제주도 김녕 해안사구 퇴적물의 특성 및 탄산염 모래 입자의 운반작용 연구

1. 서 론

해안사구는 해빈에 퇴적되어 있던 모래 크기의 입자들이 해풍을 통해 내륙 쪽으로 충분히 공급될 수 있는 조건의 해안환경에서 발달하는 풍성지형이다. 해안사구의 형태와 규모는 기원 입자의 종류와 분포, 퇴적물 유입, 바람 체제, 기후조건 및 식생 피복 등 여러 다양한 요인들의 조합에 의해서 조절된다(Lancaster, 1982; Nordstrom et al., 1990; Hesp, 2000; Pye and Tsoar, 2008). 육성환경과 해양환경 사이의 공간적 전환지점인 해안사구는 그 특성으로 인해 기후, 해수면 변동, 토양화 등에 민감하게 반응하며(e.g., Yizhaq et al., 2007; Muhs et al., 2009; Tsoar et al., 2009), 이에 더해 독특한 생태계를 형성하고 높은 생물학적 다양성을 갖는 것이 특징이다(Martínez et al., 2004). 또한, 해안사구는 천연 제방 및 저수지 형성 등 인간활동을 위한 공간적 기반을 제공할 뿐만 아니라, 농업, 광업 및 관광 자원으로서 활용되는 등 사회경제적으로도 중요한 의미를 지니는 자연지형이다(Carter, 1988).

해안사구는 열대지역에서부터 극지방까지 전세계 대부분의 연안지역에서 흔히 발견되는데, 국내의 경우에도 2016년 전국 해안사구조사 관리목록에 등재된 사구만 총 189개이다(National Institute of Ecology, 2017). 이에 따라 국내에서도 해안사구에 대한 기원을 규명하기 위한 지형지질학적 연구들이 수행되어왔다. 예를 들어, 해안사구의 형성시기 및 진화에 대한 연구로는 제주도 협재, 신양, 김녕 및 월정지역과 서해안의 신두리 및 만리포 해안사구를 대상으로 광여기루미네선스(Optically Stimulated Luminescence) 및 방사성탄소 연대측정 연구가 진행된 바 있다(Seo, 2005; Woo and Kim, 2005; Park and Son, 2007; Ji et al., 2008; Kim et al., 2010; Choi et al., 2014). 또한, 제주도 사계지역과 전국 해빈 및 해안사구를 대상으로 지형과 퇴적물 특성에 관해 연구된 사례가 있으며(Seo and Son, 2006; Rhew and Kang, 2020), 그 외 해안사구의 기원물질이라고 할 수 있는 해빈 퇴적물의 구성성분 및 계절변화에 대한 연구도 수행된 바 있다(Ji and Woo, 1995; Youn and Kim, 2011).

협재, 김녕, 월정지역 등 제주도에 위치한 해안사구는 국내에서 보고된 사례 중 탁월풍에 가장 큰 영향을 받은 것으로 평가되고 있으며(Rhew and Kang, 2020), 퇴적물을 공급하는 주요 기원지가 극히 뚜렷하게 인식되는 특징을 지닌다. 무엇보다도 이 지역의 해안사구들은 주변 해빈지역에서 생성된 냉수성 탄산염 생쇄설 입자를 매우 우세하게 공급받았다는 것이 가장 주요한 특징으로서(e.g., Ji and Woo, 1995), 한반도 육상지역에서 발견되는 다른 해안사구들과는 뚜렷하게 차별화된다. 또한, 김녕 해안사구는 인근 지역에 발달한 천연기념물이자 유네스코 세계자연유산에 포함된 중요 지질명소인 용천동굴과 김녕사굴 상부 지표를 피복하여 세계적으로 매우 희귀한 유형의 자연유산을 형성하는데 크게 기여한 지표지형으로 여겨지고 있다(Jeju Special Self-Governing Province, 2007).

위와 같이 희귀성 및 특이성 측면에서 중요한 의미를 지니는 김녕 해안사구에 대한 기존 연구들은 대부분 중규모 이상의 사구지형 발달 및 해안사구 형성 시기에 초점이 맞춰져 왔다(e.g., Park et al., 2004; Ji et al., 2008; Park and Park, 2009). 이의 예로서 김녕 해안사구의 기원에 관한 연구결과를 들 수 있으며, 그 결과에 의하면 이 지역의 해안사구는 해수면의 위치가 현재와 비슷해진 약 6,000년 BP 이후 탄산염 퇴적물이 활발히 생성되면서 발달하였다(Ji et al., 2008). 이와 같은 기존 연구들에도 불구하고 현재까지 김녕 해안사구를 구성하는 탄산염 퇴적물의 이동과 분별에 관한 상세한 연구결과는 보고된 바 없다.

이번 연구의 목적은 제주도 북동부 탄산염 해안사구의 퇴적물 이동과정과 분별에 대해 논의하고 보다 상세한 퇴적학적 과정과 요인을 파악하는 데 있다. 이를 위해 김녕 해안사구의 기원지인 해빈으로부터 내륙의 배후사구(hind dune)까지 표층 시료를 연속적으로 채취 및 분석하여 퇴적물 이동과정에 영향을 미친 운반 역학적 요인을 설명하고자 하였다.

2. 연구지역

김녕 해안사구는 제주도 북동부 연안지역에 분포하고 있으며, 행정구역상 제주특별자치도 제주시 구좌읍 김녕리, 경위도상으로는 북위 33°31′36′′~33°33′38′′, 동경 126°45′27′′~126°48′02′′ 지점에 위치한다(그림 1). 또한, 김녕 해안사구의 분포는 천연기념물 제466호이자 유네스코 세계자연유산에 속하는 중요 지질문화재인 용천동굴과 김녕사굴의 상부 지표를 폭넓게 가로지르고 있다.

