출처:

Yokoyama, Y., Fifield, L.K., Lambeck, K., De Deckker, P., Johnston, P., 2000. Timing of the Last Glacial Maximum from observed sea-level minima. Nature 406 (6797), 713-716.

Timing of the Last Glacial Maximum from observed sea-level minima

Yusuke Yokoyama*, Kurt Lambeck*, Patrick De Deckker+, Paul Johnston & L. Keith Fifield§

요코야마 유스케(Yusuke Yokoyama), 커트 램벡(Kurt Lambeck), 패트릭 드 데커(Patrick De Deckker), 폴 존스턴(Paul Johnston) & L. 키스 파이필드(L. Keith Fifield)

• *Research School of Earth Sciences, +Department of Geology, § Department of Nuclear Physics, Research School of Physical Sciences and Engineering, The Australian National University, Canberra, ACT 0200, Australia
• *호주국립대학교(The Australian National University), +지구과학 연구대학원, 지질학과, §물리과학 및 공학 연구대학원, 핵물리학과, 캔버라(Canberra), ACT 0200, 호주(Australia)

 

논문 요약

1. 개요: 빙하기 최대 미스터리에 대한 새로운 접근

최후빙기절정기(LGM)는 지구 역사상 마지막으로 빙하가 가장 거대했던 시기를 말한다. 당시 북반구의 광대한 지역이 거대한 얼음 덩어리(빙상)에 덮여 있었다. 과학자들은 이 시기가 언제였고, 또 당시 얼음의 양이 정확히 얼마나 많았는지 늘 궁금해했다. 하지만 얼음이 모두 녹아버린 지금, 그 흔적을 찾아 정확한 답을 내놓기란 매우 어려웠다.

이 논문은 이 미스터리를 풀기 위해 아주 기발한 방법을 사용한다. 바로 사라진 얼음을 직접 연구하는 대신, 당시의 ‘바다’를 관찰하는 것이다. 논리의 핵심은 간단하다.

“육지에 얼음이 많아지면 → 바닷물은 줄어들고 → 해수면은 낮아진다.”

연구팀은 이 원리를 이용해, 해수면이 가장 낮았던 지점을 찾으면 빙하가 가장 많았던 시기와 그 양을 역으로 추적할 수 있다고 생각했다. 연구 장소로는 지각 변동이 거의 없어 안정적인 호주 북서쪽의 보나파르트만(Bonaparte Gulf)을 선택했다. 이곳은 과거 해수면의 흔적이 왜곡 없이 잘 보존되어 있기 때문이다.

 

2. 연구 방법: 바닷속 퇴적물로 과거를 읽다

연구팀은 보나파르트만 해저에 시추 장비를 박아 긴 원통 모양의 퇴적물 코어(sediment core)를 뽑아 올렸다. 이 코어는 수만 년 동안 쌓인 진흙 기둥으로, 아래로 갈수록 더 오래된 지층이 나타나는 ‘지구의 역사책’과 같다. 연구팀은 이 역사책을 다음과 같은 단계로 분석했다.

① 퇴적물 속 화석으로 과거 수심 알아내기

퇴적물 각 층에는 당시 살았던 아주 작은 생물들의 껍데기 화석(유공충, 조개류 등)이 남아있다. 생물의 종류는 물의 깊이와 염분에 따라 달라지므로, 어떤 종류의 화석이 나오는지를 보면 당시 그곳의 환경, 특히 물의 깊이를 알 수 있다. 연구팀은 화석의 종류에 따라 환경을 네 가지 퇴적상(Facies)으로 구분했다.

• 외해 (Open Marine, OM): 수심이 비교적 깊고 먼바다 환경
• 천해 (Shallow Marine, SM): 수심이 얕은 바다 환경
• 연안 (Marginal Marine, MM): 해변이나 파도의 영향을 받는 아주 얕은 연안 환경
• 기수 (Brackish, BR): 바닷물과 민물이 섞이는 강 하구 같은 환경. 해수면이 가장 낮아져 육지와 가까워졌다는 결정적 증거이다.

퇴적물 코어에서 이 환경들이 순서대로 나타나는 것을 보고, 연구팀은 해수면이 점차 낮아졌다가 ‘기수’ 환경에서 최저점을 찍고 다시 높아졌다는 사실을 확인했다.

② 방사성탄소연대로 시간 측정하기

각 지층의 정확한 나이는 그 안에 포함된 조개껍데기 같은 유기물 화석을 이용해 방사성탄소연대측정법으로 알아냈다. 이를 통해 ‘기수’ 환경이 나타났던 시기, 즉 해수면이 가장 낮았던 시기가 언제였는지 정확히 계산할 수 있었다.

