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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.28 No.1 pp.71-81
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2015.28.1.71

Mineralogical Characteristics of Marine Sediments Cores from Uleung Basin and Hupo Basin, East Sea

Su-Ji Lee1, Chang-Hwan Kim2, Chang-Pyo Jun1, Seong-Joo Lee1, Yeongkyoo Kim1*
1Department of Geology, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea
2Dokdo Research Center, East Sea Research Institute, KIOST, GyeongsangBuk-Do 767-813, Korea
Corresponding author : +82-53-950-5360, ygkim@knu.ac.kr
March 11, 2015 March 22, 2015 March 27, 2015

Abstract

This study was carried out in order to investigate the mineralogical characteristics of the core sediments (03GHP-02 and HB13-2), obtained from the Ulleung Basin and Hupo Basin, Korea. The results on mineral compositions, clay mineral compositions, and the total contents and sequential extraction of different fractions of the phosphorus in core samples showed that those values are different in two cores and also at different depths. In both samples, mineral compositions were the same, composed mainly of quartz, microcline, albite, calcite, opal A, pyrite, and clay minerals (illite, chlorite, kaolinite, and smectite). However, the sample from Hupo Basin contains more opal A. Both samples, especially the ones from Hupo Basin contains more smectite than those reported from East Sea, indicating the influence of paleo-Hwangwei River and the Tertiary Formation of Korea Peninsula. For the samples from Uleung Basin, at 0.7-3.5 m range in depth, the low content of opal A and the low illite crystallinity index can be inferred to indicate the relatively cool climate, corresponding to the ice age. Also, the content of total phosphorus was low in those samples. It was reported that East Sea at that time was isolated from the neighboring seas due to the decrease of the sea level, and as a result, the influx of sediments was supposed to be little through the strait and rivers. For the samples from Hupo Basin, there is no significant changes in clay mineral composition and the distribution of phosphorus with increasing depth. This little change can be interpreted to indicate that the sediments comprising the core might be deposited in a relatively short period of time or deposited in sedimentary environment in which there’s no significant changes in sediment supplies. The values of crystallinity index of clay minerals are high in those samples, indicating that it was relatively warm during that time. Although the increase of fluctuation pattern can be observed, showing that the climate of this period often changed, it is supposed that it was generally warm.


동해 울릉분지와 후포분지 해양 퇴적물 코어의 광물학적 특성

이 수지1, 김 창환2, 전 창표1, 이 성주1, 김 영규1*
1경북대학교 지질학과
2한국해양과학기술원 동해연구소 독도전문연구센터

초록

울릉분지와 후포분지의 퇴적물 코어 시료(각 분지에서 하나씩 03GHP-02와 HB13-2)를 대상으 로 광물학적 연구를 수행하였다. 광물조성, 점토광물 성분, 그리고 총 인 성분 및 인의 연속추출법 연 구 결과, 두 시료들은 각 값에 대하여 또한 깊이에 따라 어느 정도 차이가 있음을 보이고 있다. 두 시 료 모두 광물 종에는 차이를 보이지 않았으며 주로 석영, 미사장성, 장석, 방해석, 오팔A, 황철석, 그 리고 점토광물(일라이트, 녹니석, 카올리나이트, 스멕타이트)로 구성되어 있었다. 후포분지의 경우 울 릉분지에 비하여 오팔A 함량이 훨씬 많은 것으로 나타났다. 두 시료 모두, 특히 후포분지 시료에서 기존에 동해에서 보고된 것보다 더 많은 스멕타이트가 동정되었는데 이는 고황하강의 영향과 한반도 의 제3기 지층 암석에 영향을 받은 것으로 사료된다. 울릉분지 시료의 경우 약 0.7-3.5 m 깊이에 오팔 A의 함량 감소 그리고 일라이트 결정도 지수도 낮게 나오며 이는 빙하시대의 추운 기후에 해당된다. 이 깊이의 시료에서는 인의 함량도 상대적으로 낮게 나오고 있다. 이는 이 기간 동안 동해는 해수면의 하강으로 외부 해역과 단절되었고 해협 및 하천을 통한 퇴적물의 유입도 적었기 때문으로 판단된다. 후포분지 시료의 경우 울릉분지에 비하여 깊이에 따른 점토광물 변화와 인의 성분 변화는 크게 관찰 되지 않는다. 이러한 경향은 울릉분지에 비하여 비교적 짧은 기간에 퇴적되었거나 퇴적환경의 변화가 별로 없는 환경에서 퇴적되었기 때문으로 해석된다. 점토광물의 결정도 지수는 울릉분지에 비하여 약 간 높아 퇴적되었을 당시 비교적 온난한 환경이었을 것으로 추측되며 인의 연구 결과로 미루어 볼 때 비록 어느 정도 변화는 있지만 또한 온난한 환경을 지시한다.


    Korea Ocean Research Development Institute
    PE99301
    PE99318

    서 론

    해양 퇴적물은 규산염 광물 및 탄산염 광물과 같은 무기물과 해양성 생물로부터 유래된 유기물 등 다양한 물질의 혼합물로서 육성기원 퇴적물과 더불어 생물학적 활동과도 밀접한 연관을 갖고 있 다. 따라서 해양 퇴적물 성분 변화는 해양 환경 변 화를 잘 대변한다고 할 수 있으며 이러한 퇴적환경 및 과거 고환경을 복구하는데 매우 유용하게 사용 되어져 왔다(Cho et al., 2012; Lee et al., 2013).