Fig. 1.

Geographical setting of the study area and sampling locations in Gimnyeong coastal dunes. (a) Aerial photograph of the study area in 1969 (modified from National Geographic Information Institute, 2016). The inset figure shows a rose diagram of wind directions. Colour in the diagram indicates levels of wind velocity. Note that it is superimposed by distribution range of coastal dunes. (b) A topographical map of sampling sites. (c) A profile view of transect A-A’ in (b).

연구지역으로부터 약 30 km 떨어진 지점에 위치한, 제주기상대에서 측정한 1923-2022년의 연평균 기온은 15.3℃이며, 전 지구적인 온난화 경향과 유사하게 점진적으로 상승하는 추세를 보이고 있다(Korea Meteorological Administration, 2023; 그림 2a). 월별로 가장 높은 온도를 보이는 달은 8월로 26.5℃이고, 가장 낮은 온도를 보인 달은 5.3℃인 1월이다(그림 2b). 동일 기간의 연평균 강수량은 1,446 mm이고, 기온과 마찬가지로 8월이 244 mm로 가장 높은 강수량을 보인 반면, 강수량이 가장 적은 달은 12월로 57 mm를 기록하였다. 연평균 풍속은 4.1 m/s이며, 기온이 상승함에 따라 점진적으로 감소하는 추세를 뚜렷하게 보인다. 가장 높은 풍속을 보이는 달은 1월로 5.5 m/s이며, 이때의 최다풍향은 북서풍이다. 이에 반해 최저 풍속을 보인 달은 3.3 m/s의 6월로, 동풍이 최다풍향이다. 전체적인 풍향은 북북서와 북서 방향이 약 36%로 가장 우세하며, 풍속 또한 해당 풍향일 때 가장 높다(그림 1a).

Fig. 2.

The plots of weather conditions recorded at Jeju meteorological observatory from 1924 to 2022 (Korea Meteorological Administration, 2023). Each graph shows time-series data during total period (a) and data for monthly mean values (b), respectively.

제주도 북동부 연안지역은 내륙 쪽으로 완만한 상향경사를 보이며(그림 1b), 하천이 부재하다는 지형적 특징을 가진다. 해당 지역은 김녕 해안사구 뿐만 아니라, 독립적인 5갈래의 해안사구가 분포하고 있는데, 이들은 모두 개별 해빈으로부터 운반되어 온 모래가 내륙 쪽으로 이동하여 퇴적된 형태로 나타난다(그림 1a). 이 해안사구들은 북서-남동 방향으로 서로 거의 평행하게 배열되어 있는 특징을 보이며, 이러한 분포 방향은 최대 풍속 시기의 가장 우세한 풍향과 일치한다(그림 1a). 이 중 김녕 해안사구는 길이 약 6 km, 너비 1 km 이하의 제주도 최대 규모의 탄산염 해안사구로서, 지형적 특성을 고려했을 때, 해빈과 전사구(foredune) 및 배후사구로 구분할 수 있다. 해빈과 전사구는 현재 김녕해수욕장 내에 위치하는데, 해빈은 퇴적물이 파도의 영향을 지속적으로 받고 있는 영역에 해당된다(그림 3a). 이에 반해 전사구는 해안선으로부터 내륙으로 약 40 m 지점부터 형성되어 있으며, 약 3 m 높이의 사구애(dune cliff)를 경계로 해빈과는 구분되므로 파도 영향권 밖에서 주로 바람에 의해 사구 형성 퇴적물이 이동되고 있는 영역이다(그림 1c, 3b). 또한, 현재의 전사구 표층은 대부분 식생으로 덮여 있다. 김녕 해안사구 내 배후사구는 전사구로부터 내륙 쪽으로 약간의 지형 기복이 있는 평탄한 지역에 넓게 분포하고 있다. 배후사구 역시 전체적으로 식생이 피복하고 있으며, 사구 최상부층에 토양대가 발달하고 있다(그림 3c).

Fig. 3.

Photographs of sub-environments in Gimnyeong coastal dunes. (a) Gimnyeong Beach. (b) The foredune located between Gimnyeong Beach and hind dunes. This is covered by vegetation on dune surface. The black arrow in the inset photograph shows sediment accumulation by gravitational movements of sand grains. (c) A cross section of hind dune. (d) A basalt outcrop exposed around the dune field.

Ahn and Hwang (2009)은 화산지형, 암상, 화학조성, 지표형상을 기반으로 제주도 북동부의 층서를 선북오름 용암류, 북오름 용암류, 거문오름 용암류, 후거문오름 용암류로 구분하였다. 이 중 약 8,000년 전 이후에 분출된 것으로 추정되고 있는 거문오름 용암류는 분석구에서부터 북동쪽으로 흘러 해안지역까지 비교적 넓게 분포하고 있으며(Ahn et al., 2017), 이를 김녕 해안사구가 넓게 피복하고 있다. 해당 지역은 주로 불규칙한 형태의 기공이 풍부한 다공질의 침상장석감람석현무암으로 이루어져 있다. 이들은 약 1 mm 크기의 감람석과 침상장석이 반정으로 함유되어 있는 특징을 보인다(Ahn and Hwang, 2009; Yoon et al., 2014; Koh et al., 2019).

3. 연구방법

제주도 북동부 연안지역의 지표지형 및 사구분포를 파악하기 위해 항공사진과 DEM 분석을 수행하였다. 현재 이 지역은 경작지 및 도시개발로 인해 해안사구가 크게 훼손되었기 때문에 과거 1969년 음화필름을 이용해서 촬영한 항공사진(National Geographic Information Institute, 2016)을 활용하였다. 또한, 오픈 소스 소프트웨어 QGIS를 활용하여 수치지형도 기반 DEM을 작성하고, 이를 거쳐 생성한 음영기복도를 지형 분석에 활용하였다.

