쿠로시오 해류에 의하여 북상한 후 황해난류에 의하여 공급되는 것으로 여겨진다(Youn and Kim, 2011; Cho et al., 2013; Hu et al., 2014; Dou et al., 2015).

4. 결 론

제주남서니질대에서 획득한 3개의 코어에 대하여 희토류원소 분석과 점토광물조성을 분석한 후, 이미 수행된 입도 자료와 연대측정 자료를 비교하여, 3개의 유닛으로 구분하였으며, 각 유닛의 기원지와 공급 방법은 다음과 같다.

1) 해수면의 높이가 현재보다 낮았던 시기인 최후 빙기에 퇴적된 유닛 3은 높은 실트 함량과 높은 S/I 비를 나타내며, 퇴적물들은 대부분 고 황하를 통해 직접 유입되었으며, 일부 퇴적물은 한국강으로부터 유래한 것으로 판단된다.

2) 15,000년부터 7,000년 전 해침기 동안 해수면의 높이가 상승하는 시기에 퇴적된 유닛 2는 높은 조석력에 의하여 조립질 퇴적물들의 유입량이 증가하여, 사질상을 나타내며, 황하에서 장강으로 기원지가 이동하는 경향을 보여준다.

3) 해수면의 높이가 현재와 거의 같은 고수위기 퇴적물인 유닛 1의 퇴적물은 장강 퇴적물이 장강희석수에 의하여 연구지역에 유입되거나, 남쪽으로 이동한 후 황해난류에 의하여 공급되는 것으로 여겨진다. 유닛 1은 공급지와의 거리가 멀어 점토의 함량이 매우 높은 특징을 가진다.

4) 제주남서니질대의 세립질 퇴적물 기원지는 15,000년 전까지는 황하 기원, 그 이후부터 6,000년 전까지는 황하와 장강 복합 기원, 6,000년 이전부터 현재까지는 장강으로 해수면 상승에 따라 점점 이동하는 양상을 나타낸다.

Acknowledgments

이 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업입니다(No. 2017R1D1A1B03027818, 최후빙기극대기 이후 한반도 주변 고환경 변화 연구; 광물학적인 방법). 시료 준비 및 분석을 도와준 경상대학교 지질과학과 강현진, 구미향 학생에게 감사드립니다. 부족한 원고를 세심하게 검토하고, 유익한 지적을 하여주신 심사위원들에게도 감사를 드립니다.

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