출처:
ISSUE
1. 황해 흑산도 앞바다에 있는 거대한 진흙띠는 최종빙하기 때 황해가 육지였다는 사실을 밝혀주는 주요한 증거 중 하나다.
2. 해수면은 21,000년 전에 -120 미터로부터 서서히 상승했다.
그림 9. 흑산 이질 벨트(HMB) 진화의 여러 단계를 나타내는 단순화된 개념 모델(해수면 곡선은 Liu et al. 2004와 Hanebuth et al. 2011에서 발췌):
Seismic stratigraphy of the Heuksan mud belt in the southeastern Yellow Sea, Korea
한국 황해 남동부 흑산 니질대의 지진파 층서
저자
이광수 (Gwang-Soo Lee), 유동근 (Dong Geun Yoo), 배성호 (Sung Ho Bae), 민건홍 (Gun-Hong Min), 김성필 (Seong-Pil Kim), 최헌수 (Hunsoo Choi)
한국지질자원연구원(KIGAM) 석유해저자원부(Petroleum and Marine Resources Division)
초록 (Abstract)
To establish the seismic stratigraphy of the Heuksan mud belt (HMB) and reconstruct its depositional history, approximately 1,600 km of high-resolution seismic data were newly obtained using chirp acoustic sub-bottom profiler, sparker, and air-gun seismic systems. Based on seismic stratigraphic analysis, the HMB can be divided into three major seismic units (I, II, and III, from top to bottom) and four subunits (II-a, II-b, III-a, and III-b) overlying transgressive sands, pre-last glacial maximum (LGM) deposits, and the acoustic basement. Each unit and subunit show different seismic facies and geometry, being clearly separated from each other by bounding surfaces formed since the LGM. The spatial distribution, thicknesses and volumes of the seismic units were determined and plotted to document the sequential formation of the HMB. The correlation between deep drill core data (HMB-101, HMB-102, HMB-103, YSDP-101, and YSDP-102) and the seismic data suggests that subunits III-b and III-a were formed by the continuous accumulation of fine-grained sediment with partial sandy sediment in an estuarine/deltaic environment during the early to middle transgressive stage, accompanied by landward migration of the shoreline. Subunits II-b and II-a were probably formed by re-deposition of large volumes of sediment eroded from unit III during the middle transgressive to early highstand stage. Unit I is interpreted as the most recent mud deposit representing the highstand systems tract when sea-level rise terminated. The careful definition of seismic units and their interpretation proposed in this study, on the basis of the large and partly new seismic dataset covering the entire HMB together with deep drill core data, have been instrumental in reconstructing the depositional environment and formation mechanisms of the HMB.
흑산 니질대(黑山 泥質帶, HMB)의 탄성파 층서(彈性波 層序)를 확립하고 퇴적사를 복원하기 위해, 처프(chirp) 음향 지층 탐사기, 스파커(sparker), 에어건(air-gun) 탄성파 시스템을 사용하여 약 1,600 km의 고해상도 탄성파 자료를 새로 취득했다. 탄성파 층서 분석에 근거하여, 흑산 니질대는 해침사(海侵砂), 최종빙기절정기(LGM) 이전 퇴적물, 그리고 음향 기반암 위에 놓인 3개의 주요 탄성파 단위(위에서부터 I, II, III)와 4개의 하위 단위(II-a, II-b, III-a, III-b)로 나눌 수 있다. 각 단위와 하위 단위는 서로 다른 탄성파 상(相)과 기하학적 형태를 보이며, 최종빙기절정기 이후 형성된 경계면들에 의해 명확하게 구분된다. 탄성파 단위들의 공간적 분포, 두께, 부피를 결정하고 도식화하여 흑산 니질대의 순차적 형성을 기록했다. 심부 시추 코어 자료(HMB-101, HMB-102, HMB-103, YSDP-101, YSDP-102)와 탄성파 자료의 상관관계는 하위 단위 III-b와 III-a가 해안선이 육지 쪽으로 이동하던 초기에서 중기 해침 시기 동안 하구/삼각주 환경에서 부분적인 모래 퇴적물과 함께 세립질 퇴적물이 지속적으로 쌓여 형성되었음을 시사한다. 하위 단위 II-b와 II-a는 중기 해침 시기에서 초기 고해수면기 동안 단위 III에서 침식된 다량의 퇴적물이 재퇴적되어 형성된 것으로 보인다. 단위 I은 해수면 상승이 멈췄을 때의 고해수면 시스템 역(域)을 대표하는 가장 최근의 니질 퇴적물로 해석된다. 이 연구에서 제안된 탄성파 단위들의 신중한 정의와 해석은, 심부 시추 코어 자료와 함께 흑산 니질대 전체를 포함하는 방대하고 일부 새로운 탄성파 자료군에 기초한 것으로, 흑산 니질대의 퇴적 환경과 형성 기작을 복원하는 데 중요한 역할을 했다.