시료 채취는 퇴적물 이동에 유리한 북서풍 계열의 바람이 우세한 시기와 식생의 성장이 활발하지 않은 시기를 고려하여, 2021년 3월 26일부터 27일까지 2일간 진행하였다. 김녕 해안사구를 구성하는 퇴적물의 특징을 연속적으로 확인하기 위해서 김녕해수욕장에서부터 내륙 쪽으로 약 2 km 떨어진 지점까지 선상으로 시료를 채취한 후 표준체로 입도분석을 실시하였다. 해빈에서 2지점(GB01, GB02), 전사구에서 1지점(GF01), 그리고 배후사구에서 주변 지형을 고려하여 6지점(GD01~GD06)의 시료를 채취하였다. 이때 토양대 내에서 탄산염 사구퇴적물이 용해 등 화학적 풍화의 영향을 받지 않고 가장 최근에 퇴적되었을 것으로 판단되는 표층(대부분 약 50 cm 이내)에서 시료를 채취하였다. 입도분석 시 사용한 표준체의 조합은 0.0~0.5 Φ, 0.5~1.0 Φ, 1.0~2.0 Φ, 2.0~2.7 Φ, 2.7~3.3 Φ, 3.3~4.0 Φ, 4.0~4.5 Φ로 중립질-세립질 모래 범위에 대한 보다 세밀한 분석을 위해 위와 같이 구성하였다.

해빈에서부터 사구지대로 퇴적물이 운반됨에 따라, 평균입도 및 분급 등 구성입자의 특징에서 변화가 나타나는지 알아보기 위해 입도분석을 실시하였다. 연구지역의 퇴적물은 대부분 탄산염 입자로 구성되어 별도의 산처리는 진행하지 않았다. 분석을 완료한 후 GRADISTAT v9.1을 이용하여 Folk and Ward (1957)의 통계학적 방법으로 개별 시료에 대한 입도 매개변수를 계산하고 도시하였다(Blott and Pye, 2001).

연구지역의 표층퇴적물을 이루고 있는 구성성분을 식별하고 이에 대한 함량을 파악하기 위해, 모든 시료에 대해 모달분석을 실시하였다. 이 연구에서는 각 입자 동정의 불확실성 및 세부 방법 상의 문제를 상호검증하기 위해 두 가지 독립적인 방식으로 모달분석을 수행하였다. 첫 번째 방식은 전시료(bulk sample)를 에폭시로 경화시켜 박편으로 제작한 후 편광현미경(Nikon, Eclipse LV100) 하에서 관찰 및 구성성분을 분류한 후, 박편상에서 포인트 카운팅(point counting)을 진행하는 방식이다. 두 번째 방식은 시료 중 일부를 이용해 실체현미경(Nikon, SMZ18) 하에서 직접 구성성분을 동정 및 집계하는 방식이다. 포인트 카운팅은 각 시료당 250에서 300점 이상으로 실시하였으며, 각 구성성분을 백분율로 나타내었다.

퇴적물을 주로 구성하고 있는 탄산염 생쇄설 입자의 전체적인 형태와 표면 미세조직을 파악하기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 이용하였다. 분석기기는 강원대학교 강원연계형융합이미징특화센터(Kangwon Center for Systems Imaging, KCSI)에서 보유 중인 CX-200TM 모델(COXEM)과 이온코팅기(ion coater; COXEM, SPT-20)를 이용하였다. 주사전자현미경분석 이전에 실체현미경 하에서 구성성분을 분류한 후, 해당 입자를 탄소테이프 위에 부착하여 300초, 5 mA 조건에서 백금 코팅을 진행하였다. 이후 주사전자현미경을 활용하여 관찰목적에 따라, 80~20,000배 범위에서 관찰을 진행하였다. 관찰 시 가속전압 설정 조건은 20 kV의 범위이다.

퇴적물의 광물조성을 확인하기 위해, 다른 전처리 과정을 거치지 않은 전시료에 대해 X선 회절분석을 실시하였다. 먼저 볼밀(Spex Sampleprep, 8000D)을 이용하여 시료를 분말화한 후 알루미늄 재질의 원형 캐비티 마운트(cavity mount)에 시료를 준비하였다. 이후 강원연계형융합이미징특화센터에서 보유 중인 Rigaku사의 Miniflex 600를 이용하여 2θ 3~90° 구간에 대해 X-선 조사 간격 0.01°, 조사 시간 5초의 조건으로 XRD 분석을 수행하였다. PDXL2 소프트웨어와 내장된 COD reference card를 이용하여 X-선 회절 패턴에 부합하는 광물을 식별하였다. 정성분석에 더해 모달분석 자료와의 비교검증을 위하여 식별한 광물에 대한 리트벨트법 계산(Rietveld method)을 통해 반정량 분석을 수행하였다.

