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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.31 No.1 pp.1-12
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2018.31.1.1

Origin of Clay Minerals of Core RS14-GC2 in the Continental Slope to the East of the Pennell-Iselin Bank in the Ross Sea, Antarctica

Sangbeom Ha1, Boo-Keun Khim1*, Hyen Goo Cho2, Ester Colizza3
1Department of Oceanography, Pusan National University, Busan 46241, Korea
2Department of Geology, Gyeongsang National University, Jinju 52828, Korea
3Department of Mathematics and Earth Sciences, University of Trieste, Italy
Corresponding author: +82-51-510-2212, bkkhim@pusan.ac.kr
October 12, 2017 October 30, 2017 February 8, 2018

Abstract


A gravity core (RS14-C2) was collected at site RS14-C2 in the continental slope to the east of Pennell-Isellin Bank of the Ross Sea (Antarctica) during PNRA XXIX (Rosslope II Project) Expedition. In order to trace the sediment source, magnetic susceptibility (MS), sand fraction, and clay mineral compositions were analyzed, and AMS 14C ages were dated. Core sediments consist mostly of hemipelagic sandy clay or silty clay including ice-rafted debris (IRD). AMS 14C age of core-top indicates the modern and Holocene sediments. Based on AMS 14C dating, sediment color, MS and sand fraction, core sediments are divided into interglacial and glacial intervals. The interglacial brown sediments are characterized by low MS and sand fraction, whereas the glacial gray sediments are characterized by high MS and sand fraction. Among clay mineral compositions of core sediments, illite is highest (61.8~76.7%), and chlorite (15.7~21.3%), kaolinite (3.6~15.4%), and smectite (0.9~5.1%) are in decreasing order, and these compositions are also divided into the interglacial and glacial/deglacial intervals. During the glacial period, the high content of illite and chlorite indicate sediment supply from the bedrocks of Transantarctic Mountains under the Ross Ice Sheet. In contrast, because of decreasing supply of illite and chlorite by the glacial retreat, smectite and kaolinite contents increased relatively during the interglacial period. During the interglacial period, smectite may be transported additionally by the northeastward flowing surface current from the coast of Victoria Land in the western Ross Sea. Kaolinite may be also supplied to the continental slope by the Antarctic Slope Current from the kaolin-rich metasedimentary rock outcropped on the Edward VII Peninsula.



남극 로스해 펜넬-이젤린 퇴 동쪽 대륙사면의 코어 RS14-GC2의 점토광물의 기원지 연구

하 상범1, 김 부근1*, 조 현구2, 에스터 콜리자3
1부산대학교 해양학과
2경상대학교 지질과학과
3트리에스테 대학교 수학 및 지구과학과

초록


남극 로스해 펜넬-이젤린 퇴의 동쪽 대륙사면에 위치한 정점 RS14-C2에서 2014년 PNRA XXIX 탐사(Rosslope II Project)동안 중력코어(RS14-GC2)를 획득하였다. 퇴적물의 기원지 추정을 위 하여 대자율, 모래 입자 함량, 점토광물 조성을 분석하고 AMS 14C 연대를 측정하였다. 퇴적물은 주로 빙운쇄설물을 포함한 반원양성 사질 점토 또는 실트질 점토로 구성되어 있다. 코어의 최상부 연대는 현생 퇴적물과 홀로세 퇴적물을 지시한다. 방사성 탄소동위원소 연대와 퇴적물의 색, 대자율 및 모래 입자 함량을 이용하여 코어 퇴적물을 간빙기와 빙하기 퇴적물로 구분하였다. 간빙기의 갈색퇴적물은 대자율과 모래 입자 함량이 낮은 반면에 빙하기의 회색퇴적물은 대자율과 모래 입자 함량이 높다. 코 어 퇴적물의 점토광물 조성은 전체적으로 일라이트(61.8~76.7%)가 가장 우세하며, 녹니석(15.7%~ 21.3%), 카올리나이트(3.6%~15.4%), 그리고 스멕타이트(0.9~5.1%)의 순서로 나타나고, 간빙기와 빙 하기/후빙기로 뚜렷하게 구분된다. 빙하기 동안 일라이트와 녹니석 함량이 우세한 것은 퇴적물의 기 원지가 주로 로스해 빙상 하부에 위치한 남극종단산맥의 기반암을 지시하기 때문이다. 반면 빙상 후 퇴에 의한 일라이트와 녹니석의 공급이 감소되어 간빙기 동안 상대적으로 스멕타이트 함량이 약간 증 가하며 카올리나이트 함량은 많이 증가한다. 더불어 간빙기 동안 로스해 서안의 빅토리아랜드 연안의 맥머도 화산군에서 북동쪽으로 흐르는 해류에 의해 스멕타이트가 추가로 공급되며, 카올리나이트는 카올리나이트의 함량이 풍부한 퇴적암이 분포하는 에드워드 7세 반도에서 공급되고 대륙사면류에 의 해 대륙사면으로 운반되었을 것으로 예상된다.