    동해의 경우 신생대 제4기 동안 다양한 환경의 변화를 겪어 왔다. 특히 빙하기와 간빙기의 반복으 로 인한 해수면의 변동은 동해의 가장 큰 퇴적환경 의 변화를 가져왔다. 약 3만 3천 년 전부터 동해의 해수면은 하강하기 시작하여 마지막 최대 빙하기 (LGM; late glacial maximum)인 약 2만 년 전에 해수면이 최대로 낮아졌다. 이 시기 동해와 연결된 얕은 주변 해협에 의해 동해 내의 해수 순환이 정 체되거나 제한되어서 동해는 고립상태에 놓이게 되었다(Oba et al., 1991). 이후 1만 8천 년부터 쓰 시마 해류를 통한 수체의 유입으로 해수면이 상승 하기 시작하였고 홀로세에 이르러서야 현재와 유 사한 동해의 환경이 형성되었다(Oba et al., 1991; Kim et al., 2000, 2007). 따라서 이러한 동해의 해 수면 변동은 퇴적 환경에 큰 변화를 가져왔으며 퇴 적층 내의 변화와 밀접한 연관이 있는 것으로 알려 졌다(Han, 1995). 동해 주변에 큰 하천이 없기 때 문에 동해의 퇴적물은 대기를 통하여 유입되거나 자생 물질의 형성, 또는 해류를 통하여 유입되는데 (Irino and Tada, 2003; Um et al., 2009), 대부분 의 동해 퇴적물은 대한해협을 통해 유입되어진다 고 알려져 있다(Hong et al., 1997). 최근 수행된 동해 퇴적물에 대한 연구는 퇴적물의 지화학적 특 징의 비교를 통하여 유기물의 함량과 기원변화를 밝혀내고 이러한 결과를 이용한 퇴적환경 복원 작 업을 하거나(Han et al., 1997; Kim et al., 2003, 2007, 2010, 2014), 퇴적물의 원소조성의 특성과 퇴적물 기원 변화를 파악하여 이와 연관된 퇴적환 경의 변화를 추적하였다(Cha et al., 2007; Um et al., 2009, 2013; Lim, 2011).

    해양 퇴적물의 구성 광물 중 특히 점토 광물은 육상의 근원지 모암과 풍화환경에 따라 그 특성이 달라지는 특징을 가지고 있어 현생의 해양퇴적물 근원지를 추정하는 연구에 유용한 물질로 여겨져 왔으며, 울릉분지 퇴적물의 연구에도 이용되어 점 토광물을 통한 동해의 퇴적작용과 환경변화에 대 한 연구를 진행해온 바 있다(Lee, 2007; Son et al., 2009). 울릉분지는 가스하이드레이트를 포함 다양한 목적으로 퇴적물들에 대한 연구가 수행되 어져 왔다. 그러나 인근 후포분지의 경우 연구가 매우 제한적으로만 수행되어 이들 퇴적물들을 이 루고 있는 광물에 대한 비교연구는 현재까지 없다.

    후포분지는 넓고 평탄한 지형을 가지고 있으며 분지 동쪽에 위치한 남북 방향의 후포뱅크가 가로 막고 있어 다른 지역에 비해 퇴적되는 양이 많기 때문에 동해 중부 지역에서 홀로세 해침 이후 해양 환경변화를 연구하기에 적합한 요건을 갖추고 있 음에도 불구하고(Kim et al., 2010) 울릉분지에 비 하여 크게 연구된 바가 없다. 또한, 퇴적물의 원소 중 인은 바다의 생태계를 유지하는데 필수적이고 기본적인 원소이며 생물생산력의 중요한 부분을 차지하고 있다. 이처럼 해양 퇴적물은 인의 중요한 저장소 역할을 하고 있기 때문에 인의 거동을 파악 하는 것 또한 중요하다(Berner and Canfield, 1989).

    따라서 본 연구는 울릉분지에서 채취한 코어 퇴 적물의 광물분석과 후포분지의 코어 퇴적물의 광 물 분석과 더불어 이들의 차이를 연구하고 추가로 인의 함량을 조사하는 것을 목적으로 하며 이를 바 탕으로 광물 및 유기물에 대한 기원을 추론하는 것 을 목적으로 한다.

    연구 방법

    시료

    동해의 서쪽에 위치하고 있는 울릉분지는 대략 수심이 1,800-2,400 m 정도이며 완만한 형태를 갖 는다. 코어 퇴적물은 MIS (marine isotope stage) Ⅲ 중반까지로 이루어져 있고, 퇴적물의 대부분은 고기후 변화에 따른 간빙기-빙기-간빙기의 이질 퇴 적물로 구성되어 있으며 일부는 울릉도와 일본 열 도에서 기원된 테프라층이 협재되어 있다(Park et al., 2003).

    후포분지는 동해 중부 대륙연안에 발달한 분지로 4기 및 플라이오세 퇴적물로 구성되어있다. 층후는 대략 600 m로 기반암은 주로 선캠브리아 편마암 및 쥐라기 대보 화강암으로 구성된다. 후포분지는 수심 200 m 정도로 평탄한 지형을 가지고 있으며 분지 동쪽 가장자리는 남북 방향의 후포뱅크로 가 로막혀 있다(Yoon and Chough, 1993)(Fig. 1).

    본 연구를 위하여 한국지질자원연구원(KIGAM)의 탐사선 탐해 Ⅱ호를 이용하여 채취된 동해 울릉분 지의 피스톤 코어 03GHP-02 시료와 한국해양연구 원의 이어도호를 이용하여 채취한 후포분지의 피 스톤 코어 HB13-2 시료를 제공받아 실험을 실시 하였다. 채취한 코어는 저온 상태로 보관하여 실험 실로 이동되어 분석을 위해 동결 건조를 실시하였다.