4. 연구결과

4.1 입도분석 결과

김녕 해빈 및 사구지대의 탄산염 퇴적물은 전체적으로 1.0~2.7 Φ 범위의 세립 내지 중립질 모래 입자가 약 81~92%를 차지하여 가장 우세하게 나타나며(평균입도 2.08 Φ), 단봉분포(unimodal distribution)를 보이는 것으로 확인되었다(표 1; 그림 4a). 해빈 2개 지점의 평균입도는 1.86 Φ와 1.88 Φ로, 연구지역에서 가장 큰 편에 속하며, 상대적으로 조립질 입자에 해당하는 1.0~2.0 Φ의 입도범위가 약 48~51%로 가장 많은 부분을 차지한다(그림 4, 5). 이에 반해 사구지대는 2.0~2.7 Φ의 입도범위가 약 48~69%로 가장 많은 것으로 나타났으며, 평균입도 범위도 상대적으로 세립인 2.04~2.30 Φ로 나타났다. 분급은 해빈과 사구지대에서 모두 중간 양호 분급(moderately well sorted)에 해당하는 0.51~0.67 Φ의 범위에 놓이지만, 배후사구 영역 내에서는 내륙방향으로 갈수록 점차 양호해지는 경향을 보인다(그림 5). 왜도의 경우, 대칭 왜도에서 음성 왜도(negatively or coarse skewed)로 점진적인 변화가 뚜렷하게 나타나며, -0.03~-0.24 값을 보인다. 첨도(kurtosis)는 0.75~1.50의 범위를 보이며, 평평한 첨도(platykurtic)에서부터 매우 뾰족한 첨도(very leptokurtic)까지 넓은 범위에 해당하는 것으로 나타났다. 첨도 결과를 상세히 보면 해빈 2개 지점에서는 각각 0.75과 0.78로 모두 평평한 첨도 범위에 해당하는데 반해, 사구지대는 0.91~1.50으로, 중간 첨도에서 매우 뾰족한 첨도까지 넓은 범위를 보인다.

Table 1.

Grain size parameters of surface sediments in Gimnyeong coastal dunes. The codes of all parameters for each sample are based on Folk and Ward (1957) (ms = medium sand; fs = fine sand; mws = moderately well sorted; s = symmetrical skewness; cs = coarse skewness; p = platykurtic; m = mesokurtic; l = leptokurtic; vl = very leptokurtic).

Fig. 4.

The results of particle size analyses. (a) Grain size distribution. (b) Cumulative weight frequency curves. The dashed lines indicate average lines for traction, saltation and suspension population in the beach and dunefield environments.

Fig. 5.

Variations of grain size parameters toward landward sites from the beach as the final provenance of dune sands.

대수확률 누적빈도곡선(Probability cumulative weight frequency curves)에서 해빈은 크게 도약군(saltation population)과 부유군(suspension population)에 해당하는 2개의 직선 마디만 구분되는 반면, 사구지대는 도약군과 부유군에 더해 바닥끌림군(traction population)에 해당하는 직선이 추가적으로 관찰되는 특징을 보여준다(그림 4b). 이때 직선 마디 중 가장 세립질 마디는 부유군, 중간 마디는 도약군, 가장 조립질 마디는 끌림군에 해당하는 것으로 해석되어 왔는데(e.g., Visher, 1969), 이에 기반하면 이번 연구에서 분석한 시료들은 봄철에 채취한 사구표면 퇴적물로서, 당시의 김녕 해빈 퇴적물의 도약군과 부유군의 경계는 2.7 Φ이며, 해빈 퇴적물을 이루고 있는 입자의 평균 95%가 도약군에 해당하는 것으로 나타났다. 사구 지대에서의 부유군과 도약군의 경계 또한 2.7 Φ로 일치하며, 도약군과 끌림군의 경계는 1.0 Φ 지점에서 나타나는 것을 확인할 수 있다. 사구 퇴적물 중 끌림군, 도약군 및 부유군에 해당하는 입자는 각각 평균 1%, 87%, 12%를 차지하고 있다.

4.2 구성성분 및 함량

연구지역의 표층퇴적물은 주로 탄산염 생쇄설 입자로 구성되어 있으며, 일부 현무암의 조암광물과 암편 입자를 포함하고 있다. 모든 시료에서 매우 우세하게 나타나는 탄산염 생쇄설 입자는 주로 홍조류, 연체동물, 태선동물, 유공충 및 성게류로 구성된다(그림 6, 7). 이들은 흔히 골격 마디 부분이 분리되거나 이후 더 잘게 깨지면서 파편화된 형태를 보인다. 이 외에도 판별이 불가한 입자의 비율이 약 0~10%를 차지한다.

Fig. 6.

Stereoscopic photomicrographs of the beach (a and b) and dune sediments (c~f). The codes of all components for each sample are as follows: R = red algae; M = mollusk; Br = bryozoan; F = foraminifera; E = echinoid; Bf = basalt fragment.

Fig. 7.

Photomicrographs for thin sections of beach (a and b) and dune sediments (c~f). The left side is for PPL (plane polarized light), and the right side is for XPL (cross polarized light). The codes of all components for each sample are as follows: R = red algae; M = mollusk; Br = bryozoan; F = foraminifera; E = echinoid; Bf = basalt fragment.

홍조류 기원 입자는 백색 내지 유백색을 띠며 주로 단괴상 및 마디상의 형태로 관찰된다(그림 6, 7, 8a). 거의 대부분 매끄러운 표면조직과 양호한 원마도를 보이며, 해당 입자의 단면에서는 약 10 µm의 크기로 나뉜 세포벽 구조를 뚜렷하게 관찰할 수 있다(그림 8b). 연체동물 기원 입자는 이매패류와 복족류 기원으로 나눌 수 있으며, 반투명한 백색 입자부터 여러 색상의 불투명 입자까지 다양하게 관찰된다. 이들은 불규칙한 크기로 파편화되어 있으며, 다른 구성성분에 비해 두께 대 너비의 비가 작은 전형적인 판상의 입자 형태를 보이는 것이 특징이다(그림 6, 7, 8a). 패각의 외부를 구성하는 주상구조(prismatic structure)와 내부에 판상으로 배열된 진주층(nacreous layer) 및 주상의 결정들이 서로 사교하고 있는 사박층(crossed lamellar)이 관찰되기도 한다(그림 7d, 7f, 8c). 태선동물은 백색과 연한 적색을 띠며, 주로 불규칙한 형태로 나타난다. 또한, 다양한 형태의 공극이 불규칙하게 연결된 골격구조가 전형적으로 잘 관찰된다(그림 6, 7, 8a, 8d). 유공충은 반투명 혹은 불투명한 백색을 띠며, 여러 개의 방이 연결된 형태로 다양한 모습을 보이는 것이 특징이다(그림 6, 7, 8a). 또한 일부 입자의 표면에서는 많은 수의 작은 공극들이 관찰되기도 한다(그림 8e). 성게류는 주로 흰색과 자색을 띠며, 바깥쪽으로 갈수록 좁아지는 전형적인 원기둥 형태의 침(spine)과 표면에 미세한 공극을 포함하고 있는 몸체 부분 입자(echinoid plate)를 관찰할 수 있다(그림 6, 7, 8a). 특히, 성게 침의 경우, 침 형태 입자의 종 방향과 나란한 세로 줄무늬를 관찰할 수 있으며, 입자 내부가 비어 있는 특징을 보인다(그림 8f). 편광현미경 상에서는 직소광을 보이는 특징 때문에 파동소광을 보이는 다른 구성성분과 뚜렷하게 구분된다. 현무암 기원의 암편 및 광물입자는 상대적으로 세립질 입자를 구성하는 편이며, 사장석, 휘석, 감람석 및 석영의 광물 조합을 보인다.

