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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.

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.

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).

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.

평균입도를 비롯하여 분급, 왜도 및 첨도와 같은 퇴적물 입자 크기와 관련된 물리적 특성은 퇴적물 운반 역학적 특성을 해석할 수 있는 기본 지표 중 하나로서 잘 알려져 있다. 특히, 해안 전면부(shoreface), 해빈, 해안사구 등 퇴적환경의 변화를 포함하는 연안지역에서는 퇴적환경을 구분하고 퇴적물의 기원지를 추적하거나 기원지로부터의 운반거리 및 운반기작(transport mechanism)을 해석하는 등 최근까지도 다방면으로 활용되기도 하였다(e.g., Abuodha, 2003; Alsharhan and El-Sammak, 2004; Kasper‐Zubillaga et al., 2007; Navapro et al., 2015). 이번 연구에서는 제주도 김녕지역 연안환경을 선상으로 조사하였는데, 퇴적물 공급지인 김녕해수욕장 인근 천해에서부터 내륙 쪽의 퇴적 지점까지 분급 및 왜도가 연속적으로 변화하는 양상이 나타나는 반면, 평균입도에서는 이러한 연속적인 변화는 확인할 수 없었다(그림 5). 하지만, 내륙 쪽에 있는 전사구와 배후사구 퇴적물은 해빈 두 지점보다 평균입도가 상대적으로 더 작고 범위는 더 넓다는 특징을 보인다(표 1; 그림 4a, 5). 또한, 분급도 해빈과 전사구 사이에서 불연속적인 특징이 뚜렷하다. 이와 같은 입도분석 결과는 전사구가 거리상 해빈과 매우 인접하게 위치하고 있음에도, 상대적으로 더 먼 거리에 있는 배후사구와 유사한 특징을 보여준다는 의미이다. 따라서 이러한 평균입도 특징의 원인을 파악하기 위해 해빈-전사구 사이 그리고 전사구-배후사구 사이로 나누어 퇴적물 운반 및 퇴적작용에 대해 논의하였다.

이번 연구에서 채취한 전사구 퇴적물 시료는 해빈 구역으로부터 약 40 m 이격된 지점에서 채취하였고, 이 지점으로부터 가장 인접한 배후사구 시료는 최소 250 m 이상 떨어진 지점에서 채취하였다(그림 1b, 1d). 이와 같은 시료 채취지점 사이의 거리를 고려하면, 연구지역에서 가장 큰 평균입도를 나타내는 해빈 퇴적물은 지속적인 쇄파(wave breaking)의 영향으로 세립질 입자가 선택적으로 제거된 결과로 해석할 수 있다(Davis, 1978; Abuodha, 2003). 반면, 해빈에서부터 전사구로 퇴적물을 공급하는 운반 매개체는 주로 바람으로서, 이 경우 풍속이 퇴적물을 이동시킬 수 있는 임계속도(threshold velocity)를 초과할 경우에 한해 세립질 입자부터 선택적으로 운반하기 시작하는 것으로 알려져 있다(Goldsmith, 1978; Nickling, 1988; Abuodha, 2003). 또한, 전사구 표층에는 식생이 서식하고 있고, 해빈과의 경계부에는 매우 가파른 풍사면(windward slope)이 형성되어 있는데(그림 1d, 3b), 이러한 지형적 특징은 난기류를 유발할 수 있는 조건을 제공하는 것으로 알려져 있으며, 이 조건 하에서는 도약이동하던 입자를 부유성 도약 혹은 단거리 부유이동으로 전환시킬 수 있다(Arens et al., 2002; Schwarz et al., 2021). 따라서 상대적으로 크기가 큰 입자보다 더 높이 상승하게 된 세립질 입자가 전사구 영역으로 운반될 수 있는 기회가 많기 때문에 매우 근거리 내에서도 세립화 현상이 나타날 수 있는 것으로 생각된다.

