과거 해수면의 변화를 추정할 때 무슨 자료를 써야 하나?
요약
과거 해수면을 재구성하는 작업은 연구 목적에 따라 최적의 데이터와 방법론을 선택해야 한다. 장주기(수십만 년)적 경향을 파악하려면 여러 기록을 통계적으로 통합한 Spratt and Lisiecki (2016)의 해수면 스택(stack)이 표준으로 사용된다. 최종 빙하기 이후의 해빙기(deglaciation)처럼 비교적 짧은 기간의 연속적인 변화를 보려면, 빙하가 녹으면서 지각이 융기하는 효과(GIA)를 역산한 Lambeck et al. (2014)의 모델이 유용하다. 해빙기 중 급격한 해수면 상승 사건(MWP-1A 등)의 규모와 시점을 정밀하게 알려면, 특정 지역의 산호초 기록을 분석한 Deschamps et al. (2012) 등의 연구가 필수적이다. 최종 간빙기(LIG)와 같이 과거 온난기의 정점 해수면 높이를 추정하려면, 확률론적 접근(Dyer et al., 2021)과 고정밀 연대측정(Dumitru et al., 2023)을 결합해 상한과 하한을 교차 검증해야 한다. 각 데이터는 고유한 장점과 한계를 지니므로, 연구 질문에 맞춰 이들을 상호 보완적으로 사용하고 각 방법의 가정과 불확실성을 명확히 인지하는 것이 중요하다.
서론: 연구 목적에 따른 해수면 자료의 선택
과거 해수면 변동을 연구할 때는 “무엇을 알고 싶은가?”라는 질문에서 출발해야 한다. 연구의 초점이 행성의 공전 주기와 같은 장기적 규모의 전지구 평균 해수면(eustatic sea level) 변화인지, 최종 해빙기에 발생했던 ‘멜트워터 펄스 1A(Meltwater Pulse 1A, MWP-1A)’와 같은 급격한 사건의 규모와 시점인지, 또는 20세기 이후의 지역별 상대 해수면(Regional Relative Sea Level, RSL) 변화의 원인을 분석하는 것인지에 따라 사용해야 할 데이터와 곡선이 달라진다. 여기서 전지구 평균 해수면은 지구 전체의 해수 총량 변화에 따른 평균적인 높이를 의미하며, 상대 해수면은 특정 지역에서 관측되는 해수면으로 지반의 움직임까지 포함된 값이다.
본 보고서는 널리 사용되는 여섯 가지 접근법—①장주기 통합 분석, ②해빙기 GIA 모델 역산, ③급격 상승 사건 메타분석, ④최종 간빙기(Last Interglacial, LIG) 최고점 분석, ⑤빙상(ice sheet) 부피 복원, ⑥근현대 확률론적 재구성—을 중심으로 각 자료의 강점과 한계를 설명하고, 이들을 상호 보완적으로 활용하는 방법을 제시한다. 특히 Spratt and Lisiecki (2016)의 후기 플라이스토세 해수면 스택과 그 최신 데이터베이스(Spratt and Lisiecki, 2025)를 기준으로 삼아, 다른 시간대의 재구성 결과와 어떻게 연결하여 종합적인 이해를 구축할 수 있는지 서술한다.
1. 수십만 년 장주기 변동의 표준: Spratt–Lisiecki 해수면 스택
장주기 해수면 변화의 큰 그림을 볼 때 가장 표준적인 자료는 Spratt and Lisiecki (2016)가 개발한 해수면 ‘스택(stack)’이다. ‘스택’이란 여러 출처의 데이터를 겹쳐 쌓아 공통적인 신호만 추출하고 개별 잡음은 줄이는 통계 기법을 말한다. 연구진은 지난 43만 년(0–430 ka)과 79.8만 년(0–798 ka)에 걸친 여러 해수면 복원 기록을 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA)이라는 통계 기법으로 통합했다. PCA는 여러 데이터셋에 공통적으로 나타나는 가장 강력한 패턴(주성분 1, PC1)을 추출하는 방법으로, 이 연구에서는 PC1이 전체 데이터 변동성의 약 80%를 설명하는, 가장 신뢰도 높은 전지구 평균 해수면 변화 신호로 정의되었다.