Fig. 8.

SEM-SE (secondary electron) images of main sedimentary components in Gimnyeong coastal dunes. a) Overall shapes of six main components. White bars indicate the scale of 100 μm. The microtextures of carbonate bioclast grains are indicated in (b)~(f).

확인된 6종류의 주요 구성성분에 대해 박편 내 모달분석을 실시한 결과, 가장 많은 함량을 보이는 홍조류와 연체동물 각질의 양이 해빈에서부터 내륙 쪽으로 갈수록 뚜렷하게 변화한다는 것을 확인할 수 있다(그림 9a). 이러한 박편을 활용한 모달분석 결과는 2차원 단면에서 관찰된 결과로서 다소 가변적일 가능성을 고려하여 추가적으로 실체현미경 하에서 진행한 모달분석 결과와 비교하여 검증하였다(그림 9b). 그 결과, 절대적인 함량과 지점별 값에서 다소 큰 차이가 나타났지만 해빈으로부터 내륙 쪽으로 함량이 변해가는 전반적인 경향성은 유사하게 나타났다.

Fig. 9.

Point counting results showing relative contents for each type of all sedimentary components. These are presented toward landward sites from the beach area. (a) A result under thin sections. (b) A result under the stereoscopic microscope.

연구지역에서 가장 우세한 구성성분은 홍조류로 박편과 실체현미경 하에서 각각 29~63%, 27~57%의 함량을 보인다(표 2). 이들은 해빈에서 함량이 가장 높은데 반해, 사구지대 내에서는 상대적으로 함량이 낮은 편이다. 연체동물은 두 번째로 우세한 구성성분에 해당하며, 8~34%와 14~37%의 함량을 보인다. 이들은 홍조류와는 반대로 해빈에서 상대적으로 함량이 낮은 편이며, 내륙 쪽으로 갈수록 함량이 증가하는 경향이 확인된다. 또한, 가장 내륙에 위치한 지점의 시료에서는 내륙 쪽으로 증가하던 연체동물의 함량이 홍조류의 함량과 유사해지는 특징이 관찰되었다(그림 9). 태선동물은 5~15%와 7~25%의 함량을 보이며, 두 가지 방법의 모달분석 결과에서 사구지대보다 해빈에서의 함량이 상대적으로 약간 높은 것으로 나타났으나, 전체 함량이 다소 낮다는 점과 모달분석 결과의 재현성을 고려했을 때 반복적인 재검증이 필요할 것으로 보인다. 유공충과 성게류는 각각 5~18%, 7~18%와 1~7%, 1~8%의 함량을 차지하고 있으며, 김녕 지역 탄산염 퇴적물 중 낮은 함량을 보이는 구성성분들에 해당한다. 시료채취 지점에 따른 이들의 함량 변화는 매우 낮은 편이고, 두 가지 모달분석 결과로 유사한 결과를 얻지 못했다. 이외에도 현무암 기원 암편 및 쇄설성 퇴적 입자는 0~20%와 0~15%까지 나타나며, 비록 재검증이 필요하지만 이번 연구의 결과에서는 해빈보다 사구지대에 더 많이 포함되어 있는 것으로 나타났다(그림 9).

Table 2.

Main composition of surface sediments in Gimnyeong coastal dunes. The codes of all components for each sample are as follows: R = red algae; M = mollusk; Br = bryozoan; F = foraminifera; E = echinoid; Bf = Basalt fragment; Un = undetermined.

4.3 X-선 회절분석 결과

전시료에 대해 X-선 회절분석 결과, 연구지역의 주요 구성광물은 일반적으로 탄산염 생쇄설 입자의 주요 구성광물로 잘 알려져 있는 방해석과 아라고나이트로 확인된다(그림 10a). X-선 회절분석 결과는 이들을 지시하는 주 정점(peak)을 뚜렷하게 나타내지만, 그 외 다른 광물에 해당하는 정점들도 미약하게 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이들은 일반적으로 현무암의 조암광물에 해당하는 사장석, 휘석, 감람석, 석영을 지시하며, 해빈 시료의 경우 전처리 과정에서 형성된 암염에 의한 정점이 확인된다.

Fig. 10.

XRD results for bulk sediment samples from Gimnyeong coastal dunes. (a) XRD patterns showing main constituents of calcite and aragonite. The codes of all minerals for each sample are as follows: Cal = calcite; Arag = aragonite; Ol = olivine; Px = pyroxene; Pl = plagioclase; Qtz = quartz; Hal = halite. (b) Landward variations of the semi-quantitative, relative contents among calcite, aragonite and the other components based on Rietveld method.