해빈-전사구 사이에서는 평균입도의 명확한 차이가 관찰되는데 반해, 전사구-배후사구 사이 혹은 배후사구 내에서는 퇴적물 공급지로부터 멀어짐에 따라 평균입도에 한해서 어떠한 경향성도 확인할 수 없었다(그림 5). 이는 퇴적물이 공급지로부터 사구지대로 운반되어 올 당시의 세부적 풍향 변화, 개별 사구 지형의 진화, 사구지대의 전체 규모 등 여러 복합적인 요인들에 의해 제어되었기 때문으로 추정된다(Kasper‐Zubillaga et al., 2007). 예를 들면, 풍속이 낮을 때는 조립질 입자가 사구 정상부(dune crest)에 도달하지 못하거나 퇴적물이 중력에 의해 미끄러지는 등 개별 사구 내에서도 평균입도의 차이가 관찰된 바 있다(Lancaster, 1982; Livingstone et al., 1999; Kasper‐Zubillaga et al., 2007). 또한, 평균입도가 공급지로부터 운반거리에 따라 점진적으로 변화한 사례를 보면 대부분 약 수십 내지 수백 km 이상의 대규모 사구지대에 해당한다(Zhang and Dong, 2015; Dawelbeit et al., 2022). 이 밖에도 우리나라의 대청도와 우이도에 위치한 해안사구에서는 짧은 거리에서도 평균입도 변화가 관찰된 사례가 존재하며(Park et al., 2009; Shin et al., 2017), 구성성분, 식생 피복 및 풍속 등이 평균입도 변화에 영향을 미칠 수 있는 가능성이 있다. 이번 연구의 야외조사 결과에 의하면 식생 피복이 양호하고, 퇴적물 혼합의 흔적은 관찰되지 않았다. 따라서 구성성분, 풍속, 사구 전체 규모 등이 제주도 김녕 해안사구에서 평균입도 변화가 나타나지 않는 요인을 제공했을 수 있다. 김녕 해안사구에서 나타나는 평균입도 변화의 부재 현상에 대한 보다 자세한 논의는 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.

평균입도와 달리, 분급과 왜도는 각각 내륙방향으로 갈수록 점차 양호해지는 경향을 보이며, 대칭 왜도에서 음성 왜도로 점진적인 변화가 뚜렷하게 나타나는 것이 특징이다(그림 5). 이러한 결과는 퇴적물이 내륙방향으로 운반되는 과정에서 점점 세립질 입자 중심으로 변화된다는 것을 의미한다. 해빈은 끌림이동이 일어나지 않을 만큼의 고에너지 환경으로, 대부분의 입자가 도약이동을 하며 2.7 Φ 이상의 입자는 부유이동을 통해 해빈 영역으로부터 제거된다(그림 4b). 입자가 사구지대 내로 운반되면, 1.0 Φ 이하의 입자들은 더 이상 도약이 아닌 끌림으로 이동하게 되며, 내륙 쪽으로 운반되는 빈도가 줄어들게 된다. 이와 반대로 1.0 Φ 이상의 입자들은 도약이동을 통해 활발히 운반될 수 있으며, 특히 2.7 Φ 이상의 입자는 부유 상태로 더 먼 거리까지 이동될 수 있기 때문에 내륙 쪽에 세립질의 입자가 더 집중적으로 공급될 수 있을 것이다(그림 4b). 여기서 주목할 점은 제주도 협재와 김녕 지역에서 진행된 기존 연구에서는 이러한 퇴적물 운반에 따른 점진적인 분급 및 왜도 변화가 보고되지 않았다는 점이다(Park et al., 2004; Woo and Kim, 2005; Ji et al., 2008). 이러한 차이는 지금까지의 연구가 그 목적 상 퇴적물 운반 기작에 집중되기 보다는 사구지형 혹은 과거 환경변화와의 연관성을 규명하기 위해 수행되었기 때문인 것으로 사료된다.

전술한 바와 같이 연구지역에서 채취한 표층퇴적물은 모두 동일한 종류의 구성성분을 보이고 있다. 하지만 구성성분 별 상대적 함량에 있어서는 공급지로부터 내륙 쪽으로 이동함에 따라 점진적으로 변화하는 경향이 확인되었다(그림9). 먼저 현무암 암편의 경우, 해빈에서는 박편과 실체현미경 하에서 각각 평균 0%와 3%로 나타났지만, 사구에서는 각각 평균 2%와 9%로 상대적으로 더 우세하게 관찰되었다. 세부 퇴적환경 별 에너지 조건을 고려하면, 이는 해빈으로부터 이동 및 퇴적된 탄산염 퇴적물이 내륙 방향으로 갈수록 주변 현무암 노두로부터 공급된 암편과 혼합될 수 있는 기회가 많아지기 때문인 것으로 추정된다(그림 3d).