    Pusan National University

    서 론

    남극 대륙의 약 97%는 남극 빙상(Antarctic Ice Sheet)에 의해 덮여 있으며, 해양으로 공급되는 얼 음의 주요 저장고 역할을 한다(Anderson et al., 1984). 현재 남극 빙상은 1,360만 km2의 면적과 평균 2 km의 두께를 유지하고 있으며(Barker et al., 1999), 남극종단산맥(Transantarctic Mountains) 을 기준으로 서남극 빙상(WAIS)과 동남극 빙상 (EAIS)으로 구분된다. 남극 빙상은 에오세-올리고 세의 경계에서 형성된 이후 전 지구적으로 기후의 냉각과 함께 발달하였다(Franke and Ehrmann., 2010). 남극 빙상의 소멸은 빙산(iceberg)의 생성으 로 인한 빙하 분리(calving)가 주요 원인이고 융빙 수에 의한 소멸은 부차적인 원인이며 지역적으로 10~28%의 비율을 차지한다(Rignot et al., 2013). 이러한 남극 빙상의 성장과 소멸은 전 지구적 해수 면 변화, 대양 순환 그리고 심층수의 형성과 매우 밀접한 관계가 있을 뿐만 아니라 지구 기후를 조절 하는 데 있어 가장 중요한 요인으로 작용한다 (Abreu and Anderson, 1998; Barker et al., 1999; Mackensen, 2004).

    서남극 빙상은 해양성 빙상으로 일반적으로 기 복이 심한 기반암 위에 놓여 있으며 빙상의 대부분 은 해수면 아래에 잠겨 있다(Drewry, 1983). 빙상 의 이동속도는 동남극 빙상보다 상대적으로 빠르 며, 빙상의 이동은 대부분 빙하류(ice stream)의 형 태로 나타난다(Anderson et al., 2002). 동남극 빙 상은 육성 빙상이며, 지역적으로 빙저 분지가 해수 면 아래에 위치하지만, 대부분은 해수면 위에 기반 이 위치한다. 동남극 빙상은 고도가 최고 3200~ 4000 m로 서남극 빙상에 비해 높은 것이 특징이 다(Drewry, 1983). 로스해(Ross Sea)에는 로스빙붕 (Ross ice shelf)이 발달하고 빙붕의 북쪽으로 대륙 붕이 넓게 펼쳐져 있다(Fig. 1). 로스해 대륙사면은 이젤린 퇴(Iselin Bank)를 경계로 동쪽과 서쪽으로 지형적 특징이 구분된다. 동쪽 대륙사면은 경사가 급하고 드물게 해저 협곡이 발달하는 반면, 서쪽 대륙사면은 경사는 완만하지만 많은 해저 협곡이 발달하는 복잡한 형태를 하고 있다(Davey, 1981). 로스해의 심해역 경계는 동쪽으로는 로스해 환류 를 포함하는 지역까지 그리고 북쪽으로는 적어도 겨울에 형성되는 해빙의 가장자리까지로 정의된다 (Budillon et al., 2011). 로스해에는 웨델해 다음으 로 기후변화에 중요한 역할을 하는 많은 양의 남극 저층수(Antarctic Bottom Water)가 형성된다 (Budillon et al., 2011).

    로스 빙붕은 세계에서 가장 큰 규모이며, 빙붕의 얼음은 동남극 빙상이 로스해의 서쪽 주변부에서 분출빙하의 형태로 공급되지만(Denton and Hughes, 2002), 서남극 빙상에서 직접적인 빙하류의 형태가 가장 많은 얼음을 공급한다(Bindschadler, 1998). 로스 빙상(Ross Ice Sheet)은 마지막 최대 빙하기 (Last Glacial Maximum)동안 74°S까지 성장한 뒤 현재의 위치까지 후퇴하였다(Licht et al., 1996; Shipp et al., 1999; Howat and Domack, 2003). 기후 변화에 따른 빙상의 성장과 후퇴는 로스해 대 륙붕의 환경에 큰 영향을 끼쳤으며, 이에 따라 대 륙붕에서 발견되는 퇴적층들은 Domack et al. (1999)에 의해 다음과 같이 정리되었다. i) 빙저 환 경(subglacial setting)을 지시하는 괴상의 다이어믹 타이트(diamictite), ii) 그라운딩 라인(grounding line)에서부터 빙상이 후퇴하기 시작할 때, 해저면 에서 빙상이 떨어진 빙붕 아래의 환경을 반영하는 덜 다져진 사질-니질의 자갈로 구성된 퇴적층, iii) 그라운딩 라인의 해양쪽 퇴적환경을 지시하는 빙 하-해양의 적색 이토층, iv) 기저 암석 부스러기 (basal debris)의 영향을 받지 않는 빙붕 아래의 환 경을 지시하는 실트질 점토층, v) 로스 빙붕의 분리 빙하가 떨어져 나오는 지점(calving front) 근처에서 빙산, 해빙 그리고 바람에 의해 운반된 쇄설물이 풍부하고 조립한 퇴적층, vi) 공해(open marine) 환 경을 지시하는 규조 연니 퇴적층.