③ 컴퓨터 모델링으로 오차 보정하기

하지만 여기에는 한 가지 함정이 있다. 거대한 빙하는 그 무게로 땅을 누르고, 빙하가 녹으면 땅이 다시 솟아오른다. 또, 녹은 물이 바다로 흘러 들어가면 그 물의 무게 때문에 해저 지반이 가라앉기도 한다. 이렇게 땅 자체가 움직이는 지각 평형 작용 때문에 우리가 보는 해수면 기록에는 오차가 생길 수 있다. 연구팀은 이 오차를 바로잡기 위해 빙하-수리-지각균형 모델링이라는 정교한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용했다. 이 과정을 통해 땅의 움직임을 보정하고, 오직 빙하의 양 때문에 변한 순수한 해수면 높이를 계산해냈다.

아래 그림은 연구팀이 어디서 퇴적물 코어를 채취했으며, 그 코어 분석을 통해 각 시대별 환경 변화를 어떻게 파악했는지 보여준다.

그림 1. 보나파르트만 시추 위치와 퇴적물 코어 분석 결과
a, 호주 북서쪽 대륙붕의 시료 채취 지점 위치. 등수심선(미터 단위)과 시추 지점이 표시되어 있다.
b, 중력 코어에 대한 퇴적학적 설명. 미세고생물학적 방법으로 추론된 퇴적상(Facies)과 방사성탄소(¹⁴C) 연대측정 결과를 포함한다. 퇴적상은 외해(OM), 천해(SM), 연안(MM), 기수(BR) 네 가지로 식별된다. 연대가 측정된 지층이 표시되어 있고 모든 연대는 ¹⁴C 연대이다. 보정된 연대를 포함한 전체 데이터는 해당 웹사이트에서 확인할 수 있다. https://www.ngdc.noaa.gov/paleo/data.html.

 

3. 시사점: 빙하기의 종말과 ‘사라진 얼음’의 단서

주요 연구 결과

• 빙하기 절정 시기: 최후빙기절정기(LGM)는 지금으로부터 약 22,000년 전에서 19,000년 전까지 지속되었다.
• 낮아진 해수면: 당시 해수면은 지금보다 약 130m ~ 135m 더 낮았다. 이는 엄청난 양의 물이 육지 위에 얼음으로 갇혀 있었음을 의미한다.
• 급격한 해빙: 가장 놀라운 점은, 약 19,000년 전을 기점으로 수백 년이라는 매우 짧은 기간 동안 해수면이 10~15m나 급격히 상승했다는 사실이다. 이는 빙하기의 절정이 매우 갑작스럽게 끝났음을 보여준다.

아래 그래프는 시간에 따른 해수면 높이(a)와, 이를 바탕으로 계산한 지구 전체의 빙하 부피 변화(b)를 보여준다. 약 19,000년 전(19 cal.kyr BP)을 기점으로 해수면이 급격히 상승하는 것을 뚜렷하게 볼 수 있다.

그림 2. 최후빙기절정기(LGM) 동안의 해수면과 빙하 부피.
a, 보나파르트만(Bonaparte) 저지대에서 관측된 해수면. 다이아몬드 기호는 기수(brackish-water) 퇴적상, 삼각형은 연안(marginal marine) 퇴적상, 채워진 삼각형은 천해(shallow marine) 퇴적상을 의미한다. 빗금 친 영역은 상대적 해수면의 하한 추정치에 해당한다(GC2와 GC3 코어에 천해 퇴적상이 없다는 결과에 근거함).
b, 환산 해수면과 빙하 부피 추정치. 원은 지각 평형이 보정된 바베이도스(Barbados) 자료(19, 20)에 해당하며, 사각형은 북서 대륙붕의 이전 추정치에 해당한다. 다이아몬드 기호는 다시 기수 퇴적상, 삼각형은 연안 퇴적상, 채워진 삼각형은 천해 퇴적상을 의미한다. 점선은 빙하 부피 환산 해수면 함수를 정의한다. 연대 불확실성은 1σ(표준편차)에 해당하지만, 우라늄-토륨(U/Th) 연대측정된 바베이도스 산호는 2σ 수준이다(20).

 

시사점

이 연구 결과는 기존의 다른 연구(CLIMAP 프로젝트 등)와 비교했을 때, 빙하 부피가 과도하게 많았을 것이라는 일부 예측이 틀렸음을 보여주며 더 정확한 추정치를 제공했다.

더 중요한 것은 ‘사라진 얼음 문제(missing-ice problem)’에 대한 중요한 단서를 제공했다는 점이다. ‘사라진 얼음 문제’란, 과거 빙하가 녹으면서 해수면이 상승한 총량과, 북미나 남극 등 각 지역에서 녹았다고 계산된 얼음의 양을 합친 값이 서로 맞지 않는 현상을 말한다.