    분석방법

    광물 분석

    연구지역의 코어 시료를 분석하기 위해 03GHP- 02의 시료에서는 20 cm 간격으로 총 28개의 시료 를 채취하였고, HB13-2 시료에서는 12 cm의 간격 으로 나누어 총 28개의 시료를 채취하여 실험을 진행하였다. 광물 분석은 동결 건조된 시료를 아게 이트를 이용하여 분말상태로 분쇄한 뒤 X-선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD)을 통해 실시되었다. XRD 분석은 한국기초과학지원연구원 대구센터에 있는 Phillips사 X’pert APD를 이용하였으며 Cu파 장의 X-선을 40 kV, 30 mA의 조건하에서 시료를 조사하였다. 이렇게 획득한 시료의 XRD 분석 자 료를 통해 주 구성광물의 종류를 파악하고, 리트벨 트 이론 및 방법에 근거하여 만들어진 소프트웨어 SIROQUANT를 사용하여 정량 분석하였다. 추가적 으로 퇴적물 내 점토광물의 함량과 특성을 파악하 기 위해 분말상태로 분쇄된 건조시료를 1000 rpm의 회전 속도로 3분 동안 원심분리기를 이용하여 2 μm 이하로 분리된 점토만을 채취하였다. 이렇게 채 취한 점토시료는 슬라이드 글라스 위에 얇게 입혀 정방위 시료로 제작된 후 60℃의 온도에서 24시간 동안 에틸렌글리콜(ethylene glycol)로 포화시킨 다 음 점토광물 분석을 위한 시료를 얻어내었다. 이 시료 또한 XRD 분석을 실시하여 각 광물의 고유 피크를 파악하고 점토광물의 종류를 결정하였으며, Macdiff 프로그램을 사용하여 점토광물의 반정량 분석을 실시하였다(Petschick, 2000). 일라이트와 녹 니석, 카올리나이트의 상대적인 양을 측정하기 위 하여 각각의 피크 면적을 구하고 가중치를 곱해 줌 으로써 각 광물의 피크 강도 차이를 보정해주었다. 스멕타이트의 가중치는 1, 일라이트는 4, 녹니석과 카올리나이트는 2로 주었다(Biscaye, 1965). 이때 녹 니석과 카올리나이트는 각각 3.74 Å의 피크, 3.54 Å의 피크에서 뚜렷하게 구분되어지기 때문에 각 각의 피크 면적을 이용하여 두 광물의 상대적인 비 율은 구하였다(Biscaye, 1965).

    인 분석

    광물분석과 더불어 추가로 인의 분석을 실시하 였으며 인의 존재형태별 분석을 실시하기 위하여 Ruttenberg (1992)의 연속추출법(SEDEX: sequential extraction method)을 이용하였으며 분쇄된 건조 퇴적물 시료를 125 μm 채로 입자를 걸러낸 후 얻 어낸 0.5 g의 퇴적물 시료로 실험을 진행하였다. 이 방법을 통해 퇴적물 내 존재하는 인의 형태를 5 가지로 구분할 수 있다.

    1. 약하게 흡착되어 쉽게 교환되는 인(Loosely sorbed or exchangeable P),

    2. 철에 결합되어 있는 인(Fe-bound P),

    3. 자생적으로 형성된 인(Authigenic Apatite + CaCO3-bound P + biogenic apatite),

    4. 쇄설성 인회석과 다른 무기인(Detrital Apatite +other inorganic P),

    5. 유기인(Organic P).

    각각의 단계에서 추출된 시료는 원심분리기(3500 rpm, 10 분)를 이용하여 상등액을 추출한 후 이를 분석하였다. 이렇게 추출된 인은 인산염 몰리브덴 청 발색법(Hansen and Koroleff, 1999)을 이용하 여 분광광도계(Spectrophotometer)로 함량을 분석 하였다. 그러나 Fe-bound P는 Fe-P를 추출해낼 때 사용되는 시약인 Citrate dithionite 수용액이 발색 을 방해하기 때문에 총 인의 함량에서 4번을 제외 한 각 단계별 인의 함량을 뺀 값으로 구하였다.

    총 인의 함량은 인 연속추출법에 사용된 동일한 건조 퇴적물 시료 0.5 g을 500℃에서 2시간을 태 운 후 1 M HCl 용액을 넣고 항온수조 교반기에서 16시간 동안 흔들어 주었다. 추출된 시료는 3500 rpm에서 30분간 원심 분리시켜 상등액을 얻어내어 인의 함량을 분석하였다(Son et al., 1999). 이때 추출된 인 또한 인산염 몰리브덴 청 발색법을 이용 하여 분광광도계로 분석하였다.