    육상 환경에서 생성되어 해양으로 공급되는 점토 광물은 육지 암석의 물리적 또는 화학적인 풍화를 지시하기 때문에 점토광물 각각의 구성과 함량은 모암의 특성에 따른 기원지에 좌우된다(Chamley, 1989). 더불어 점토광물은 육상 환경의 기후 조건 을 뚜렷하게 반영하므로 해양 퇴적물의 점토광물은 고기후 연구에 유용한 도구로 사용된다(Robert and Maillot, 1990; Hambrey et al., 1991; Ehrmann and Mackensen 1992; Ehrmann et al., 1992). 현 재의 남극 환경에서는 일반적으로 자생 기원의 점 토광물의 형성이 부재하고 물리적 풍화가 우세하 기 때문에(Petschick et al., 1996; Fagel, 2007), 남 극 대륙주변부 퇴적물의 점토광물 조성은 퇴적물 의 주요 공급지와 이동경로를 추정하는 데 유용하 다(Hillenbrand and Ehermann, 2001; Hillenbrand et al., 2009; Ehrmann et al., 2011). 남극해 주변 해역의 일반적인 점토광물 분포는 일라이트와 녹 니석이 우세하다(Ehrmann et al., 1992). 지역적인 점토광물 연구에 의하면 아문젠해(Amundsen Sea) 의 동쪽 대륙붕에서는 특징적으로 카올리나이트의 함량이 현재에 비해 빙하기 동안 높게 나타났다 (Hillenbrand et al., 2002, 2003). 이러한 차이는 아문젠해로 공급되는 퇴적물의 기원지가 현재와 빙 하기에 달랐음을 지시한다(Ehrmann et al., 2011). 벨링스하우젠해(Bellingshausen Sea)에서 수행된 점 토광물 연구 결과에서도 빙하기 퇴적물과 현생 퇴 적물의 점토광물 기원지가 서로 다른 것을 보여준 다(Hillenbrand et al., 2003). 로스해의 경우 주로 맥머도만(McMurdo Sound)에서 점토광물에 대한 연구 결과가 발표되었다(e.g. Ehrmann et al., 2005; Giorgetti et al., 2009; Frank and Ehrmann, 2010). 이 지역은 스멕타이트와 일라이트가 우세한데 일라 이트는 남극종단산맥의 퇴적암과 기반암이 주요 기 원지인 반면에, 스멕타이트는 맥머도 화산군이 주 요 기원지로 작용한다(Frank and Ehrmann, 2010).

    기후변화에 따른 로스 빙상의 발달과 후퇴와 관 련된 퇴적환경 및 고환경 변화 연구들은 대부분 로 스해의 대륙붕 지역에 제한되었고 대륙사면 지역 의 연구는 매우 미비하다. 특히 퇴적물의 기원지를 추정하는 점토광물 자료는 로스해 대륙붕 남서쪽 의 맥머도 화산군 주변부에만 제한적으로 발표되 었고, 대륙붕의 다른 지역 및 대륙사면에서의 점토 광물 연구는 매우 부족한 실정이다. 따라서 이번 연구에서는 로스해의 동쪽 대륙사면에서 획득한 코어의 점토광물 조성 변화를 통해 로스 빙상의 전 진과 후퇴에 의한 대륙사면의 퇴적물 특성과 기원 지 변화를 복원하고자 한다.

    재료 및 방법

    로스해에는 빙하에 의한 침식으로 대륙붕단이 뚜 렷하게 발달되었고, 대륙붕에 북-북동 방향의 긴 타 원 형태로 골과 퇴가 다수 분포하며, 수심이 대륙 쪽으로 향하면서 깊어지는 독특하고 복잡한 지형이 나타난다(Fig. 1; Anderson et al., 1984; Langone et al., 1998). 로스해 대륙붕의 평균 수심은 500 m 이며, 퇴의 수심은 약 300 m이고 분지는 500 m 이 상의 수심을 갖는다(Frigani et al., 2003). 로스해의 대륙사면에는 남극사면류(Antarctic Slope Current) 가 동쪽에서 서쪽으로 흐르며 남극사면전선(Antarctic Slope Front)이 위치한다(Jacobs, 1991; Orsi and Wiederwohl, 2009). 이 전선에서 로스환류(Ross Gyre)를 따라 흐르던 고온-고염의 순환심층수(Circumpolar Deep Water)가 대륙붕에 존재하는 저온- 저염의 남극표층수(Antarctic Surface Water)와 만 나서 혼합된다(Orsi et al., 1995, 1999).

    로스해의 펜넬(Pennell)-이젤린(Iselin) 퇴 동쪽에 위치한 대륙사면의 정점 RS14-C2 (75°00 S, 173°55W, 수심 1757 m)에서 2014년 XXIX PNRA 남극탐사(Rosslope II) 동안 중력코어(RS14-GC2, 길이 441 cm)를 채취하였다(Fig. 1). 코어 퇴적물 은 빙운쇄설물(ice-rafted debris : IRD)을 간헐적으 로 포함하고 있지만, 대부분 반원양성 실트질 점토 로 구성되어 있다. 코어의 상부는 밝은 갈색을 띠 고 있으며 하부로 가면서 황록색 또는 회색으로 변 하며, 최하부에 다시 밝은 갈색이 나타난다.

    퇴적물의 대자율과 입도 측정은 이탈리아 국립 지 구물리학 및 화산학연구소(INGV, Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia)에서 수행되었다. 중 력코어 RS14-GC2에서 Bartington사의 MS2C 대자 율측정기를 이용하여 1 cm 간격으로 저자장 대자 율(low-field magnetic susceptibility)을 측정하였다. 입도분석용 퇴적물 시료는 과산화수소 처리를 통해 유기물을 제거하고 2 mm 체를 사용하여 조립한 빙 운쇄설물을 분리하였다. Malvern사의 Mastersizer에 서 Laser를 사용하여 2 mm 이하의 입자 크기를 측정하였다. 입자 크기의 구분은 Friedman and Sanders (1978)의 기준을 이용하였고, 입도 변수는 Folk and Ward (1957)의 공식을 이용하였다.