이 논문에서 밝혀진 ‘급격한 해빙’은 이 문제에 대한 새로운 가설을 제시한다. 아마도 당시 빙상들은 처음에는 바닥이 땅에 얼어붙어 안정적이고 두꺼운 상태(cold-based)였을 것이다. 그러다 어떤 계기로 인해 빙상 바닥이 녹기 시작하자, 거대한 얼음 덩어리가 순식간에 불안정해지며 바다로 쏟아져 내렸고, 이로 인해 짧은 기간에 엄청난 해수면 상승이 일어났다는 것이다. 이처럼 갑작스러운 붕괴가 바로 우리가 찾지 못했던 ‘사라진 얼음’의 행방일 수 있다.

결론적으로, 이 논문은 호주 앞바다의 작은 생물 화석 기록이라는 독창적인 단서를 통해 빙하기의 가장 중요한 순간을 정확히 포착했으며, 지구 기후 시스템이 얼마나 빠르고 극적으로 변할 수 있는지를 보여주는 중요한 연구라 할 수 있다.

 

용어 풀이

• 최후빙기절정기 (Last Glacial Maximum, LGM): 약 2만 년 전, 지구의 마지막 빙하기가 절정에 달해 빙하의 양이 가장 많았던 시기이다.
• 퇴적상 (Sediment Facies): 퇴적물이 쌓일 당시의 환경(수심, 염분, 파도의 세기 등)을 알려주는 퇴적물의 특징으로, 여기서는 화석의 종류로 구분했다.
• 기수 (Brackish Water): 강물과 바닷물이 섞여 염분이 낮은 물이며, 해수면이 매우 낮아져 해안선이 내륙 가까이 들어왔을 때 형성된다.
• 방사성탄소연대측정법 (Radiocarbon Dating): 생물 유해에 남아있는 방사성 탄소(¹⁴C)의 양을 측정하여 생물이 죽은 시점을 알아내는 방법이다.
• 빙하-수리-지각균형 모델링 (Glacio-hydro-isostatic modelling): 빙하의 무게 때문에 땅이 눌리거나 솟아오르는 효과를 컴퓨터로 계산하여 해수면 데이터의 오차를 보정하는 기술이다. 지구의 지각을 거대한 메모리폼 매트리스에 비유하면 이해하기 쉽다.

 

Abstract

During the Last Glacial Maximum, ice sheets covered large areas in northern latitudes and global temperatures were significantly lower than today. But few direct estimates exist of the volume of the ice sheets, or the timing and rates of change during their advance and retreat. Here we analyse four distinct sediment facies in the shallow, tectonically stable Bonaparte Gulf, Australia-each of which is characteristic of a distinct range in sea level to estimate the maximum volume of land-based ice during the last glaciation and the timing of the initial melting phase. We use faunal assemblages and preservation status of the sediments to distinguish open marine, shallow marine, marginal marine and brackish conditions, and estimate the timing and the mass of the ice sheets using radiocarbon dating and glacio-hydroisostatic modelling. Our results indicate that from at least 22,000 to 19,000 (calendar) years before present, land-based ice volume was at its maximum, exceeding today’s grounded ice sheets by 52.5×10⁶km³. A rapid decrease in ice volume by about 10% within a few hundred years terminated the Last Glacial Maximum at 19,000±250 years.

최후빙기절정기(Last Glacial Maximum) 동안, 거대한 빙상(ice sheets)은 북반구의 넓은 지역을 덮었고 전 지구 온도는 오늘날보다 훨씬 낮았다. 하지만 당시 빙상의 부피나, 빙상이 확장하고 후퇴하는 과정의 정확한 시기와 변화율에 대한 직접적인 추정치는 거의 존재하지 않는다.  이 연구는 호주(Australia)의 얕고 지각적으로 안정된 보나파르트만(Bonaparte Gulf)에서 발견된 네 종류의 뚜렷한 퇴적 환경(sediment facies)을 분석했다. 이 퇴적 환경들은 각각 특정 해수면 범위를 나타내므로, 이를 통해 마지막 빙하기 동안 육지에 존재했던 빙하의 최대 부피와 초기 융해 시점을 추정할 수 있었다. 연구진은 퇴적물 속 동물군 집합과 보존 상태를 이용하여 외해(open marine), 천해(shallow marine), 연안(marginal marine), 기수(brackish) 환경을 구분했고, 방사성탄소연대측정법과 빙하-수리-지각균형 모델링(glacio-hydroisostatic modelling)을 사용해 빙상의 시기와 질량을 추정했다. 연구 결과, 최소 22,000년 전부터 19,000년 전(달력 연도 기준) 사이에 육상 빙하 부피는 최대치에 도달했으며, 이는 현재의 지상 빙상보다 52.5×10⁶km³ 더 많은 양이었다. 그리고 19,000±250년 전, 수백 년이라는 짧은 기간 동안 빙하 부피가 약 10% 급격히 감소하면서 최후빙기절정기는 막을 내렸다.