이번 연구에서 가장 주목되는 결과는 탄산염 생쇄설 입자의 점진적인 변화이다. 즉, 홍조류 기원 생쇄설 입자의 함량은 해빈시료를 박편과 실체현미경 하에서 각각 분석하였을 때 평균 47%와 57%로 나타났지만, 사구에서는 평균 36%와 40%로 나타나 해빈 영역에서부터 내륙 쪽으로 갈수록 뚜렷하게 감소하는 경향이 관찰되었다(그림 9). 이와는 반대로 연체동물 입자의 함량은 해빈에서 평균 12%와 20%, 사구에서 평균 27%와 31%를 보이며, 해빈에서 내륙 쪽으로 증가하는 경향을 보였다. 이 결과는 추가적으로 실시한 X-선 회절 반정량 분석에서도 내륙 쪽으로 갈수록 아라고나이트의 함량이 점진적으로 증가하는 결과를 보여 재차 검증되었다(그림 10b). 주로 연체동물의 각질을 구성하는 아라고나이트가 기상수 환경(meteoric environments) 하에서 화학적 풍화 혹은 변질에 매우 취약한 광물이라는 점에서, 이는 다소 이례적인 결과라고 할 수 있다. 여기에 더해 연구지역의 기후 조건이 점차 사구 퇴적물 이동에 불리하게 변화하고 있다는 점에서 내륙 쪽 퇴적물 시료에서의 아라고나이트 입자 우세현상은 더욱 예상하기 어렵다(그림 2a).

주로 입자크기와 밀도에 의해 조절되는 규산염 쇄설성 입자의 유체역학적 거동 방식과는 달리, 탄산염 생쇄설 입자는 입자크기와 밀도에 더해 생물이 형성하는 각질 고유의 형태 및 내부 골격 구조 등에 의해서도 강한 영향을 받을 수 있는 것으로 알려져 있다(Maiklem, 1968; Braithwaite, 1973; de Kruijf et al., 2021). 기존 연구에 의하면 대체로 최대 투영 면적(maximum projected area)이 큰 판상의 형태를 갖는 생물종이 동일한 크기의 등방체 형태의 생물종에 비해 침강속도가 느리며, 상대적으로 크기가 작은 다른 형태의 입자와 함께 거동하는 것이 보고된 바 있다(e.g., Maiklem, 1968; Braithwaite 1973; Kench and McLean, 1996; Yordanova and Hohenegger, 2007). Navapro et al. (2015) 또한, 이들 연구에서는 현장 트랩실험 관찰결과를 토대로 풍성환경에서 평균입도 외에 입자의 모양과 밀도가 운반 거리 등을 조절하는 주요 요인일 수도 있다고 언급하였다. Rice (1991)는 탄산염 골격질 입자를 우세하게 포함한 모래와 석영 입자가 우세한 모래를 통한 실내실험을 통해 전자의 경우가 모래 입자 운송 궤적이 더 길고 낮은 특징이 있음을 확인하였으며, 주로 도약 운반되는 모래 입자가 유사한 모래로 이루어진 지표와 충돌 시 운동량의 손실이 적어 상대적으로 더 멀리 운반될 수 있다고 언급하였다. 이 지역 탄산염 퇴적물의 이동 방식 해석에 의하면 대부분의 입자가 도약 방식을 통해 이동했기 때문에(그림 4b), 김녕 해안사구 지역은 골격질 입자의 형태 특성에 의해 분별되기에 유리한 환경이라고 해석할 수 있다.

실제로 연구지역의 주요 구성성분에 대한 표면 형태 및 내부 미세구조를 관찰한 결과, 홍조류 기원 입자는 주로 단괴상으로, 연체동물 생쇄설 입자에 비해 상대적으로 등방체에 가까운 형태를 보이는 것이 확인된다(그림 8). 반면, 연체동물 기원 입자는 주로 판상의 형태로 나타나며, 입자의 두께가 얇고 최대 투영면적이 주요 구성성분들 중 가장 넓다는 특징이 있다. 결과적으로, 김녕지역 해안사구 퇴적물이 대부분 도약 방식으로 운반되는 조건 하에서 상대적으로 운반 효율이 높은 연체동물 기원 입자가 더 멀리 운반되어 내륙 쪽으로 갈수록 더 높은 함량을 보이는 것으로 판단된다.