    연구 결과

    주 구성광물의 조성과 함량

    울릉분지

    울릉분지 코어시료(GHP03-02)를 구성하고 있는 광물의 종류를 살펴보면 시료의 대부분은 석영과 미사장석, 장석 등 광물들로 이루어져 있으며, 일 라이트, 스멕타이트, 녹니석, 카올리나이트 등과 같 은 점토광물도 포함되어 있는 것으로 관찰된다 (Fig. 2). 그 밖에 황철석과 방해석, 비정질 오팔A 도 함께 관찰된다. 구성광물의 -정량분석을 실시하 기 위해 소프트웨어 SIROQUANT를 이용하여 분 석한 결과 03GHP-02 코어시료의 퇴적물 내 석영 의 함량이 가장 많이 나타나고 다음으로 일라이트, 장석, 비정질 오팔A, 방해석 순으로 분포함을 보여 준다. 석영의 평균 함량은 21.5%(최소 13.3%-최대 32.0%)를 나타내며 장석의 평균 함량은 15.2%(최 소 9.2%-최대 18.8%)의 비율로 나타난다. XRD패 턴을 살펴보면 20°-30° (2Ɵ)의 범위에서 바탕선이 위로 증가해 보이는 것을 관찰할 수 있는데 이것의 증가형태를 SIROQUANT를 이용하여 오팔A의 함 량을 측정할 수 있다. 그 결과 본 시료에서 비정질 오팔A는 11.9%의 높은 평균함량을 보여주며, 최 소 5.3%에서 최대 34.4%의 비율로 심도에 따라 큰 함량변화를 나타낸다. 다음으로 방해석은 평균 7.3%의 함량을 가지고 있으며 최소 0.5%에서부터 최대 26.4%까지 넓은 범위를 가지고 있다. 점토광 물은 평균함량 27.6%(최소 15.5%-최대 34.9%)를 차지하고 있으며, 점토광물 중에서는 일라이트가 평균함량 16.0%로 점토광물 함량의 대부분을 차지 하고 있다.

    광물의 함량변화 그래프를 살펴보면 몇몇의 구 간에서 광물함량 값이 갑자기 상승하거나 감소하 는 것을 관찰할 수 있으며, 그중 오팔A는 심도에 따른 뚜렷한 변화를 보여주는데, 심도가 깊어질수 록 함량이 감소하는 경향을 보여준다. 이와 반대로 방해석은 심도가 깊어질수록 함량이 증가하는 것 을 관찰할 수 있다. 그러나 심도에 따른 다른 광물 의 변화는 크게 보이지 않으며 거의 일정한 것으로 나타난다(Fig. 2).

    후포분지

    후포분지 코어시료(HB13-2)는 대부분 암회색의 실트로 구성되어 있으며, XRD 분석 결과를 통한 퇴적물 주 구성광물을 살펴보면 석영, 장석, 오팔 A, 점토광물, 방해석을 포함하고 있는데, 이는 울 릉분지 시료(03GHP-02)와도 비슷한 광물조성을 가지고 있음을 알 수 있다(Fig. 2). SIROQUANT 를 이용한 광물 성분의 정량 분석 결과 울릉분지 시료와 달리 HB13-2시료에서는 비정질 오팔A가 가장 많으며 장석과 점토광물은 상대적으로 적음 을 알 수 있다. 비정질 규산광물인 오팔A는 33.4% 의 높은 함량을 보여주고 있으며 25.8%에서 36.0%까지의 범위를 가지며 나타난다. 석영은 비 정질 오팔A 다음으로 가장 높은 비율을 나타내는 데 약 18.2%-22.4%를 차지하며 평균 19.0%의 값 으로 심도에 따라 비교적 일정한 함량을 가진다. 장석는 평균 9.6%, 방해석은 평균 6.9%의 함량을 가지고 있으며 나머지는 소량으로 산출되고 있다. 점토광물은 평균함량 20.1%(최소 18.4%-최대 22.3%)를 차지하고 있으며, 점토광물 중에서는 일 라이트가 평균함량 12.1%로 가장 우세하게 나타나 며 최소 10.4%에서 최대 14.1%의 값으로 후포분 지의 모든 시료에서 거의 비슷한 함량으로 나타난다.

    광물의 함량변화 그래프를 살펴보면 울릉분지 코어시료에서와 마찬가지로 오팔A의 그래프가 심 도에 따라 감소하는 것을 보이고 있다. 후포분지 코어에서는 심도에 따라 황철석의 함량이 증가하 는 양상이 보이며, 이를 제외하고 대부분의 광물들 은 심도에 따라 큰 변화 없이 일정한 값을 가지는 것을 볼 수 있다.

    점토광물의 조성과 함량

    울릉분지

    X-선 회절분석 결과 울릉분지 퇴적물 내 점토광 물에서는 일라이트가 가장 많이 포함되어 있었으 며 스멕타이트, 카올리나이트, 녹니석의 순으로 나 타났다(Fig. 3). 정량 분석 결과 일라이트는 평균 59.7%(최저 17.0%-최대 71.2%)의 함량을 가진다. 스멕타이트는 평균 20.9%(최저 14.0%-최대 26.2%) 의 함량을 가지며, 카올리나이트와 녹니석은 각각 평균 12.0%(최저 4.1%-최대 24.0%)를, 평균 7.4% (최소 0.7%-최대 13.4%)의 함량을 가진다. 깊이에 따른 변화를 살펴보면 각각의 점토광물의 그래프 는 증가 감소의 패턴을 반복하면서 큰 함량의 변화 가 나타나는 것을 보여준다. 특히, 코어의 상부에 서보다 하부에서의 함량 변동이 더 큰 것을 볼 수 있다. 심도에 따른 전체적인 함량 변화에서 녹니석 의 함량이 심도가 깊어질수록 감소하고, 반대로 카 올리나이트의 함량은 심도가 깊어질수록 증가하는 경향을 보여준다(Fig. 3).