결론 (Conclusions)
Newly collected high-resolution seismic profiles from the HMB indicate the existence of three major seismic units (I, II, and III, from top to bottom) and four subunits (II-a, II-b, III-a, and III-b) overlying transgressive sands, pre-LGM deposits, and the acoustic basement. Each unit and subunit show a different seismic facies character and geometry, and are clearly separated by acoustic boundaries formed since the LGM. This has resulted in a finer subdivision than was possible in previous studies. The seismic characteristics and sedimentary features of each unit extracted from deep drill-core data indicate that subunits III-b and III-a are deposits that formed by the continuous accumulation of fine-grained sediment together with some sand in an estuarine/deltaic environment during the early to middle transgressive stage in association with backstepping of the shoreline. Subunits II-b and II-a were probably developed by the re-deposition of large volumes of sediment eroded from unit III during the middle transgressive to early highstand stage. Unit I is interpreted as the most recent mud formed during the highstand systems tract phase after sea-level rise terminated. The accurate distribution and volumes of the entire HMB and each seismic unit in the course of the present study was of great value to the reconstruction of the depositional evolution of the HMB. Nonetheless, Chang and Ha (this issue) present a slightly different stratigraphic interpretation of essentially the same data by placing more weight on a more detailed sedimentary facies analysis of the HMB long drill cores. The discrepancy between these interpretations needs attention in future studies.
흑산 니질대에서 새로 수집된 고해상도 탄성파 단면은 해침사, 최종빙기절정기 이전 퇴적물, 그리고 음향 기반암 위에 놓인 3개의 주요 탄성파 단위(위에서부터 I, II, III)와 4개의 하위 단위(II-a, II-b, III-a, III-b)의 존재를 나타낸다. 각 단위와 하위 단위는 서로 다른 탄성파 상의 특징과 기하학적 형태를 보이며, 최종빙기절정기 이후 형성된 음향 경계면에 의해 명확하게 구분된다. 이는 이전 연구들에서 가능했던 것보다 더 세분된 구분을 가능하게 했다. 심부 시추 코어 자료에서 추출한 각 단위의 탄성파 및 퇴적학적 특징은 하위 단위 III-b와 III-a가 해안선의 후퇴와 관련하여 초기에서 중기 해침 시기 동안 하구/삼각주 환경에서 일부 모래와 함께 세립질 퇴적물이 지속적으로 쌓여 형성된 퇴적물임을 나타낸다. 하위 단위 II-b와 II-a는 중기 해침 시기에서 초기 고해수면기 동안 단위 III에서 침식된 다량의 퇴적물이 재퇴적되어 발달했을 가능성이 있다. 단위 I은 해수면 상승이 멈춘 후 고해수면 시스템 역 단계 동안 형성된 가장 최근의 니질 퇴적물로 해석된다. 이번 연구 과정에서 밝혀진 흑산 니질대 전체와 각 탄성파 단위의 정확한 분포와 부피는 흑산 니질대의 퇴적 진화를 복원하는 데 매우 귀중했다. 그럼에도 불구하고, 창(Chang)과 하(Ha)는 본질적으로 동일한 자료에 대해 흑산 니질대 장족 시추 코어의 더 상세한 퇴적상 분석에 더 비중을 둠으로써 약간 다른 층서학적 해석을 제시한다. 이러한 해석들 사이의 불일치는 향후 연구에서 주목할 필요가 있다.