    중력코어 RS14-GC2에서 16개 퇴적물의 점토광 물을 분석하였다. 12% 과산화수소수를 이용하여 퇴적물 내의 유기물을 제거한 후, 63 μm 체를 사 용하여 습식체질을 통해 사질 퇴적물을 분리하였 다. 남은 63 μm 이하의 입자에 확산제인 2% 칼곤 (Calgon, sodium hexametaphosphate) 용액 50 mL 를 넣고 증류수를 500 mL까지 채운 후, Stoke’s law를 이용하여 2 μm 이하의 입자를 추출하였다. 추출된 입자는 원심분리기로 농축시킨 후, Stokke and Carson (1973)의 방법을 따라 슬라이드 글라 스 위에 얇게 도포하는 방법인 “smear on slide” 방식으로 방향성 시료를 제작한 뒤 대기 중에서 자 연건조하였다. 건조된 슬라이드와 더불어 60℃에 서 24시간 동안 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 처 리된 슬라이드를 경상대학교의 X-선 회절분석기 (Siemens/Brucker D5005)를 이용하여 분석한 후 점토광물을 동정하고 반정량적 함량을 측정하였다. X-선 회절분석은 흑연 단색화된 파장(CuKα = 1.5406 Å)을 사용하여 35 mA, 40 kV 조건 아래 에서 발산슬릿은 1.0°, 수광슬릿은 0.6°로 3~30° 2θ 범위를 분석하였다.

    점토광물의 동정은 자연건조 슬라이드와 에틸렌 글리콜 처리된 슬라이드의 X-선 회절분석도 상에 서 17 Å의 피크를 스멕타이트, 10 Å의 피크를 일 라이트 그리고 7 Å의 피크를 녹니석+카올리나이 트로 확인하고 각각의 면적을 구하였다. 피크의 면 적은 바탕선(base line) 상에서 피크의 양 끝 지점 을 이어서 설정한 뒤, 구적계(Digitizing Area-liner MT-10S, ± 0.1%)를 사용하여 계산하였다. 피크 면적에 일정한 가중치(weighting factor; 스멕타이 트 1, 일라이트 4, 녹니석과 카올리나이트의 합 2) 를 곱하여 각 광물의 고유한 피크 강도 차를 보정 하였다(Biscaye, 1965). 카올리나이트와 녹니석의 비율은 자연건조된 슬라이드의 X-선 회절분석도 상에서 카올리나이트의 3.58 Å 피크와 녹니석의 3.54 Å 피크의 면적의 비를 통해서 계산되었다.

    퇴적물의 연대는 벌크 퇴적물의 산불용성 유기탄 소의 방사성 탄소를 질량가속기(Accelerator mass spectrometry, AMS)를 이용하여 측정하였다(Table 1). AMS 방사성 탄소연대 측정은 미국 우즈홀 해 양연구소(Woods Hole Oceanographic Institute)의 NOSANS 실험실과 폴란드 아담 미츠키에비츠대 학교(Adam Mickiewicz University in Poznań)의 포즈난 방사성탄소 실험실에서 수행되었다. 획득한 AMS 방사성 탄소연대는 다음과 같은 절차로 보정 하였다. 남극해의 저장고효과(reservoir effect)에 해당하는 1.1 ± 0.12 ka를 박스코어의 최상부의 연 대에서 뺀다(Hall et al., 2010). 이는 오래된 유기 물에 의한 오염 때문에 나타나는 지역적인 오염 보 상값(Local Contamination Offset, LCO)을 고려하 기 때문이다(Hillebrandt et al., 2009).

    결 과

    Fig. 2는 코어 RS14-GC2에서 분석된 대자율과 모래 입자의 함량 변화를 보여준다. 대자율은 간헐 적인 이상값을 제외하고 코어 전체적으로 회색의 퇴적물에서는 비교적 일정한 값을 보이지만, 밝은 갈색의 퇴적물이 나타나는 코어 상부 65 cm에서 감소한 이후 50 cm에서 다시 상승한다. 코어 RS14-GC2 모래 입자의 함량 변화는 대자율의 변 화와 매우 유사하다(Fig. 2). 그러나 코어 최상부에 서 대자율은 감소하지만 모래 함량은 계속 증가하 는 경향이 나타난다. 코어의 암상은 대자율과 모래 입자의 함량이 일정한 구간에서는 회색의 사질-점 토질 이토층 또는 실트질 이토층이 우세하게 나타 나고, 대자율과 모래 입자의 함량이 변화하는 구간 은 밝은 갈색의 사질-실트질 이토층으로 구성된다. 코어 RS14-GC2의 점토광물 함량은 일라이트가 61.8~76.7%로 가장 우세하며, 녹니석이 15.7~ 21.3%, 카올리나이트가 3.6~15.4%, 스멕타이트가 0.9~5.1%의 순서로 나타났다(Fig. 3). 코어 전체적 으로 많은 부분을 차지하는 회색 퇴적물 구간에서 일라이트 함량은 평균 75.4%로 비교적 높은 값을 보이지만, 밝은 갈색 퇴적물 구간에서 평균 63.7% 로 함량이 낮아진다. 반면에, 스멕타이트와 카올리 나이트 함량은 회색 퇴적물 구간에서 각각 1.9%과 5.3%로 낮게 나타났지만, 밝은 갈색 퇴적물 구간 에서는 3.2%과 14.0%으로 함량이 증가한다. 녹니 석 함량은 코어의 상부에서 증가하는 경향을 보이 지만, 다른 점토광물들의 함량에 비해 전체적으로 일정한 값(17.8%)을 유지한다.