    후포분지

    X선 회절분석 결과 후포분지 퇴적물 내 점토광 물에서는 일라이트가 가장 많이 포함되어 있었으 며 스멕타이트, 녹니석, 카올리나이트의 순으로 나 타났다(Fig. 3). 울릉분지에서와 같이 후포분지에서 도 일라이트 다음으로 스멕타이트가 많은 양을 보 이고 있다. 정량 분석 결과 일라이트는 최소 53.0%- 최대 65.8%의 범위를 가지며 평균 57.0%의 함량 을 가진다. 스멕타이트는 최소 4.7%-최대 26.8%의 범위에서 평균 23.2%의 함량을 가지며, 녹니석과 카올리나이트는 각각 평균 11.9%(4.7%-16.2%)를, 평균 7.9%(3.6%-10.6%)의 함량을 가진다(Fig. 3). 깊이에 따른 변화를 살펴보면 각각의 점토광물의 그래프가 증가 감소의 패턴을 반복하면서 함량이 변하기는 하지만, 심도에 따른 점토광물의 함량의 변화를 전체적으로 살펴봤을 때는 함량의 큰 변화 없이 거의 일정한 것으로 보인다(Fig. 3).

    인의 함량과 분포

    울릉분지

    울릉분지 시료(03GHP-02)의 퇴적물에 포함된 총 인은 570-840 ppm의 범위로 평균 676.4 ppm 의 값을 가지는 것으로 나타났다. 총 인은 심도에 따라 큰 변동 값을 보여주는데, 심도 약 2.5 m 부 근에서 갑자기 큰 값이 나타나고 심도가 깊어질수 록 총 인의 값이 증가한다(Fig. 4).

    연속 추출법 결과 퇴적물에 포함된 인의 형태 중에서 Fe-bound P가 가장 많은 양을 차지하고 있 었으며 평균 233.4 ppm의 값(81.0 ppm-386.8 ppm)을 가진다. 다음으로 organic-P, authigenic-P, detrital-P, loosely exchangeable P의 순서대로 나 타나는데, organic-P는 평균 172.2 ppm (123.8 ppm - 250.8 ppm), authigenic-P는 평균 142.1 ppm (74.9 ppm - 292.0 ppm), detrital-P는 평균 105.0 ppm (45.9 ppm - 209.5 ppm), loosely exchangeable P는 평균 23.6 ppm (4.6 ppm - 53.5 ppm)으로 나타난다. 심도에 따라 인의 존재별 함 량이 변화하는 것을 볼 수 있는데, 심도가 깊어질 수록 loosely exchangeable P와 authigenic P가 증 가하는 경향을, detrital P는 감소하는 경향을 보인 다(Fig. 4).

    후포분지

    후포분지 시료(HB13-2)의 퇴적물에 포함된 총 인은 울릉분지 시료와 비교하여 약간 낮은 평균 602.8 ppm의 값을 가지며 571.8 ppm - 844.0 ppm의 범위를 가진다. 총 인은 심도에 따라 거의 일정한 값을 보여주고 있다(Fig. 4).

    후포분지 퇴적물에서는 organic-P가 가장 많은 양을 차지하는 인의 형태로 관찰되었으며 평균 239.3 ppm (100.3 ppm - 272.2 ppm)의 값으로 나 타난다. 다음으로 Fe-bound P, authigenic-P, detrital-P, loosely exchangeable P의 순서대로 인 의 형태가 관찰되는데, Fe-bound P는 평균 127.2 ppm (1.5 ppm - 214.0 ppm), authigenic-P는 평균 116.1 ppm (78.0 ppm - 140.7 ppm), detrital-P는 평균 84.4 ppm (56.6 ppm - 201.8 ppm), 마지막으 로 loosely exchangeable P가 평균 37.1 ppm (30.6 ppm - 55.0 ppm)으로 나타난다. 심도에 따른 인의 존재별 함량 변화 그래프를 살펴보면 후포분지에 서는 인의 함량변화가 거의 나타나지 않지만, 이 중 Fe-bound P의 그래프를 살펴보면 심도가 깊어 질수록 값이 감소하는 경향을 볼 수 있다.

    울릉분지에 비해 후포분지는 심도에 큰 변화 없 이 일정한 값을 보이는 것이 특징이다.

    토 의

    점토광물을 통한 퇴적 환경 유추

    한반도 주변해역의 점토광물을 연구한 기존 논 문들을 살펴보면 모든 해역에서 일라이트가 가장 우세하게 나타나며 대부분의 해역에서 60% 이상 의 함량을 보인다(Choi and Kim, 1998). 그러나 울릉분지 시료에서는 스멕타이트의 함량이 다소 많은 특징이 나타난다. 기존 연구에 따르면 한반도 주변 해역에서의 스멕타이트 함량이 약 6% 미만으 로 나타나는 것이 일반적이지만(Choi and Kim, 1998) 동해 대륙붕에서 10% 이상의 스멕타이트가 나타나기도 한다고 보고되고 있다(Park et al., 2003). 또한, 울릉분지 시료에서 약 20%의 스멕타 이트 함량을 보이는 것은 과거 빙하기 때 고 황화 강으로부터 동해로 담수가 유입되면서 스멕타이트 의 함량이 높은 점토광물이 유입되었거나, 연구지 역 인근 제 3기 분지의 화산쇄설암의 영향을 받았 을 것으로 판단된다(Jun et al., 2014). 후포분지의 경우는 이보다는 좀더 높은 스멕타이트 함량을 보 이는데 비교적 폐쇄된 후포분지의 퇴적물 공급원 이 스멕타이트가 많은 한반도 동남부 3기분지 영 향을 일부 받았음을 지시한다.