이 스택 곡선은 홀로세 중기(5천 년 전)의 해수면을 0 m, 최종빙기절정기(Last Glacial Maximum, LGM, 26,500~19,000년 전)의 전지구 평균 해수면은 약 −130 ~ −134 m 범위로 수렴한다. 스택 스케일링은 Holocene≈0 m, LGM 저준위 추정치에 정합되도록 한다. (Spratt & Lisiecki 2016; Lambeck et al. 2014; Clark et al. 2009) 그 결과, 과거 주요 간빙기(해양 동위원소 스테이지 5e, 11)의 최고 해수면 추정치가 지각 변동 효과를 보정한 산호초 연구 결과와 ±5 m 범위에서 일치했다. 이 곡선은 1천 년 간격으로 값이 제시되며, 약 9~12 m의 불확실도(1 표준편차)를 가진다. 따라서 빙하기의 종료, 즉 종빙기(Termination) 시점의 위상을 비교하거나 약 10만 년 주기로 반복되는 빙기-간빙기 순환을 정량적으로 분석하는 데 매우 유용하다 (Spratt and Lisiecki, 2016).
이 스택의 가장 최신 공식 데이터는 국제 데이터 저장소인 판게아(PANGAEA)에 등록된 버전 2(Spratt and Lisiecki, 2025)이다. 이 데이터셋은 연구의 재현성과 투명성을 보장하며 현재 널리 사용되는 최신의 공식적인 데이터셋으로 인정받는다.
다만 이 곡선은 전지구 ‘평균’ 신호이므로 특정 지역의 해수면 높이를 직접적으로 알려주지는 않는다. 지역 해수면은 지반의 융기나 침강, 그리고 맨틀 대류에 의한 동적 토포그래피(dynamic topography) 같은 국지적 요인에 의해 평균치와 크게 달라질 수 있기 때문이다. 또한 1천 년 단위로 다듬어진(smoothed) 데이터이므로 수백 년 규모의 급격한 변화는 포착하지 못할 수 있다. 따라서 지역 연구나 단기 사건 분석 시에는 이 스택을 전체적인 배경으로만 활용하고, 반드시 해당 지역의 데이터 및 모델과 교차 검증해야 한다 (Spratt and Lisiecki, 2016; Spratt and Lisiecki, 2025).
2. 최종 해빙기(0–20 ka)의 연속 곡선: GIA 모델 역산
최종빙기절정기(LGM)부터 홀로세에 이르는 약 2만 년의 기간은 해수면이 극적으로 상승한 시기이다. 이 시기의 연속적인 변화를 가장 잘 보여주는 것은 빙하 지각 평형 조정(Glacial Isostatic Adjustment, GIA) 모델을 이용한 역산 연구이다. GIA는 거대한 빙상이 누르던 지각이 빙상이 녹아 가벼워지면서 서서히 솟아오르는 현상을 설명하는 지구물리학적 개념이다. 역산(inversion)은 관측된 결과(지역별 해수면 변화 기록)를 바탕으로 원인(전체 얼음의 양과 맨틀의 점성 등)을 역추적하는 계산 방식을 말한다.
Lambeck et al. (2014)은 과거 빙상에서 멀리 떨어진 원거리(far-field) 지역들(호주, 태평양 등)에서 수집한 약 1,000개의 산호초와 퇴적물 기록을 GIA 모델에 입력했다. 이를 통해 지난 3만 5천 년간의 전지구 평균 해수면 곡선을 재구성했다. 이 결과는 LGM 이후 해수면이 평균적으로 1천 년에 12m씩 상승했으며, 특히 약 1만 4,500년 전에는 멜트워터 펄스 1A(MWP-1A)라 불리는 시기에 연간 40mm가 넘는 엄청난 속도로 급상승했음을 명확히 보여준다. 이처럼 LGM에서 홀로세로 전환되는 과정의 속도 변화를 정량화하거나, 특정 지역의 상대 해수면 기록을 전지구 평균 해수면으로 환산하고자 할 때 GIA 역산 접근법이 가장 효과적이다 (Lambeck et al., 2014).