X-선 회절분석으로 확인된 구성광물들에 대해 반정량 분석을 실시하였으며, 방해석 48.0~76.3%, 아라고나이트 7.6~40.8%, 기타 감람석 7.1% 이하, 휘석 13.3% 이하, 사장석 12.3% 이하, 석영 6.5% 이하, 암염 2.4% 이하로 계산되었다(표 3). 주요 특징으로는 가장 높은 함량으로 나타난 방해석과 아라고나이트의 전반적인 변화 경향성이다. 즉, 방해석의 경우 내륙 쪽으로 갈수록 점차 감소하는 경향을 보인데 반해, 아라고나이트는 내륙 쪽으로 갈수록 증가하는 경향성이 모달 분석 결과에 이어 재확인되었다(그림 10b). 이 외의 구성광물들은 시료채취 지점에 따라 함량이 변화하긴 했지만, 명확한 경향성을 확인할 수는 없었다.

Table 3.

Mineralogy of surface sediments in Gimnyeong coastal dunes. The values display the semi-quantitative percentiles by Rietveld method through XRD patterns. The codes of all minerals for each sample are as follows: Cal = calcite; Arag = aragonite; Ol = olivine; Px = pyroxene; Pl = plagioclase; Qtz = quartz; Hal = halite.

5. 토 의

6. 결 론

이번 연구에서는 제주도 구좌읍 김녕 해안사구를 구성하는 탄산염 사질 퇴적물의 특성에 대해 분석하고, 이를 통해 퇴적물 운반 및 퇴적과정 중 발생된 주요 영향 요인을 파악하고자 하였다. 이를 위해 현생 표층 퇴적물을 대상으로 기원지인 김녕 해빈 지역부터 내륙의 사구 분포지역까지 퇴적물 특성의 수평적 변화를 분석하였다. 김녕 해안사구 퇴적물의 물리적 특성 중 평균입도와 분급의 경우, 해빈-전사구 영역 사이에서 불연속적인 특징을 나타내어 인접 위치임에도 비교적 뚜렷한 차이를 보였다. 이는 파도와 조석에 의해 조절되는 환경에서 대기 중 풍성환경으로 전이되는 구간에서 나타난 현상으로, 풍성환경 하에서의 퇴적물 운반 조건이 세립질 퇴적물 운반에 유리하기 때문인 것으로 판단된다. 특징적으로, 왜도가 배후사구 내에서 점진적으로 음성 왜도를 나타내어 해안가 풍성환경에서 내륙으로 진입할수록 조립질 퇴적물에 비해 세립질 퇴적물의 운반에 유리한 조건이 형성된 것으로 해석된다. 퇴적물의 입도별 누적빈도곡선 분석결과, 도약운동에 의해 이동하는 퇴적물이 김녕 해안사구 탄산염 퇴적물의 대부분을 구성하는 것으로 평가되었다. 사구 퇴적물의 주요 구성성분 중 방해석으로 구성된 홍조류 기원 입자는 내륙으로 갈수록 감소한 반면, 주로 아라고나이트로 구성된 연체동물 기원 입자의 경우 함량이 증가하는 특징이 나타났다. 이와 같은 현상은 김녕 지역 탄산염 생쇄설 입자를 생성하는 해양생물종 패각의 고유한 형태적 특징에 기인하는 것으로 해석된다. 이번 연구의 결과는 기존의 해양환경에 초점이 맞춰져 있던 탄산염 생쇄설 입자의 형태에 따른 유체역학적 거동 특성이 현생 제주도 풍성환경에도 적용될 수 있음을 시사한다.

Acknowledgments

논문의 질적 향상에 많은 도움을 주신 편집위원장님, 편집위원님, 심사위원님들께 감사드립니다. 이 연구는 23년 대한민국 교육부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었습니다(NRF-2023R1A2C100 6352).