    점토광물을 이용한 퇴적 환경 유추를 위하여 에 틸렌글리콜 처리된 X-선 회절자료를 이용하여 일 라이트 화학지수, 일라이트 결정도 지수와 스멕타 이트 결정도 지수를 구하였다. 일라이트 화학지수 는 일라이트의 5 Å의 피크와 10 Å의 피크의 비 율을 계산하여 구하는데, 0.4보다 낮은 값은 Fe-Mg가 풍부한 일라이트로 대표되며 물리적 풍 화로 특징지어지기도 한다. 반면 0.4보다 높은 값 은 Al가 풍부한 일라이트로, 강한 가수분해로 특징 지어진다. 이 지수는 화학적 풍화의 강도를 추정하 고 광물의 발원지를 추적하는데 주로 사용되어진 다(Petschkick et al., 2000). 일라이트 결정도 지수 는 10 Å피크의 최대반폭치(FWHM; the full width at half maximum height)로 결정되고, 스멕타이트 결정도 지수는 7 Å의 최대반폭치로 구한다. 이 값 이 낮을수록 결정도 지수가 좋으며 건조하고 추운 기후의 지역에서 발원될 가능성이 높다. 반면 값이 높을수록 결정도 지수가 나쁘며 더 많은 가수분해를 겪었음을 의미한다(Chamley, 1989). 울릉분지 시 료에서의 일라이트 화학지수는 평균 0.6 (0.2-1.2) 의 값을 가지며, 대부분의 시료가 0.4보다 높은 값 을 가지는 것을 볼 수 있다(Fig. 5). 일라이트 결정 도 지수는 평균 0.4 (0.3-0.7), 스멕타이트 결정도 지수는 평균 0.6 (0.3-1.1)의 값을 가진다. 후포분 지의 경우 일라이트 화학지수는 최소 0.3에서 최대 1.2의 범위를 가지며 평균 0.67의 값을 나타내며 울릉분지와 다소 높은 갚을 보여주며 역시 대부분 의 시료가 0.4보다 상당히 높은 값을 가지는 것을 볼 수 있다(Fig. 5). 후포분지의 경우 코어의 상부 부분이 특히 높은 일라이트 화학지수를 보여주며 화학적 풍화가 우세한 육지의 영향을 강하게 받았 음을 지시한다. 그러나 일라이트 결정도 지수는 평 균 0.39 (0.32-0.46), 스멕타이트 결정도 지수는 평 균 0.46 (0.26-0.73)의 값을 가져 울릉분지와 비슷 거나 다소 낮은 값을 보이고 있다.

    점토광물의 상관관계인 kaolinite/chlorite는 발원 지와 기후에 의해 주로 좌우되는 값이므로 고기후 환경을 복원하는데 중요한 기준이 된다. smectite/ illite 상관관계 역시 고기후의 지시자로 사용되는 데, 값이 감소할 때 따뜻한 기후를 나타내며 값이 증가할 때 추운 기후를 나타낸다(Horiuchi et al., 2000). 울릉분지 시료에서의 kaolinite/chlorite 값 은 상부에서 약 4 m 부근까지는 거의 일정한 값을 가지다가 약 4 m 부근에서부터 값이 갑자기 상승 하여 하부까지 값이 증가하는 것을 볼 수 있으며, smectite/illite 값 또한 상부에서 약 4 m 부근까지 는 거의 일정하며 하부에서 값이 큰 변동을 가지며 변화한다(Fig. 5).

    울릉분지 시료는 두 개의 테프라 층을 경계로 하여 3개의 unit으로 나누어지는데, 깊이 0.19-0.33 m 범위와 2.31-2.4 m에서 테프라 층이 관찰된다. 상부에 나타나는 테프라 층은 울릉-오키 테프라 층 으로 MIS (Marine Isotope Stage) Ⅰ인 간빙기와 MIS Ⅱ에 해당하는 빙하기의 경계를 나타내고 있 으며, 하부 테프라 층은 아이라 탄자와 테프라 층 으로 빙하기와 간빙기의 경계인 MIS Ⅱ(빙하기)와 MIS Ⅲ(간빙기)의 경계 범위를 가진다(Kim et al., 2007). 이를 바탕으로 03GHP-02의 코어 시료는 대략 40,000 yr의 연령을 가지는 것으로 추측되며, 약 0-0.6 m의 구간은 MIS Ⅰ, 약 0.6-3.2 m의 구 간은 MIS Ⅱ, 약 3.2 m 이하는 MIS Ⅲ으로 추정 된다.

    울릉분지 시료의 깊이에 따른 주 광물함량 변화 그래프를 살펴보면 기존에 언급된 MIS 경계에 해 당하는 구간에 거의 일치하는 변화가 관찰되는데, 그중 가장 큰 변화를 나타나는 광물은 비정질 광물 오팔A이다. 오팔A는 원양성의 규조와 같은 생물체 가 다량으로 가라앉음으로써 생성되는데(Tada, 1994), 오팔A의 높은 함량은 이 시기에 해수면이 상승되면서 생물체가 많이 살 수 있는 원양성 환경 이 조성되었다는 것을 알 수 있다(Son et al., 2009). 따라서 본 시료에서도 간빙기에 해당하는 코어 시료의 상부에서 오팔A의 함량이 빙하기에 비해 더 많이 나타나는 것을 볼 수 있다. 그러나 하부의 시료는 간빙기임에도 불구하고 이에 대하 여 명확한 경향을 보여주지 않고 있다. 주 광물함 량 변화 그래프에서 황철석의 함량이 코어 상부에 서 크게 나타나는데, 테프라 층이 나타나는 구간과 황철석 함량의 상승 구간이 유사한 것으로 보아 화 성활동의 인한 유입으로 생각되어진다.