하지만 GIA 모델은 지구 내부 맨틀의 점성이나 과거 빙상의 두께와 같은 여러 가정에 민감하게 반응하므로, 새로운 지역 데이터가 나올 때마다 결과를 꾸준히 갱신하고 검증해야 한다. 또한 MWP-1A 이후 또 다른 급상승기(MWP-1B)가 있었는지와 같은 일부 쟁점은 아직 학자들 간에 이견이 존재한다 (Lambeck et al., 2014).
3. 급격한 해수면 상승 사건의 분석: MWP-1A 사례
MWP-1A와 같은 급격한 해수면 상승 사건의 정확한 시점과 규모를 파악하기 위해서는 GIA 모델과 같은 넓은 범위의 재구성만으로는 부족하며, 특정 지역의 고품질 기록을 정밀 분석해야 한다. Deschamps et al. (2012)은 남태평양 타히티(Tahiti) 섬의 산호초 시추를 통해 MWP-1A가 14,650년에서 14,310년 전 사이에 발생했으며, 이 기간 타히티의 상대 해수면이 12~22m (최빈값 14~18m) 상승했음을 밝혔다. 이는 전지구 평균으로 환산하면 약 14m에 달하는 양으로, 연평균 40mm가 넘는 경이적인 속도이다.
더 나아가, 과학자들은 해수면 지문(sea-level fingerprinting) 기법을 활용해 이 막대한 융빙수가 어디에서 왔는지 추적한다. 특정 빙상(예: 북미 로렌타이드 또는 남극)이 녹으면 그 질량 감소로 인해 지구의 중력장과 자전축이 미세하게 변하고, 이는 전 세계 바다에 고유한 패턴, 즉 ‘지문’을 남긴다. Lin et al. (2021)은 해수면 지문 역산으로 북미(약 12 m) 기여가 우세하고, 스칸디나비아(약 4.6 m)와 남극(약 1.3 m)이 그 뒤를 잇는다고 밝혔다. 남극 우세 시나리오는 스코틀랜드 격리분지 기록에 의해 배척된다. 이처럼 급격한 사건을 연구할 때는 여러 지점의 정밀한 데이터를 종합하고, 지구물리학적 모델링을 통해 융빙수의 근원지를 추정하는 방식이 해석의 정확성을 극대화한다 (Deschamps et al., 2012; Lin et al., 2021). 다만, 카리브해 바베이도스(Barbados)와 같은 다른 주요 기록 지점에서는 세부적인 해석에 대한 재평가가 계속 이루어지고 있어(Abdul et al., 2016; Blanchon et al., 2021), 다지역 자료를 종합적으로 검토하는 것이 중요하다.
4. 최종 간빙기(MIS 5e) 최고 해수면: 상한과 하한의 교차 검증
최종 간빙기(Last Interglacial, LIG), 또는 해양 동위원소 스테이지 5e(MIS 5e)로 불리는 약 12만 5천 년 전의 온난기는 현재보다 기온이 높았던 시기로, 당시의 최고 해수면 높이는 미래 기후변화의 위험을 가늠하는 중요한 기준점이 된다. Dyer et al. (2021)은 바하마(Bahamas) 지역의 해수면 기록과 수백 개의 GIA 시나리오를 확률론적으로 결합하는 방식을 사용했다. 그 결과, LIG 시기 최고 해수면이 현재보다 최소 1.2m 높았을 확률은 95%이지만, 5.3m를 넘었을 확률은 5% 미만으로 “매우 낮다”고 결론 내렸다.