    토 의

    마지막 빙하기 이후 퇴적작용의 변화

    마지막 빙하기 이후 로스해 대륙붕의 퇴적작용 및 퇴적환경 변화는 많은 연구들을 통해 비교적 잘 보고되었다(Anderson et al., 1984, 2002; Licht et al., 1999; Frigani et al., 2003; Howat et al., 2003; Salvi et al., 2006). 로스해 대륙붕에서 퇴적 작용 변화를 일으키는 가장 중요한 요인은 육상 로 스빙하의 발달과 소멸이다. 육상빙하는 빙하기 동 안 대륙붕단까지 성장 및 발달하여 과거에 퇴적되 었던 대륙붕 퇴적물을 침식하고 운반 및 재퇴적시 킨다. 빙하의 발달에 의한 침식작용으로 로스해 대 륙붕은 내대륙붕의 수심이 더 깊은 특징적인 지형 구조를 보인다(Fig. 1). 일반적으로 빙하기 동안 발 달한 빙상에 의해 대륙붕에는 전체적으로 다이어 믹타이트(diamictite)가 형성되며, 융빙수에 의해 분급이 불량한 빙력토(till)가 외해까지 공급되며 빙 산에 의해 많은 빙운쇄설물이 퇴적된다. 빙하기 대 륙붕에 퇴적된 다이어믹타이트는 대자율이 상대적 으로 낮은 것이 특징이고 점토부터 거력(boulder)의 입자가 뒤섞여있기 때문에 분급이 매우 불량하다 (Licht et al., 1999).

    기후가 온난해지는 후빙기 동안 빙하가 후퇴하 고 대륙붕에 빙붕이 형성되어 빙상의 그라운딩 라 인(groudning line)의 바로 앞에서 암설류와 저탁류 에 의한 퇴적작용이 우세하게 일어난다. 기온이 계 속 상승하면서 빙상과 빙붕은 대륙쪽으로 점점 후 퇴하고 대륙붕에는 다년 또는 계절적인 해빙이 발 달하는 환경으로 변화된다. 후빙기 동안 로스해 대 륙붕에 발생한 암설류나 저탁류에 의해 운반된 퇴 적물은 비교적 높은 대자율을 보이며, 특히 빙운쇄 설물이 포함된 구간은 대자율이 매우 높으며, 입도 역시 평균적으로 조립하고 모래 입자의 함량이 50% 이상인 구간도 발견된다(Licht et al., 1999). 이 시기에는 융빙수나 생물의 생산성에 의한 퇴적 물의 공급이 극도로 감소한다. 이로 인해 후빙기와 현생 퇴적물 사이에 결층이 발견되는 경우도 있다 (Licht et al., 1996; Domack et al., 1999). 현생의 로스해 대륙붕은 주로 계절적인 해빙의 생성과 소 멸에 의한 공해(open marine) 환경으로 변하여 표 층해수의 생물생산성에 크게 의존하며, 빙붕의 아 래에는 융빙수에 의해 공급된 세립질 퇴적물이 퇴 적된다(Licht et al., 1999). 로스해 대륙붕의 현생 퇴적물은 빙하기 또는 후빙기의 퇴적물보다 대자 율이 낮으며, 입도는 전체적으로 실트 입자가 주를 이루고 빙운쇄설물의 공급도 감소한다(Licht et al., 1999; Salvi et al., 2006).

    남극해에서 빙하기 동안 융빙수에 의해 공급되 는 분급이 불량한 많은 양의 빙력토는 대륙붕단과 대륙사면 상부에 퇴적된 후 저탁류에 의해 대륙사 면의 하부로 이동된다(Larter and Barker, 1991). 이 과정에서 대륙사면에 협곡이 형성되며, 이 협곡 들을 따라 심해로 조립한 모래 크기의 입자가 운반 된다. 이러한 운반 작용으로 웨델해에서는 대륙붕 단에서 800 km 이상 떨어진 심해에서도 모래 입 자가 포함된 점이층리가 발견되었다(Anderson et al., 1986). 빙하기와 후빙기 동안 육상빙하에서 분 리된 빙산에 의하여 대륙사면에 빙운쇄설물이 많 이 운반되고 퇴적된다. 특히, 후빙기에 기온과 해 수면의 급격한 상승으로 빙하분리가 활발하게 일 어나기 때문에 빙운쇄설물의 공급이 증가한다 (Grobe and Mackensen, 1992). 빙하가 후퇴하기 시작하면, 대륙붕과 마찬가지로 대륙사면에도 생물 기원과 육성기원이 혼합된 원양성 또는 반원양성 의 퇴적물이 퇴적되기 시작한다(Barker et al., 1999). 온난한 간빙기 동안 대륙사면의 퇴적률은 일반적으로 육지에서 멀어질수록 낮아지고, 특히 간빙기가 시작되는 시점에 표층해수 일차생산성의 증가로 인해 생물기원(예, 규조각)의 입자들이 급 격하게 증가하는 경향이 보고되었다(Grobe and Mackensen, 1992; Ceccaroni et al., 1998).