    이와 함께 고기후 변화를 유추할 수 있는 kaolinite/chlorite 상관관계 그래프를 살펴보게 되 면 오팔A가 갑자기 상승했던 범위와 비슷한 범위 에서 kaolinite/chlorite의 값이 상승하는 경향을 볼 수 있는데, 그래프 값의 증가는 이 시기의 기후가 상대적으로 고온 다습했다는 것을 의미한다(Horiuchi et al., 2000). 일라이트 결정도 지수 그래프 또한 비슷한 구역에서 0.4의 값보다 높은 피크 값을 보 여주는데, 이 또한 상대적으로 온난 다습한 기후에 서 퇴적된 것으로 유추되어 지며(Chamley, 1989) 이 구역이 간빙기에 해당하는 MIS Ⅰ, Ⅲ의 범위 와 일치한다는 것을 알 수 있다. 그 외 심도 0.7 m - 3.5 m 구간은 오팔A의 낮은 함량과 일라이트 낮 은 결정도 지수를 보아 상대적으로 한랭한 기후였 음을 유추할 수 있는데, 이는 일부 앞에서 언급한 MIS Ⅱ의 구간과 부합되는 것으로 판단된다.

    후포분지의 kaolinite/chlorite 값은 갑자기 상승 하는 하나의 포인트를 제외하고는 거의 일정한 값 을 가지는 것을 볼 수 있으며, smectite/illite 값은 변동 패턴을 보이기는 하지만 전체적으로는 일정 한 값을 가지는 것으로 보인다(Fig. 5).

    후포분지의 경우 특별히 퇴적물의 연령을 가늠 할 증거는 없지만 본 코어에서 4.5 km 거리의 08HZP-03 코어의 연대 분석 결과 퇴적 속도가 48-50cm/ka로 보고되었다(KIGAM, 2009). 따라서 본 코어 시료는 전기 홀로세에서 중기 홀로세 동안 퇴적된 것으로 보인다. 시료 깊이에 따른 주 구성 광물의 변화를 살펴보면 약간의 증가 감소의 패턴 은 보이지만 비교적 짧은 기간에 퇴적되어 울릉분 지에 비해 비교적 일정한 함량을 가지는 것을 볼 수 있다. 일라이트 화학지수를 살펴보면 심도 약 1.8 m - 2.5 m를 제외한 나머지의 구간에서 0.4 이상의 값을 가지는 것으로 보아 대체적으로 화학 적인 풍화가 일어나는 따뜻한 기후였음을 유추할 수 있다(Chamley, 1989). 이와 함께 고 기후를 알 려주는 지시자로 사용되는 일라이트 결정도 지수 와 스멕타이트 결정도 지수, smectite/illite 상관관 계 그래프에서도 볼 수 있듯이 대부분의 범위에서 비슷한 증가 감소의 피크 변동 패턴을 나타내고 있 는 것으로 보아 이 시기의 기후가 자주 변했음을 알 수 있지만, 후포분지의 코어 시료가 퇴적되었던 전체 기간 동안에는 대체적으로 따뜻한 기후였음 을 알 수 있다. 따라서 최상부로 부터 심도 1.8 m 까지와 심도 2.6 m부터 최하부의 구간은 상대적으 로 온난한 기후를, 나머지 부분은 상대적으로 한랭 한 기후를 겪었을 것으로 추측되어 진다.

    인 함량을 통한 퇴적환경 유추

    울릉분지의 총 인 함량분포 그래프를 살펴보면 심도 약 0.6 m - 2.5 m 구간에서 총 인 함량이 적 게 나타나는 것을 볼 수 있는데 이는 빙하기(MIS Ⅱ)에 해당한다. 일반적으로 동해 퇴적물이 주로 대한해협을 통해 공급되어 지며, 동해 인근해역으 로 유입되는 강과 하천을 통해서도 인을 포함하는 광물의 화학적 풍화로 인해 생성된 퇴적물이 공급 되는 것으로 보아(Cha et al., 2007) 이 심도에 해 당하는 시기의 동해는 해수면의 하강으로 인해 주 변으로부터 고립되어 해협이나 강을 통한 퇴적물 의 유입이 적었으며 이와 함께 인의 공급량이 적었 을 것으로 추측되어 진다. 이와 함께 다른 형태의 인의 함량도 이시기(빙하기)에 감소하는 경향이 나 타나는 것을 볼 수 있는데, Fe-bound P는 환원환 경에서 Fe-산화물에 결합되어 있던 Fe와 함께 공 극수로 유리되어(Cha et al., 2007) 적은 값이 나타 나며, organic-P는 환원환경에서 Fe-수산화물과 결 합하거나 자생성 인회석으로 형성되기 때문에 함 량이 적게 나타나는 경향을 보여준다(Filippelli and Delaney, 1996). 반면, 이 시기에 detrital-P의 함량이 증가되는 것을 볼 수 있다. Detrital-P는 육 상암석의 풍화의 결과로 생성되고 이동된 인의 형 태로 알려져 있는데(Son et al., 1999), 이는 빙하 기에는 육성기원의 물질이 많이 포함하고 있는 고 황하강으로부터 퇴적물이 유입되었기 때문으로 추 측된다.