References

• Abuodha, J.O.Z., 2003, Grain size distribution and composition of modern dune and beach sediments, Malindi Bay coast, Kenya. Journal of African Earth Sciences, 36, 41-54. [https://doi.org/10.1016/S0899-5362(03)00016-2]
• Ahn, U.S., Choi, J.H. and Yeo, E.Y., 2017, Eruption timing of the Geomun Oreum through the comparison of radiocarbon and quartz OSL ages. Journal of the Geological Society of Korea, 53, 367-376 (in Korean with English abstract). [https://doi.org/10.14770/jgsk.2017.53.3.367]
• Ahn, U.S. and Hwang, S.K., 2009, Study on Source of Lava Flows Forming the Manjanggul Lava Tube. Journal of the Petrological Society of Korea, 18, 237-253 (in Korean with English abstract).
• Alsharhan, A.S. and El-Sammak, A.A., 2004, Grain-size analysis and characterization of sedimentary environments of the United Arab Emirates coastal area. Journal of coastal Research, 20, 464-477. [https://doi.org/10.2112/1551-5036(2004)020[0464:GAACOS]2.0.CO;2]
• Arens, S.M., Van Boxel, J.H. and Abuodha, J.O.Z., 2002, Changes in grain size of sand in transport over a foredune. Earth Surface Processes and Landforms, 27, 1163-1175. [https://doi.org/10.1002/esp.418]
• Blott, S.J. and Pye, K., 2001, GRADISTAT: a grain size distribution and statistics package for the analysis of unconsolidated sediments. Earth surface processes and Landforms, 26, 1237-1248. [https://doi.org/10.1002/esp.261]
• Braithwaite, C.J.R., 1973, Settling behaviour related to sieve analysis of skeletal sands. Sedimentology, 20, 251-262. [https://doi.org/10.1111/j.1365-3091.1973.tb02048.x]
• Carter, R.W.G., 1988, Coastal Environments: An Introduction to the Physical, Ecological, and Cultural Systems of Coastlines. Academic press, London, 617 p.
• Choi, K.H., Jung, P.M., Kim, Y.M. and Lee, S.Y., 2014, Radiocarbon dating and sedimentary environment of the coastal dunes, Shinyang-ri, Jeju Island. Journal of the Korean Geomorphological Association, 21, 59-68 (in Korean with English abstract). [https://doi.org/10.16968/JKGA.21.2.5]
• Davis, R.A., 1978, Beach and nearshore zone. In:Davis, R.A. (eds.), Coastal Sedimentary Environments. Springer, New York, 379-444. [https://doi.org/10.1007/978-1-4612-5078-4_6]
• Dawelbeit, A., Jaillard, E. and Eisawi, A., 2022, Grain size analysis of the latest Quaternary Kordofan sand of Central Sudan: depositional environment and mode of transportation. Aeolian Research, 55, 100785. [https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2022.100785]
• de Kruijf, M., Slootman, A., de Boer, R.A. and Reijmer, J.J., 2021, On the settling of marine carbonate grains: Review and challenges. Earth-Science Reviews, 217, 103532. [https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2021.103532]
• Folk, R.L. and Ward, W.C., 1957, Brazos River bar [Texas]; a study in the significance of grain size parameters. Journal of sedimentary research, 27, 3-26. [https://doi.org/10.1306/74D70646-2B21-11D7-8648000102C1865D]
• Goldsmith, V., 1978, Coastal dunes. In:Davis, R.A. (eds.), Coastal Sedimentary Environments. Springer, New York, 171-235. [https://doi.org/10.1007/978-1-4684-0056-4_5]
• Hesp, P., 2000, Coastal Sand Dunes: Form and Function. Forest Research, Rotorua, 28 p.
• Jeju Special Self-Governing Province, 2007, https://www.jeju.go.kr/news/news/data.htm?qType=title&q=%EB%8F%99%EA%B5%B4&act=view&seq=798943, (September 15, 2010).
• Ji, H.S., Woo, K.S., Kim, R., Choi, D.W., Yang, D.Y. and Park, B.K., 2008, The age and origin of carbonate sand dunes in Gimnyeong area, Jeju Island. Journal of the Geological Society of Korea, 44, 615-628 (in Korean with English abstract).
• Ji, O.M. and Woo, K.S., 1995, Compositional Variations of the Beach Sediments in Cheju Island. Journal of the Korean Society of Oceanography, 5, 480-492 (in Korean with English abstract).
• Kasper‐Zubillaga, J.J., Zolezzi‐Ruíz, H., Carranza‐Edwards, A., Girón‐García, P., Ortiz‐Zamora, G. and Palma, M., 2007, Sedimentological, modal analysis and geochemical studies of desert and coastal dunes, Altar Desert, NW Mexico. Earth Surface Processes and Landforms, 32, 489-508. [https://doi.org/10.1002/esp.1402]
• Kench, P.S. and McLean, R.F., 1996, Hydraulic characteristics of bioclastic deposits: new possibilities for environmental interpretation using settling velocity fractions. Sedimentology, 43, 561-570. [https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.1996.d01-23.x]
• Kim, J.C., Eum, C.H., Yang, D.Y., Kim, G.D., Cheong, D.K. and Choe, H.G., 2010, A preliminary study of paleoenvironments using OSL (Optically Stimulated Luminescence) dating of coastal dune sequences on Manripo area. Journal of the Geological Society of Korea, 46, 207-219 (in Korean with English abstract).
• Koh, C.S., Yoon, S.H., Hong, J.G., Jeong, J.O. and Kim, J.J., 2019, Stratigraphic analysis of the drilling core in Woljong-ri coastal area, Jeju Island. Journal of the Geological Society of Korea, 55, 1-20 (in Korean with English abstract). [https://doi.org/10.14770/jgsk.2019.55.1.1]
• Korea Meteorological Administration (KMA), 2023, https://data.kma.go.kr/cmmn/main.do, (February 13, 2023).
• Lancaster, N., 1982, Dunes on the Skeleton Coast, Namibia (South West Africa): geomorphology and grain size relationships. Earth surface processes and landforms, 7, 575-587. [https://doi.org/10.1002/esp.3290070606]
• Livingstone, I., Bullard, J.E., Wiggs, G.F. and Thomas, D.S., 1999, Grain-size variation on dunes in the Southwest Kalahari, Southern Africa. Journal of sedimentary research, 69, 546-552. [https://doi.org/10.2110/jsr.69.546]
• Maiklem, W.R., 1968, Some hydraulic properties of bioclastic carbonate grains. Sedimentology, 10, 101-109. [https://doi.org/10.1111/j.1365-3091.1968.tb01102.x]