    코어 RS14-GC2에서 대자율과 모래 입자의 함 량은 65 cm의 하부 회색 퇴적물이 나타나는 구간 에서 상대적으로 높게 나타난다(Fig. 2). 이러한 높 은 대자율과 모래 함량의 증가는 회색 퇴적물이 대 륙붕단이나 대륙사면의 상부에서 발생한 저탁류에 의해 공급되었음을 지시하는 것으로 해석된다. 코 어 깊이 65 cm에서 46 cm 사이에서 대자율과 모 래 함량이 급격하게 감소하는 경향이 발견된다. 이 기간은 대륙빙상이 대륙붕단에서 후퇴하여 빙력토 의 공급이 현저히 줄어들고, 대륙사면에 원양성 또 는 반원양성의 퇴적물이 공급되기 시작했기 때문 으로 해석된다. 한편 46 cm 상부의 갈색 퇴적물이 나타나는 구간은 일반적으로 대자율이 낮고 입도 는 세립하다(Fig. 2). 코어 최상부에서 대자율과 모 래 입자 함량의 증가는 빙운쇄설물의 증가 또는 현 생퇴적물이 저탁류로 인해 대륙사면에 재퇴적된 것으로 해석된다. 이 구간 퇴적물의 방사성 탄소동 위원소 연대가 약 14 ka로 높게 나타나는 것은 이 러한 원인에 기인한다(Table 1). 코어 최상부(1 cm)의 방사성 탄소동위원소 연대는 5.7 ka로 측정 된다(Fig. 2). 이러한 높은 연대는 방사성 탄소동위 원소 연대 측정에 사용되는 산불용성 유기탄소가 다양한 탄소 순환에 의해 재생산된 탄소를 포함하 기 때문이다(Andrews et al., 1999; Domack et al., 1999; Licht and Andrews, 2002). 이는 남극해에 서 보고되는 일반적인 현상이며 남극해 주변 해역 의 많은 코어에서 측정된 코어 최상부의 연대(2~6 ka)와 큰 차이가 없다(Licht et al., 1996; Pudsey et al., 1994; Salvi et al., 2006; Hall et al., 2010). 코어 RS14-GC2의 상부의 갈색 퇴적물 구간은 간 빙기인 현생 퇴적물로 해석되고 코어 하부의 회색 퇴적물은 빙하기와 후빙기의 퇴적물에 해당되는 것으로 판단된다. 그리고 대자율과 모래 함량이 급 격하게 줄어들기 시작하는 65 cm에서 46 cm까지 아마도 후빙기 퇴적물로 해석된다. 코어 최하부에 다시 나타나는 갈색 퇴적물은 지난 마지막 빙하기 이전의 간빙기 퇴적물로 예상되지만 시료양이 매 우 적어서 정확한 판단은 어렵다.

    마지막 빙하기 이후 점토광물 기원지의 변화

    해양 퇴적물을 구성하는 점토광물 중에서 스멕타 이트는 쇄설성 기원 또는 자생적 기원으로 구분된 다. 자생적 기원의 스멕타이트는 화산과 열수활동 또는 변성 작용에 의해 만들어진다(Chamley, 1989; Hillier, 1995). 예를 들어 해저에서 일어나 는 화산유리나 화산암의 화학적 변질작용(halmyrolysis) 이 자생적 기원의 스멕타이트를 형성하는 가장 중요한 과정으로 알려지고 있다(Chamley, 1989; Robert and Chamley, 1991). 반면에, 쇄설성 스멕타이트는 일반적으로 따뜻하고 습윤하거나 차 고 건조한 기후환경에서 가수분해를 통한 화성암 의 화학적 풍화에 의해 주로 생성된다(Ehrmann, 1998). 지질학적 시간 동안 남극종단산맥을 구성한 많은 모암들은 화학적 풍화과정에서 풍부한 스멕 타이트를 공급할 수 있지만 남극빙상의 형성 이후 물리적 풍화가 우세한 남극의 추운 기후에서 스멕타 이트의 형성은 주로 화산암의 풍화 및 침식에 의한 것으로 보고되었다(Ehrmann et al., 1992; Ehrmann, 1998). 일라이트와 녹니석은 고위도 지역에서 물리 적 풍화가 우세하게 일어나는 것을 지시하는 전형 적인 점토광물이다(Ehrmann, 1998). 일라이트는 주 로 화성암과 운모군(mica group)을 포함한 점토질 퇴적암에서 공급되며, 남극의 경우 비콘누층군 (Beacon Supergroup)의 풍화에 의해서 주로 형성 된다고 보고되었다(Ehrmann et al., 2005). 또한 남 극종단산맥에서 노출된 결정질암의 풍화작용에 의 해서도 형성된다(Ehrmann et al., 2011). 녹니석은 주로 이를 포함한 변성암과 염기성암에서 에너지 가 낮은 물리적 풍화를 통해 형성된다(Ehrmann et al., 2011). 카올리나이트는 온대와 열대의 습한 기 후에서 화학적인 풍화에 의해 주로 형성되기 때문 에 극지 환경에서는 거의 생성되지 않는다. 동남극 에서 주로 공급되는 카올리나이트는 남극빙하가 형성되기 이전 화학적 풍화가 활발하게 일어난 올 리고세 초기에 형성되어 현재 빙하에 의한 침식으 로 해양에 공급된다(Ehrmann et al., 1992, Dingle and Lavelle, 1998, Forsberg et al., 2008). 다만, 물리적 풍화가 우세한 현재의 극지 환경에서 카올 리나이트는 주로 카올리나이트를 함유하고 있는 고 토양(paleosol), 퇴적물 또는 퇴적암의 재생산 (recycling product)에 의해 공급된다(Ehrmann et al., 2011).