 

Conclusion

The inferred ice-equivalent sea level of-130 to-135 m is consistent with the glaciological lower limit estimate of-127 m established by the CLIMAP project and does not support the maximum CLIMAP ice-sheet reconstruction of-163 m. (It has been argued that upper-and lower-limit CLIMAP models contain excessive ice when compared with an isostatically corrected Barbados sea-level result of -105 m (ref. 21). But this latter quantity corresponds to Δξ_eus, not Δξ_e. A Δξ_eus of-105 m corresponds in fact to Δξ of about-135 m.) The global sea-level observations do not indicate where the ice was stored. Analyses of sea-level data from formerly glaciated regions provide Northern Hemisphere ice volumes that are less than those contained in glaciologically based models and the previously noted discrepancy between the Northern Hemisphere and total LGM ice volumes remains. Changes in Antarctic ice may account for part of this, although estimates based on Antarctic rebound analyses are inadequate to explain the entire imbalances. In the inversion of sea-level data it is the rebound within the former ice margins that is most sensitive to changes in ice volume, but the necessary observations occur only once the area becomes ice free. Hence, ice volumes for the LGM and early part of the late-glacial period remain poorly constrained in such analyses. The rapid rise in sea level noted at 19,000 cal. yr BP may provide part of the answer to the missing-ice problem: that the LGM ice sheets were initially cold-based, steeply domed and thick but then, in response to basal thawing over some regions, evolved rapidly into relatively thin ice cover with a significant reduction in ice volume. Such a hypoth- esis is consistent with the geomorphological field evidence, with glaciological modelling and with the ice models inferred from rebound analyses.

이 연구에서 추론된 ‘빙하 부피 환산 해수면’(Δζ_e)은 -130m에서 -135m 사이이다. 이 값은 CLIMAP 프로젝트가 설정한 빙하학적 하한 추정치인 -127m와 일치한다. 그러나 CLIMAP의 최대 빙상 재구성치인 -163m는 지지하지 않는다. (과거 CLIMAP 모델의 상한치와 하한치는 지각 평형을 보정한 바베이도스(Barbados) 해수면 결과(-105m)와 비교할 때 과도한 빙하량을 포함한다는 주장이 있었다. 하지만 -105m라는 값은 전 지구 평균 해수면 변화(Δζ_eus)에 해당하며, 빙하 부피 환산 해수면(Δζ_e)이 아니다. ‘전 지구 평균 해수면 변화(Δζeus)’가 -105m일 때, 실제 ‘빙하 부피 환산 해수면(Δζe)’은 약 -135m에 해당한다.)

전 지구적 해수면 관측만으로는 빙하가 어디에 저장되었는지 알 수 없다. 과거 빙하로 덮였던 지역의 해수면 데이터를 분석하면, 북반구의 빙하 부피는 빙하학 기반 모델들보다 적게 나타난다. 이로 인해 이전에 지적되었던 북반구와 지구 전체의 최후빙기절정기(LGM) 빙하 부피 사이의 불일치는 여전히 남아있다. 남극 빙하의 변화가 이 불일치의 일부를 설명할 수는 있지만, 남극의 지각 융기 분석에 기반한 추정치만으로는 전체 불균형을 설명하기에 부족하다.

해수면 데이터를 역으로 추적하는 분석에서, 빙하 부피 변화에 가장 민감한 것은 과거 빙하 가장자리 내부의 지각 융기 현상이다. 하지만 필요한 관측은 해당 지역이 얼음으로부터 자유로워진 후에야 가능하다. 따라서 최후빙기절정기와 후기 빙하기 초기의 빙하 부피는 이러한 분석들에서 여전히 불확실하게 남아있다. 19,000년 전(cal. yr BP)에 관측된 급격한 해수면 상승은 ‘사라진 얼음(missing-ice)’ 문제에 대한 해답의 일부를 제공할 수 있다. 즉, 최후빙기절정기의 빙상들은 초기에는 바닥이 차갑고(cold-based) 두꺼운 돔 형태였으나, 일부 지역에서 바닥이 녹으면서 빙하 부피가 현저히 감소한 상대적으로 얇은 얼음 덮개로 빠르게 진화했다는 가설이다. 이러한 가설은 지형학적 현장 증거, 빙하학 모델링, 그리고 지각 융기 분석으로 추론된 빙하 모델들과 일치한다.

 

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