    후포분지 인의 함량분포는 심도에 따라 일정한 값을 보이며 이는 울릉분지에 비하여 퇴적된 기간 동안에 퇴적물의 공급 변화가 거의 없었음을 지시 한다. 그중 눈여겨 볼 것은 높게 나타나는 organic-P의 함량으로, 후포분지의 organic-P의 평 균값이 울릉분지 organic-P의 평균값보다도 높게 나타난다. organic-P는 방금 퇴적된 것이 아니라 생물이 분해한 뒤 남은 난분해성 인을 지시하며 (Son et al., 1999), 퇴적환경과 관련되어 물리적- 화학적 영향을 많이 받는 인의 형태로 알려져 있다 (Cha. 2000; Cha et al., 2007). 이 때문에 울릉분 지에 비해 육지에 더 가까운 후포분지에 인의 공급 이 더 많았을 것으로 추측된다. 인의 형태 중 심도 에 따른 변화를 나타내는 것은 유일하게 Fe-bound P가 있는데, 이는 환원환경에서 Fe-산화물에 결합 되어 있던 Fe와 함께 공극수로 유리되어(Cha et al., 2007) 감소하는 경향을 보여주기 때문이다.

    결 론

    울릉분지(03GHP-02)와 후포분지(HB13-2) 퇴적 물 코어 시료의 경우 전체적으로 조암광물은 큰 차 이가 없었다. 울릉분지 퇴적물은 21%의 석영과 15%의 장석 등과 같은 조암광물이 높은 비율을 차 지하고 있으며 또한 16%의 일라이트, 5%의 녹니 석, 0.2%의 스멕타이트 등의 점토광물과 함께 12%의 비정질 실리카, 7%의 탄산염광물로 구성되 어 있다. 후포분지 퇴적물에서는 비정질 오팔A가 33%로 가장 높은 비율을 차지하고 있으며 조암광 물(19%의 석영, 9% 장석 등), 점토광물(12%의 일 라이트, 4%의 녹니석, 2%의 카올리나이트), 7%의 탄산염광물로 구성되어 있다. 후포분지의 퇴적물에 서는 울릉분지의 퇴적물에 비해 깊이에 따른 광물 함량변화가 크게 나타나지 않은 것으로 보아 울릉 분지에 비해 비교적 짧은 시간 동안에 퇴적되었고, 퇴적물의 공급 변화가 거의 없는 퇴적 환경으로 판 단된다. 또한, 울릉분지와 후포분지 두 시료의 스 멕타이트 함량이 20%를 웃도는 것으로 보아 과거 고 황화강으로부터 담수가 유입되면서 스멕타이트 의 함량이 높은 점토광물이 유입되었을 가능성을 시사하며 후포분지의 경우 울릉분지보다 스멕타이 트 함유량이 더 많은며 이는 인근 제3기 분지의 화 산쇄설암의 영향을 받았을 것으로 판단된다.

    울릉분지 퇴적물은 심도에 따른 광물학적인 변 화가 나타나는데, 0.7 m - 3.5 m를 제외한 나머지 구간에서 오팔A의 함량이 크게 나타나는 것은 원 양성 환경이 형성되어 이에 따른 생물체들의 수가 증가되었음을 유추할 수 있으며, 이와 비슷한 범위 에서 kaolinite/chlorite의 값이 상승하는 경향으로 보아 이 시기의 기후가 상대적으로 고온 다습했다 는 것을 유추할 수 있다. 동일한 구간에서 일라이 트 결정도 지수가 높게 나타나는 것 또한 따뜻한 기후였음을 알려준다. 총 인 함량분포 그래프에서 약 0.6 m - 2.5 m 구간에서 총 인 함량이 적게 나 타나는 것을 볼 수 있는데 이 시기 인의 공급량이 적었을 것으로 추측되어지며, detrital-P의 함량증 가를 통해 이 시기에 육성기원의 물질이 많이 포함 하고 있는 고황하강으로부터 퇴적물이 유입되었음 을 알려준다. 이러한 여러 결과들은 0.7-3.5 m의 부근은 MIS Ⅱ인 빙하기, 그 외의 범위는 간빙기 와 잘 부합되고 있다.

    후포분지 시료의 깊이에 따른 주 구성광물은 비 교적 일정하지만, 일라이트 화학지수를 고려하면 최상부에서 심도 1.8 m까지와 심도 2.6 m부터 최 하부까지의 구간은 상대적으로 온난한 기후를, 나 머지 부분은 상대적으로 한랭한 기후를 겪었을 것 으로 추측된다. 그러나 대부분의 상관관계 그래프 에서도 볼 수 있듯이 퇴적되는 시기 동안에 대체적 으로 따뜻한 기후였지만, 그 시대의 기후 변동이 어느정도 있었음을 추측할 수 있다. 인의 함량분포 또한, 심도에 따른 큰 차이가 없는 것으로 보아 퇴 적된 기간 동안에 큰 해수면의 변동이나, 큰 기후 의 변화가 없었던 환경이었음을 유추할 수 있다.

    Figure

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    Sampling location map in the Ulleung Basin and Hupo Basin, East Sea.

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    Variation in mineral compositions of sediment cores from Uleung Basin (top) and Hupo Basin (bottom) with depth.

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    Variation of clay contents and fractions of each clay mineral for the core samples from Uleung Basin (top) and Hupo Basin (bottom) with depth.

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    Vertical distribution of total P concentration (ppm) and P species for core samples from Uleung Basin (top) and Hupo Basin (bottom) with depth (P1 = loosely exchangable P; P2 = Fe-bound P; P3 = authigenic P; P4 = detrital P; P5 = organic P).

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    Variation in illite chemical index, illite crystallinity index, smectite crystallinity index, chlorite/kaolinite, and illite/smectite of core samples from Uleung Basin (top) and Hupo Basin (bottom) with depth.

    Table

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