    남극 대륙은 지난 천만 년 이상 두꺼운 빙하로 덮여있었기 때문에, 화학적 풍화와 물리적 풍화의 변화보다는 주로 기원지 변화에 의해 해양퇴적물을 구성하는 점토광물의 조성이 변화된다(Salvi et al., 2006; Hillenbrand et al., 2009; Ehrmann et al., 2011). 로스해 대륙붕으로 공급되는 점토광물들에 대한 모암들의 연구는 기반암들이 대륙빙상으로 대 부분 덮여있기 때문에 거의 불가능한 상태이다. 기 존의 연구결과에 의하면 스멕타이트 함량은 주로 제 4기 퇴적물에서 높게 나오는데, 이는 퇴적물의 기원 지가 로스해 주변 대륙에 존재하는 염기성 화산암이 기원지로 작용했다는 것을 나타내며(Ehrmann et al., 1992; Ehrmann, 1998), 주로 빅토리아 연안의 맥 머도 화산군(Mcmurdo volcanic group)에서 공급 된다(Kyle, 1990). 일라이트와 녹니석은 남극종단 산맥의 기반암이나 퇴적암이 기원지로 추정된다 (Smellie, 1998; Ehermann et al., 2005). 카올리나 이트의 경우 로스해에서는 기원지에 대한 정보가 잘 보고되어 있지 않지만, 카올리나이트를 함유하 고 있는 고토양 또는 퇴적암에서 공급되는 것으로 생각된다.

    빙하기의 벨링스하우젠해 대륙붕에는 기원지에 따라서 점토광물의 조성이 다른 퇴적물이 융빙수나 저탁류에 의해 주로 운반되기 때문에 빙하 흐름의 변화를 파악할 수 있다(Hillenbrand et al., 2009). 현재 벨링스하우젠해의 대륙붕에는 남극반도의 빙 상이 후퇴하면서 동쪽에는 베토벤반도(Beethoven Peninsula)로부터 풍부한 스멕타이트가 공급되고, 서쪽은 엘타닌만(Eltanin Bay)에서 일라이트가 풍부 한 퇴적물이 공급된다. 그러나 빙하기 벨링스하우젠 해의 대륙붕에는 남극반도 빙상 아래의 토양에서 일라이트와 녹니석이 풍부하게 공급되었으며, 베토 벤반도에서의 스멕타이트 공급은 빙상의 발달로 인 하여 중단되었기 때문에, 스멕타이트의 공급은 백악 기 동안 남극 대륙주변부에 퇴적되었던 빙해양 (glaciomarine) 퇴적물이 주요한 기원지로 작용하였 다(Hillenbrand and Ehrmann, 2002; Hillenbrand et al., 2003). 벨링스하우젠해 대륙사면의 경우, 빙하 기에는 주로 론만(Ronne Bay) 입구의 동쪽에 퇴적 되었던 퇴적물이 재퇴적되어 스멕타이트가 풍부하 게 나타나고, 현재 대륙사면에 운반되는 점토광물들 은 해류와 빙산에 의해 론만 입구와 엘타닌만에서 의 공급이 혼합되어 있다(Hillenbrand et al., 2009).

    코어 RS14-GC2에서 점토광물의 조성 변화는 빙하기/후빙기 퇴적물과 간빙기 퇴적물로 뚜렷하게 구분된다(Fig. 4). 빙하기에 해당하는 회색 퇴적물 의 점토광물 조성은 스멕타이트(2.0%), 일라이트 (75.4%), 녹니석(17.3%), 카올리나이트(5.4%)로 구 성되는 반면에 간빙기에 해당되는 갈색 퇴적물의 점 토광물 조성은 스멕타이트(3.2%), 일라이트(63.7%), 녹니석(19.1%), 카올리나이트(14.0%)로 구성된다. 빙하기에는 상대적으로 일라이트가 우세하고 간빙 기에는 스멕타이트가 소량 증가하며 카올리나이트 는 특징적으로 증가한다. 코어 RS14-GC2의 간빙 기 점토광물 조성은 펜넬골(Pennell Trough)에서 보고된 점토광물 조성 결과와 유사하다(Salvi et al., 2006). 이러한 변화는 빙하기동안 로스해의 동 쪽 대륙붕단까지 진출한 빙상 아래에서 융빙수에 의해 남극종단산맥에서 기원한 일라이트와 녹니석 이 우세한 퇴적물로 해석된다.