한편, 같은 지역의 산호 화석을 대상으로 고정밀 U-Th 연대측정(high-precision Uranium-series dating)을 수행한 Dumitru et al. (2023)은 다른 접근법을 제시했다. 이들은 연대측정 과정에서 방사성 원소가 외부로 유출되거나 유입되었을 가능성(open-system behavior)을 보정하여 더 정확한 연대를 계산했다. 그 결과, 최고 해수면이 현재보다 1m를 넘었을 가능성은 크지만 2.7m를 넘었을 가능성은 매우 낮다는, 더 엄격한 상한선을 제시했다.
이 두 연구는 서로 다른 방법론과 가정을 사용했기 때문에 상한선 추정치가 다르지만, ‘최고 해수면의 절대값’이라는 특정 목표에 집중했다는 점에서 공통적이다. 이는 장기간의 평균적인 변화를 보여주는 Spratt–Lisiecki 스택과는 그 용도가 명확히 구분된다. 따라서 LIG 최고 해수면을 논의할 때는 이처럼 서로 다른 접근법의 결과를 함께 제시하여 상한과 하한을 교차 검증하는 것이 바람직하다 (Dyer et al., 2021; Dumitru et al., 2023).
5. 빙상의 부피와 공간 분포 복원: PaleoMIST 1.0
과거 해수면 변화를 이해하려면 결국 “어느 빙상이 얼마나, 언제 녹았는가?”라는 질문에 답해야 한다. PaleoMIST 1.0 모델(Gowan et al., 2021)은 지난 8만 년 동안의 전 지구 빙상, 지형, 해수면 변화를 하나의 일관된 틀 안에서 재구성한 결과물이다. 이 모델은 해수면 기록이나 심해 퇴적물의 산소 동위원소(δ¹⁸O) 기록과 독립적으로 빙상의 부피를 계산했다는 점에서 중요한 의미를 가진다.
과거 LGM 시기 해수면이 약 -130m까지 내려갔다는 지질학적 증거를 설명하기에는 기존의 빙상 모델들이 복원한 얼음의 양이 부족하다는 이른바 ‘사라진 얼음(missing ice)’ 문제가 오랫동안 논쟁거리였다. PaleoMIST 1.0은 추가적인 얼음 없이도 빙상의 분포와 지각 반응을 새롭게 조정하여, ‘사라진 얼음’ 문제없이 원거리 해수면 기록을 만족시키는 해법을 제시했다.
다만 이 모델은 시간 해상도가 2,500년 정도로 낮고, 약 7만 년에서 2만 5천 년 전 사이(MIS 3) 구간에서는 산소 동위원소 기록과 잘 맞지 않는 한계가 있다. 따라서 다른 해수면 기록(스택, 산호 등)과 종합하여 검증하는 과정이 필요하다 (Gowan et al., 2021). 더 나아가 그린란드와 같은 특정 지역의 빙상 후퇴 과정을 500년 단위로 정밀하게 복원한 PaleoGrIS 1.0(Leger et al., 2024)과 같은 최신 연구와 결합하면, MWP-1A와 같은 사건에 북반구 빙상이 얼마나 기여했는지 더 구체적으로 논의할 수 있다.
6. 근현대(1900-2021)의 지역별 해수면과 원인 분석
20세기 이후의 해수면 변화 연구는 조위계(tide gauge) 관측, 인공위성 고도계 데이터, 그리고 기후 모델 정보를 결합하는 확률론적 재구성 방법이 표준으로 자리 잡았다. Dangendorf et al. (2024)은 칼만 스무더(Kalman smoother)라는 통계 기법을 이용해 1900년부터 2021년까지의 전 지구 및 지역별 해수면 변화를 재구성하고, 그 원인을 정량적으로 분해했다. 칼만 스무더는 시간에 따라 변화하는 여러 불완전한 데이터를 종합하여 가장 가능성 높은 참값을 추정하는 필터링 기술이다.