논문 요약
1. 연구 개요: 왜 흑산 니질대를 연구했나?
바다 밑에는 강에서 흘러나온 흙이나 모래가 쌓여 만들어진 거대한 지층이 있다. 그중 하나가 우리나라 흑산도(黑山島) 근처에 있는 흑산 니질대(Heuksan mud belt, HMB)다. 이곳은 길이 200km, 폭 20~50km에 달하는 거대한 펄(mud) 지대다.
과거에도 이 지층에 대한 연구는 있었지만, 데이터가 부족하고 장비가 좋지 않아 지층 구조를 정확히 파악하기 어려웠다. 그래서 흑산 니질대가 단순히 흙이 차곡차곡 쌓여 만들어진 것인지, 아니면 더 복잡한 과정을 거쳤는지에 대해 학자들마다 의견이 달랐다.
이 연구의 목적은 최신 음파 탐사 장비로 흑산 니질대 전체를 정밀하게 조사해서, 땅속 지층 구조를 선명하게 그려내고, 이를 바탕으로 흑산 니질대가 수만 년에 걸쳐 어떻게 만들어졌는지 그 역사를 재구성하는 것이다.
그림 1. a. 황해와 동중국해의 지형, 순환 패턴, 이질 벨트 분포. 상자는 연구 지역을 나타낸다. BCC 발해 연안류, KCC 한국 연안류, JCC 강소 연안류, TWC 대만 난류, YSWC 황해 난류, CSSM 남해 중앙 이토, ECSDM 동중국해 원거리 이토, HD 황하 삼각주, HMB 흑산 이질 벨트, OHD 구황하 삼각주 이토, SMW 산동 이질체.
b. 고해상도 탄성파 탐사 측선과 코어 시추 지점을 보여주는 지도. 빨간색, 검은색, 점선은 각각 2014년 한국지질자원연구원(KIGAM)의 Chirp/Sparker 측선, 2012년과 2013년 KIGAM의 Chirp/Air-gun 측선, 국립해양조사원(KHOA)과 부경대학교(PKNU)의 Chirp 측선을 나타낸다. 굵은 선은 그림 2에서 6에 제시된 선택된 단면을 의미한다. 등고선은 미터 단위의 수심이다.
연구 지역 및 탐사 경로 지도.
- (a) 황해 및 동중국해 전역 지도: 연구 지역인 흑산 니질대(네모 상자)의 위치와 주변의 주요 해류, 펄 퇴적 지대(주황색)를 보여준다.
- (b) 흑산 니질대 상세 지도: 연구팀이 음파 탐사를 위해 배를 타고 이동한 경로(선)와 땅속 샘플을 채취한 지점(세모, 동그라미)을 표시했다.
2. 연구 방법: 땅속은 어떻게 들여다봤을까?
연구팀은 바다 밑 지층을 보기 위해 ‘탄성파 탐사(Seismic Survey)’라는 기술을 사용했다. 배를 타고 다니며 바다 밑으로 강력한 음파(소리)를 쏜 뒤, 지층에 맞고 되돌아오는 신호를 분석하는 방법이다. 이는 병원에서 초음파로 몸속을 보는 것과 비슷한 원리다.
- 데이터 수집: 연구선 ‘탐해2호’를 이용해 약 1,600km에 달하는 해역을 샅샅이 훑으며 고해상도 지층 단면 자료를 얻었다. 처프(chirp), 스파커(sparker), 에어건(air-gun) 등 여러 종류의 음파 장비를 동시에 사용해 얕은 곳부터 깊은 곳까지 선명한 영상을 얻었다.
- 실물 샘플 채취: 음파 영상만으로는 지층이 무엇으로 이루어졌는지, 언제 만들어졌는지 알 수 없다. 그래서 5곳의 지점에서 긴 시추 코어(Deep drill core)를 채취했다. 이는 바다 밑 땅속 깊이 관을 박아 원기둥 모양의 흙 샘플을 그대로 뽑아 올리는 것이다.