    간빙기 동안 빙하가 후퇴하기 때문에 일라이트 와 녹니석의 공급이 감소하여 상대적으로 스멕타 이트와 카올리나이트의 함량이 증가한다(Fig. 4). 그러나, 코어 최상부에서 일라이트와 녹니석이 증 가하는 것은 모래 입자의 함량 증가와 마찬가지로 저탁류에 의해 대륙붕단이나 상부 대륙사면의 퇴 적물이 재퇴적되었기 때문으로 생각된다. 코어 RS14-GC2에서 간빙기의 갈색 퇴적물이 나타나는 상부 58 cm 이상의 구간과 하부 430 cm에서 스멕 타이트의 함량이 소량 증가하는 또 다른 원인은 대 륙붕에 존재하던 빙상이 간빙기에 사라지고 로스해 의 서쪽에 위치한 빅토리아랜드 연안의 맥머도 화 산군에서 공급되는 스멕타이트가 해류를 통해 로스 해의 동쪽으로 공급된 것으로 해석된다. 로스해에 서 표층해류는 맥머도만에서 시계방향으로 흐르며, 바람에 의해 북쪽 또는 북동쪽으로 흐른다(Dunbar et al., 1989; Sturman and Anderson, 1986). 마리 버드랜드(Marie Byrd Land)의 서쪽 끝에 위치한 에드워드7세반도(Edward VII Peninsula)의 서남극 빙상 아래에는 올리고세 이전의 퇴적암이 넓게 분 포한다(Passel, 1945; Wade, 1945; Pankhurst et al., 1998). 아문젠해의 서쪽에 나타나는 높은 함량 의 카올리나이트는 마리 버드 랜드의 에드워드 7세 반도의 빙상 아래에 분포한 퇴적암에서 기원한 것으 로 알려져 있다(Hinllenbrand et al., 2003; Ehrmann et al., 2011). 남극 대륙주변부에는 대륙붕과 대양 사이를 서쪽으로 흐르는 남극사면류와 남극전선이 발달한다(Orsi and Wiederwohl, 2009). 따라서 간 빙기 동안 로스해 대륙사면에 카올리나이트 함량 이 증가하는 또 다른 원인으로 로스해 동쪽에 위치 한 에드워드7세반도의 퇴적암에서 융빙수에 의한 공급으로 생각된다. 이 지역에서 공급된 카올리나 이트는 대륙사면류를 통해 서쪽으로 운반되는 것 으로 해석된다.

    결 론

    로스해 펜넬-이젤린 퇴의 동쪽 대륙사면에서 획 득한 중력코어 RS14-GC2에서 대자율, 모래 입자 함량과 점토광물의 조성을 통해 빙하기와 간빙기 대륙사면의 퇴적환경과 퇴적물 기원지의 변화를 알아보았다.

    빙하기의 회색퇴적물 구간에서는 대자율과 모래 입자 함량이 증가한다. 이는 빙하기 동안 대륙붕단 까지 진출한 빙상아래에서 융빙수 또는 저탁류에 의해 퇴적물의 공급이 주로 이루어졌음을 지시한 다. 반면, 간빙기의 갈색퇴적물 구간에서는 대자율 과 모래 입자 함량이 감소한다. 이는 간빙기 동안 에는 빙하의 영향이 미약하고 주로 공해 환경에서 생물 기원에 의해 퇴적물이 주로 공급되는 것을 지 시한다.

    퇴적물의 점토광물 조성의 함량은 일라이트, 녹 니석, 카올리나이트, 스멕타이트 순으로 나타난다. 빙하기의 회색퇴적물 구간에서는 일라이트와 녹니 석이 상대적으로 우세하고, 이러한 증가는 빙하기 동안 퇴적물의 기원지가 로스해 빙상 하부의 남극 종단산맥 기반암을 지시한다. 반면, 간빙기의 갈색 퇴적물 구간에서는 상대적으로 스멕타이트가 소량 증가하고 카올리나이트가 특히 많이 증가한다. 이 는 빙상의 후퇴로 일라이트와 녹니석의 공급이 감 소하고, 해류에 의해 스멕타이트가 로스해 서쪽의 빅토리아랜드 연안에 위치한 맥머도 화산군에서 공급되었음을 지시한다. 또한 카올리나이트는 마리 버드랜드의 서쪽에 위치한 에드워드7세반도에서 융빙수로 공급되어 남극사면류에 의해 운반되었을 것으로 해석된다.

    사 사

    자료획득을 위해 실험실 분석에 함께 참여한 부산대학 교 지질해양연구실 연구원들(이종민, 김지은)에게 감사 를 드립니다. 원고를 세심하게 심사하시고 조언을 주신 두 분의 심사위원들께도 감사를 드립니다. 이 연구는 부 산대학교 기본연구지원사업(2년)으로 수행되었다.

    Figure

    JMSK-31-1_F1.gif

    Map of the Ross Sea. A gravity core (RS14-GC2) was collected from site RS14-C2 (75°00 S, 173°55 W, depth 1757 m) located in the continental slope of the Ross Sea. Dotted line indicate the LGM grounding line as determined by Shipp et al. (1999).

    JMSK-31-1_F2.gif

    Core photograph and downcore variation of magnetic susceptibility (MS) and sand content with AMS 14C dating of core RS14-GC2. The AMS 14C date is fairly high at the core-top because of old carbon, although core-top is preserved well.

    JMSK-31-1_F3.gif

    Downcore variation of clay mineral compositions (smectite, illite, kaolinite and chlorite) with AMS 14C dates of core RS14-GC2.

    JMSK-31-1_F4.gif

    Ternary diagram showing the difference of clay mineral compositions between the gray sediments and brownish sediments of core RS14- GC2. Open rectangles represent an interglacial period, whereas open circles represent a glacial/ deglacial period.

    Table

    AMS 14C dating of core RS14-GC2

    *Local Contamination Offset.

    Reference

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