이 연구에 따르면 1900년 이후 전 지구 평균 해수면은 연평균 1.5 ± 0.19 mm의 선형적인 추세로 상승했다. 특히 1970년 이후 상승 속도가 빨라졌으며(가속도 0.08 ± 0.04 mm/yr²), 2019년 이후에는 연평균 4mm를 초과하는 속도를 보였다. 이러한 가속의 주된 원인은 빙하와 빙상이 녹아 바다로 유입된 질량 증가, 즉 바리스태틱(barystatic) 효과였다. 반면 지역별 해수면 변화의 차이는 바닷물의 온도와 염분 변화에 따른 부피 팽창, 즉 스터다이내믹(sterodynamic) 효과가 큰 역할을 했다. 근현대 해수면을 연구할 때는 GPS 등으로 정밀하게 측정한 수직 지반 운동(Vertical Land Motion, VLM) 값을 보정하는 것이 필수적이다 (Dangendorf et al., 2024).
7. 심해 퇴적물 기록의 활용: δ¹⁸O 변환 곡선
산호초와 같이 직접적인 해수면 기록을 얻기 어려운 시기나 장소에서는 심해 퇴적물에 남겨진 간접적인 증거를 활용한다. Waelbroeck et al. (2002)은 심해 유공충(benthic foraminifera) 화석의 산소 안정 동위원소 비율(δ¹⁸O)과 독립적인 해수면 기록(산호 등) 사이의 관계를 정립하여 해수면 곡선을 만들었다. 바닷물 속 산소 동위원소 비율은 지구의 얼음 양에 따라 변하기 때문에, 이를 통해 과거 해수면 높이를 추정할 수 있다.
이 방법으로 만든 곡선은 특히 다른 데이터가 부족한 MIS 3(7만~2만 5천 년 전) 구간의 상대적인 해수면 변동을 파악하는 데 유용하다. 다른 재구성 방법(스택, GIA 모델 등)과 교차 검증하는 용도로 사용할 때 해석의 신뢰도를 높일 수 있다. 하지만 심해 수온 변화 등 보정 과정에 필요한 가정에 따라 절대적인 해수면 높이 값의 불확실성이 커질 수 있으므로, 수치를 해석할 때는 신중한 접근이 필요하다 (Waelbroeck et al., 2002).
결론: 목적에 맞는 자료의 선택과 종합
결론적으로, 단 하나의 완벽한 해수면 곡선은 존재하지 않는다. 성공적인 과거 해수면 연구는 연구 목적에 맞춰 최적의 자료를 선택하고, 여러 데이터를 지혜롭게 결합하는 데 달려있다.
- 장주기 위상 비교에는 Spratt–Lisiecki 스택을,
- 해빙기 전환 과정과 사건 정량화에는 GIA 역산 곡선과 다지역 메타분석을,
- LIG 최고 해수면 절대값에는 확률론적 통합과 고정밀 연대측정 결과를,
- 빙상 부피와 공간 분포에는 PaleoMIST와 같은 빙상 모델을,
- 근현대 지역별 추세와 원인 분석에는 칼만 스무더 기반의 재구성을 사용하는 것이 각각 최적의 접근법이다.
이러한 자료들을 상호 보완적으로 사용하고, 각 분석 단계마다 적용된 가정과 보정 과정을 명확히 기술하며 교차 검증을 거친다면, 플라이스토세부터 홀로세를 거쳐 근현대에 이르는 일관된 증거의 사슬을 구축할 수 있다.