- 데이터 분석: 시추 코어에서 얻은 흙, 모래, 조개껍데기 등의 연대를 측정하고, 이를 음파 탐사 영상과 비교 분석했다. 이를 통해 음파 영상에 나타난 각 지층의 나이와 특징을 파악할 수 있었다.
3. 연구 결과: 흑산 니질대 땅속의 비밀
연구 결과, 흑산 니질대는 단순히 하나의 덩어리가 아니라, 성격이 다른 3개의 큰 지층(Unit I, II, III)과 4개의 작은 지층(Subunit II-a, II-b, III-a, III-b)이 겹겹이 쌓여 만들어진 ‘시루떡’ 같은 구조임이 밝혀졌다. 각 지층은 마지막 빙하기가 끝나고 해수면이 변동하면서 서로 다른 시기에 다른 방식으로 형성되었다.
그림 2. 고해상도 스파커 단면(a), 각 단위 경계를 보여주는 광역 단면(b), 그리고 최후 빙기 극대기(pre-LGM) 이전 퇴적물과 음향 기반암 위에 놓인 5개의 탄성파 단위/아단위(I, II-a, II-b, III-a, III-b)에 대한 해석(c). 측선은 그림 1b에 표시되어 있다.
흑산 니질대 땅속을 남북으로 길게 자른 단면도. 이 연구의 핵심 결과로, 땅속이 Unit I, II-a, II-b, III-a, III-b 등 여러 개의 뚜렷한 지층으로 이루어져 있음을 보여준다.
[그림 3-6. 주요 지층 경계면 상세 단면도]
그림 3. HMB-102 코어 지점 인근의 고해상도 Chirp 단면: a 측선 13HMB-B07, b 측선 13HMB-B08, c 측선 13HMB-B09, d 측선 13HMB-B10. 측선은 그림 1b에 표시되어 있다.
시추 지점 HMB-102 주변의 정밀 단면도. 지층 II-a, II-b, III-a 사이의 경계를 자세히 보여준다.
그림 4. 아단위 II-a와 II-b를 보여주는 고해상도 Chirp 단면. 측선은 그림 1b에 표시되어 있다.
그림 5. 측선 12HMB-15의 Air-gun(a) 및 Chirp(b) 단면과 코어 HMB-101의 위치. 측선은 그림 1b에 표시되어 있다.
시추 지점 HMB-101을 지나는 지층 단면도. 서로 다른 장비(에어건, 처프)로 본 모습을 비교하여 보여준다.
그림 6. 측선 13HMB-C02의 Chirp 단면과 코어 HMB-103의 위치. 측선은 그림 1b에 표시되어 있다.
시추 지점 HMB-103을 지나는 지층 단면도. 가장 위쪽 지층(Unit I)과 그 아래 지층(Subunit III-b)을 보여준다.
흑산 니질대의 형성 과정 (시간 순)
1. Unit III (가장 오래된 층, 약 16,144 ~ 9,721년 전 형성)
특징: 빙하기가 끝나고 해수면이 점차 상승하던 시기(해침 시기)에 형성되었다. 당시에는 이곳이 강 하구나 삼각주 환경이었을 것으로 추정된다. 강에서 흘러나온 고운 흙과 모래가 꾸준히 쌓여 만들어졌다.
2. Unit II (중간 층, 약 9,636 ~ 5,649년 전 형성)
특징: 해수면이 계속 빠르게 상승하면서 강한 조류와 파도가 이전에 쌓였던 Unit III의 윗부분을 침식시켰다. 이때 깎여나간 대량의 흙이 남쪽의 더 깊은 곳으로 이동하여 다시 쌓이면서 Unit II가 만들어졌다. 즉, ‘재퇴적된(redeposited)’ 흙으로 이루어진 층이다.
3. Unit I (가장 젊은 층, 약 5,815년 전 ~ 현재)
특징: 해수면 상승이 거의 멈추고 현재와 비슷한 높이가 된 후(고해수면기)에 형성된 가장 최근의 펄 층이다. 주로 금강(錦江) 등 한국의 강에서 공급된 고운 흙이 남쪽으로 이동하며 쌓인 것으로 보인다.