• Martínez, M.L., Psuty, N.P. and Lubke, R.A., 2004, A perspective on coastal dunes. In:Martínez, M. L. and Psuty, N.P. (eds.), Coastal Dunes: Ecology and Conservation. Springer, Berlin, 3-10. [https://doi.org/10.1007/978-3-540-74002-5_1]
• Muhs, D.R., Skipp, G., Schumann, R.R., Johnson, D.L., McGeehin, J.P., Beann, J., Freeman, J., Pearce, T.A. and Rowland, Z.M., 2009, The origin and paleoclimatic significance of carbonate sand dunes deposited on the California Channel Islands during the last glacial period. In:Damiani, C.C. and Garcelon, D.K. (eds.), Proceedings of the 7th California Islands Symposium. Institute for Wildlife Studies, Arcata, 3-14.
• National Geographic Information Institute (NGII), 2016, https://www.map.ngii.go.kr/ms/map/NlipMap.do, (November 25, 2016).
• National Institute of Ecology, 2017, Survey on the coastal sand dune status for conservation and management plan, Ministry of Environment, 192 p (in Korean).
• Navapro, M., Muñoz Pérez, J.J., Roman-Sierra, J., Ruiz-Cañavate, A. and Gomez-Pina, G., 2015, Characterization of wind-blown sediment transport with height in a highly mobile dune (SW Spain). Geologica Acta, 13, 155-166.
• Nickling, W.G., 1988, The initiation of particle movement by wind. Sedimentology, 35, 499-511. [https://doi.org/10.1111/j.1365-3091.1988.tb01000.x]
• Nordstrom, K., Psuty, N. and Carter, B., 1990, Coastal dunes: Form and Process. Wiley, Chichester, 392 p.
• Park, C.Y., Choi, K.H. and Kim, J.W., 2009, Geomorphological Characteristics and Process of Development of Okjukdong Coastal dune, Daecheong Island. Journal of the Korean Geomorphological Association, 16, 101-111 (in Korean with English abstract).
• Park, K. and Park, J.H., 2009, A Study on Dune-building Periods and Soil-forming Periods of Gimnyeong Sand dune Area. Journal of the Korean Geomorphological Association, 16, 111-122 (in Korean with English abstract).
• Park, K. and Son, I., 2007, Luminescence Dating Results from Kimnyong-Wolchung Coastal Sand-dune and Their Implications. Journal of the Korean Geomorphological Association, 14, 33-41 (in Korean with English abstract).
• Park, K., Son, I. and Chang, E.M., 2004, Development of Coastal Sanddunes at Kimyong-Wolchung Beach in Jejudo. Journal of the Korean Association of Regional Geographers, 10, 851-864 (in Korean with English abstract).
• Pye, K. and Tsoar, H., 2008, Aeolian Sand and Sand Dunes. Springer, Berlin, 416 p. [https://doi.org/10.1007/978-3-540-85910-9]
• Rhew, H.S. and Kang, J.H., 2020, Morphological and Textural Characteristics of the Beach-dune System in South Korea, with the Possibility of a Dune Type Scheme Based on Grain-size Trend. Journal of the Korean Geomorphological Association, 27, 53-73 (in Korean with English abstract). [https://doi.org/10.16968/JKGA.27.3.53]
• Rice, M.A., 1991, Grain shape effects on aeolian sediment transport. In:Barndorff-Nielsen, O.E. and Willetts, B.B., Aeolian Grain Transport 1: Mechanics, Springer, Vienna, 159-166. [https://doi.org/10.1007/978-3-7091-6706-9_10]
• Schwarz, C., Van Starrenburg, C., Donker, J. and Ruessink, G., 2021, Wind and sand transport across a vegetated foredune slope. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 126, e2020JF005732. [https://doi.org/10.1029/2020JF005732]
• Seo, J.C., 2005, A Luminescence Dating for a Relict Dune from the Sindu Dunefield. Journal of the Korean Association of Regional Geographers, 11, 114-122 (in Korean with English abstract).
• Seo, J.C. and Son, M.W., 2006, The Geomorphology and the Sediment Characteristics of Sagye Coastal Dune, Jeju Island, Korea. Journal of the Korean Association of Regional Geographers, 12, 631-644 (in Korean with English abstract).
• Shin, W.J., Kim, J.W., Kim, J.Y. and Choi, J.H., 2017, The Processes of Coastal Dunes and its Geomorphological Characteristics, Ui-island, Shinan-gun, Korea. Journal of the Korean Geomorphological Association, 24, 1-13. [https://doi.org/10.16968/JKGA.24.2.1]
• Tsoar, H., Levin, N., Porat, N., Maia, L.P., Herrmann, H.J., Tatumi, S.H. and Claudino-Sales, V., 2009, The effect of climate change on the mobility and stability of coastal sand dunes in Ceará State (NE Brazil). Quaternary Research, 71, 217-226. [https://doi.org/10.1016/j.yqres.2008.12.001]
• Visher, G.S., 1969, Grain size distributions and depositional processes. Journal of Sedimentary Research, 39, 1074-1106. [https://doi.org/10.1306/74D71D9D-2B21-11D7-8648000102C1865D]
• Woo, K.S. and Kim, J.K., 2005, The age and constituents of the carbonate sand dunes in Heopjae area, Jeju Island: Implication for late Holocene sea level change. Journal of the Geological Society of Korea, 41, 499-510 (in Korean with English abstract).
• Yizhaq, H., Ashkenazy, Y. and Tsoar, H., 2007, Why do active and stabilized dunes coexist under the same climatic conditions?. Physical Review Letters, 98, 188001. [https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.188001]
• Yoon, S., Jung, C.Y., Hyun, W.H. and Song, S.T., 2014, Tectonic history of Jeju Island. Journal of the Geological Society of Korea, 50, 457-474 (in Korean with English abstract). [https://doi.org/10.14770/jgsk.2014.50.4.457]
• Yordanova, E.K. and Hohenegger, J., 2007, Studies on settling, traction and entrainment of larger benthic foraminiferal tests: implications for accumulation in shallow marine sediments. Sedimentology, 54, 1273-1306. [https://doi.org/10.1111/j.1365-3091.2007.00881.x]
• Youn, J.S. and Kim, T.J., 2011, Seasonal Variations of Hamo and Hyeopjae Beach Sediments in the Western Part of Jeju Island. Journal of the Korean Earth Science Society, 32, 265-275 (in Korean with English abstract). [https://doi.org/10.5467/JKESS.2011.32.3.265]
• Zhang, Z. and Dong, Z., 2015, Grain size characteristics in the Hexi Corridor Desert. Aeolian Research, 18, 55-67. [https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2015.05.006]