| 연구 목적 | 최적 데이터/곡선 | 핵심 장점 | 주의점·한계 | 대표 인용 |
| 0–80만 년 장주기 전지구(eustatic) 해수면 추세, 종빙기(Termination) I–VIII 위상 비교 | Late Pleistocene Sea Level Stack (PC1) — Spratt & Lisiecki 2016; PANGAEA v2 데이터셋 2025 | 여러 재구성 기록을 PCA로 통합해 공통 신호(PC1)를 추출하여 잡음을 최소화. LGM(−130 m)과 홀로세(0 m) 기준으로 보정되어 장주기 비교에 표준으로 사용하기 적합함. | ‘전지구 평균’ 신호이므로 지역별 상대 해수면(RSL) 절대고도에 직접 대입 불가. 수백 년 단위의 급격한 사건 해석에는 부적합. | (Spratt and Lisiecki, 2016; Spratt and Lisiecki, 2025) |
| 최종 해빙기(0–20 ka)의 연속 곡선, LGM→홀로세 전환 과정 정량화 | GIA 역산 RSL 재구성 (원거리 자료 기반) — Lambeck et al. 2014 | 광범위한 RSL 지표를 물리 모델(GIA)과 결합하여 전지구 평균 해수면을 추정. MWP-1A와 같은 급격한 속도 변화까지 역동적으로 해석 가능. | GIA 모델의 가정(맨틀 점성, 빙상 이력)에 민감함. 새로운 지역 데이터로 지속적인 교차검증이 필요하며, 일부 사건 해석은 논쟁 중임. | (Lambeck et al., 2014) |
| MWP-1A 등 급격한 해수면 상승 사건의 규모·시점·원인 평가 | 산호·델타 등 다지역(multi-site) 고해상도 기록의 메타분석 | MWP-1A 발생 시점(14.65–14.31 ka)과 규모(타히티 기준 ~14–18 m)를 정밀하게 특정. 해수면 지문(fingerprinting) 기법으로 융빙수의 근원지(남극 등) 추정 가능. | 지점별 RSL과 연대 오차, GIA 보정 가정 차이에 민감함. 바베이도스 기록 등은 재평가가 진행 중이므로 복수 지역 자료를 종합해야 함. | (Deschamps et al., 2012; Lin et al., 2021; Abdul et al., 2016; Blanchon et al., 2021) |
| 최종 간빙기(LIG, MIS 5e) 최고 해수면(GMSL) 절대값 제약 | LIG 해안지표 확률론적 통합 — Dyer et al. 2021; U-Th 고정밀 연대·보정 — Dumitru et al. 2023 | ‘최고 해수면의 절대 높이’에 특화된 접근. 확률론적 분석(피크 ≥1.2 m)과 고정밀 연대측정(피크 <2.7 m)을 결합해 상한과 하한을 교차 검증. | 지역의 지각 융기/침강, GIA 가정에 민감함. 장주기 평균 곡선과는 용도가 다르므로, 복수 접근법을 함께 인용하는 것이 안전함. | (Dyer et al., 2021; Dumitru et al., 2023) |
| 빙상의 부피 변화와 공간 분포 추적 (누가 얼마나 녹았나?) | PaleoMIST 1.0 — Gowan et al. 2021 | 지난 8만 년간의 지형·빙상·해수면을 일관된 모델로 재구성. 해수면 자료와 독립적으로 빙상 부피를 산출해 ‘사라진 얼음’ 문제를 완화. | 시간 해상도(약 2.5 kyr)가 낮고 지역별 불확실성이 존재. PaleoGrIS 등 최신 지역별 재구성과 상호검증 필요. | (Gowan et al., 2021; Leger et al., 2024) |
| 근현대(1900–현재) 지역별 RSL 추세와 원인 분해 | 관측·위성 결합 확률론적 재구성 — Dangendorf et al. 2024 | 칼만 스무더 기법으로 1900–2021년 전지구 및 지역 RSL과 그 원인(질량 증가, 열팽창 등)을 분리하여 정량화. 최근의 가속화 경향을 명확히 제시. | 플라이스토세 스케일의 장주기 기록과 직접 연결 불가. 지역에 적용 시 수직 지반 운동(VLM) 보정이 필수적임. | (Dangendorf et al., 2024) |
| MIS 3(70–25 ka) 등 천년 단위 변동 탐색 | δ¹⁸O→해수면 변환 곡선 — Waelbroeck et al. 2002 | 다른 기록이 부족한 구간(특히 MIS 3)의 상대적 해수면 변화 위상을 파악하는 데 유용. 다른 기록들과의 교차검증을 통해 해석의 신뢰도를 높임. | 보정 가정(심해 수온 등)에 따라 절대고도의 불확실성(±10 m 내외)이 큼. 단독 사용보다는 다른 기록과 함께 검증용으로 사용해야 함. | (Waelbroeck et al., 2002) |
참고문헌
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