그림 7. 전체 흑산 이질 벨트(HMB) (a), 단위 I (b), 아단위 II-a (c), 아단위 II-b (d), 아단위 III-a (e), 아단위 III-b (f)의 등층후선도. 등고선 단위는 미터이다.
각 지층이 어디에, 얼마나 두껍게 분포하는지를 색깔로 나타낸 지도. 따뜻한 색(노랑, 빨강)일수록 두껍고, 차가운 색(파랑, 보라)일수록 얇다는 의미다. (a)는 전체 두께, (b)~(f)는 각 세부 지층의 두께를 보여준다.
표 1. 흑산 이질 벨트(HMB) 내 탄성파 단위의 분류 및 음향 특성.
흑산 니질대를 이루는 각 지층의 이름, 음파 특징, 두께, 면적, 부피, 그리고 연구팀의 해석(최근 펄인지, 재퇴적된 펄인지 등)을 한눈에 보기 쉽게 정리한 표다.
표 2. 흑산 이질 벨트(HMB) 내 탄성파 단위의 분류 및 해석에 대한 본 연구와 이전 연구들의 비교.
과거 연구보다 이번 연구에서 지층을 얼마나 더 세밀하게 나누었는지 비교해서 보여주는 표다. 이 연구의 결과가 더 정밀함을 강조한다.
4. 결론 및 시사점: 이 연구가 알려주는 것
결론적으로, 흑산 니질대는 단순히 흙이 쌓인 것이 아니라, 빙하기 이후 해수면이 상승하는 역동적인 과정 속에서 ‘생성(Unit III) → 침식 및 재배치(II) → 안정기 퇴적(I)’이라는 복잡한 3단계의 역사를 거쳐 만들어진 지층임이 밝혀졌다.
그림 8. 탄성파 단위와 시추 코어 HMB-101, HMB-102, HMB-103, YSDP-102, YSDP-103의 암상 대비. 세 개의 HMB 코어에 대한 ¹⁴C 연대와 암상은 Chang et al. (이 이슈) 및 Chang and Ha (이 이슈)에서 발췌했다. 두 개의 YSDP 코어에 대한 해당 데이터는 KIGAM (1996)에서 수정했다. 연대는 연(annum, a)으로 보고되었다. 위치는 그림 1b와 2c를 참조.
음파 영상과 실제 시추 코어 비교 분석. 음파 탐사로 얻은 지층 단면도(배경 그림)와 실제 땅속에서 파낸 흙 샘플(원기둥 그림)을 비교한 그림이다. 이를 통해 음파 영상의 각 지층이 실제 어떤 종류의 흙이고, 언제 만들어졌는지(연대 측정 결과)를 정확하게 증명했다.
그림 9. 흑산 이질 벨트(HMB) 진화의 여러 단계를 나타내는 단순화된 개념 모델(해수면 곡선은 Liu et al. 2004와 Hanebuth et al. 2011에서 발췌): a. 초기-중기 해침 시기 동안의 단위 III 형성, b. 후기 해침 시기 동안의 아단위 II-b 형성, c. 후기 해침 시기-초기 고위기 동안의 아단위 II-a 형성, d. 고위기 동안의 단위 I 형성. MFS는 최대 해수 범람면을 의미한다.
이 논문의 최종 결론을 한 장으로 요약한 ‘스토리보드’. 맨 위 그래프(해수면 변화)와 연동하여, (a)~(d)의 그림들이 해수면이 상승함에 따라 각 지층이 어떤 순서로, 어떻게 만들어졌는지를 단계별로 보여준다.
이 연구는 최신 장비와 방대한 데이터를 통해 기존의 논란을 정리하고, 흑산 니질대의 형성사에 대한 매우 정밀하고 구체적인 모델을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다. 다만, 같은 데이터를 분석하더라도 세부적인 해석은 조금 달라질 수 있으며, 이에 대한 후속 연구가 필요하다고 언급하며 논문을 마무리한다.
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