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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.32 No.3 pp.173-184
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2019.32.3.173

Sediment Provenance using Clay Mineral in the Continental Shelf and Rise of the Eastern Bellingshausen Sea, Antarctica

Young Kyu Park1, Jaewoo Jung1, Kee-Hwan Lee1, Minkyung Lee2, Sunghan Kim2, Kyu-Cheul Yoo2, Jaeil Lee2, Jinwook Kim1*
1Department of Earth System Sciences, Yonsei University, Seoul 03722, Korea
2Division of Polar Paleoenvironment, Korea Polar Research Institute, Incheon 21990, Korea
Corresponding author: +82-2-2123-5668, E-mail: jinwook@yonsei.ac.kr
August 29, 2019 September 18, 2019 September 20, 2019

Abstract


Variations in grain size distribution and clay mineral assemblage are closely related to the sedimentary facies that reflect depositional conditions during the glacial and interglacial periods. Gravity cores BS17-GC15 and BS17-GC04 were collected from the continental shelf and rise in the eastern Bellingshausen Sea during a cruise of the ANA07D Cruise Expedition by the Korea Polar Research Institute in 2017. Core sediments in BS17-GC15 consisted of subglacial diamicton, gravelly muddy sand, and bioturbated diatom-bearing mud from the bottom to the top sediments. Core sediments in BS17-GC04 comprised silty mud with turbidites, brownish structureless mud, laminated mud, and brownish silty bioturbated diatom-bearing mud from the bottom to the top sediments. The clay mineral assemblages in the two core sediments mainly consisted of smectite, chlorite, illite, and kaolinite. The clay mineral contents in core GC15 showed a variation in illite from 28.4 % to 44.5 % in down-core changes. Smectite contents varied from 31.1 % in the glacial period to 20 % in the deglacial period and 25.1 % in the interglacial period. Chlorite and kaolinite contents decreased from 40.5 % in the glacial period to 30.3 % in the interglacial period. The high contents of illite and chlorite indicated a terrigenous detritus supply from the bedrocks of the Antarctic Peninsula. Core GC04 from the continental rise showed a decrease in the average smectite content from 47.2 % in the glacial period to 20.6 % in the interglacial period, while the illite contents increased from the 21.3 % to 43.2 % from the glacial to the interglacial period. The high smectite contents in core GC04 during the glacial period may be supplied from Peter I Island, which has a known smectite-rich sediment contributed by Antarctic Circumpolar Currents. Conversely, the decrease in smectite and increase in chlorite and illite contents during the interglacial period was likely caused by a higher supply of chlorite- and illite-enriched sediment from the eastern Bellingshausen Sea shelf by the southwestward flowing contour current.



벨링스하우젠 해의 동쪽 대륙붕과 대륙대의 코어의 점토광물을 이용한 기원지 연구

박 영규1, 정 재우1, 이 기환1, 이 민경2, 김 성한2, 유 규철2, 이 재일2, 김 진욱1*
1연세대학교 지구시스템과학과
2한국해양과학기술원 부설 극지연구소 극지고환경연구부

초록


남극 벨링스하우젠 해(Bellingshausen Sea)의 동쪽 대륙붕과 대륙대에 위치한 중력코어(BS17-GC15, BS17-GC04)를 2017년 ANA07D 탐사 동안 획득하였다. 두 코어를 이용하여 벨링스하우젠 해의 해양 퇴적물 내 빙기-간빙기에 따른 점토광물의 분포와 성인을 조사하였다. 두 코어에 대해 퇴적상의 특성 을 기술하고, 입도 분석, X선 회절 분석을 실시하여 점토광물의 조성 변화를 관찰하였다. 퇴적학적 특 성에 따라 BS17-GC15 코어는 세 개의 퇴적상들로 구분되며 이들은 마지막 빙하기, 전이퇴적상, 간빙 기 시기의 퇴적작용에 의해 형성된 것으로 보인다. BS17-GC04 코어는 하부에 빙하기저부 기원의 저 탁류의 조합으로 퇴적되는 저탁류 퇴적층과 니질층이 관찰되고, 위쪽으로 올라갈수록 실트질 엽층이 나타나며 상부에서는 생물교란 흔적이 포함된 반원양성 니질층이 나타난다. 퇴적상이 변함에 따라 점 토광물의 함량비도 다르게 나타난다. BS17-GC15 코어는 시기에 따라 일라이트가 평균 28.4~44.5 % 로 가장 큰 변화를 보이고, 스멕타이트는 빙하기 때 평균 31.1 %에서 20 %로 감소하였다가 간빙기 때 25.1 %로 다시 증가하는 양상을 보였다. 녹니석과 카올리나이트의 합은 빙하기 때 평균 40.5 %에 서 간빙기 때 30.4 %로 감소하였다. 빙하기 동안 퇴적물이 남극 반도로부터 유입되기 때문에 높은 일 라이트와 녹니석 함량을 보인다. 반면, 대륙대에 위치한 BS17-GC04 코어는 빙하기 때 스멕타이트의 함량이 평균 47.2 %에서 상부로 갈수록 평균 20.6 %까지 감소하고 일라이트는 하부에서 평균 21.3 % 에서 43.2 %로 증가한다. 빙하기 동안의 높은 스멕타이트 함량은 근처의 스멕타이트가 풍부한 퇴적물 인 피터 1세 섬에서 퇴적물이 남극순환류에 의해 운반되었을 것으로 예상되고, 그 이후 간빙기에는 상대적으로 서쪽으로 흐르는 등수심 해류의 영향으로 동쪽의 벨링스하우젠 해의 대륙붕 퇴적물로부 터 일라이트와 클로라이트가 풍부한 퇴적물이 운반되었을 것이라 예상된다.



    Ministry of Oceans and Fisheries

    서 론

    남극의 빙붕(ice shelf), 빙상(ice sheet), 해빙(sea ice)의 변화는 최근 지구 온난화와 바다의 해수면 상승에 가장 크게 연관된 요소이다. 특히 남극 대 륙을 대부분 덮고 있는 빙상 중 서남극 빙상(West Antarctic Ice Sheet)은 해양성 빙상으로 대부분 해 수면 아래에 잠겨 있기 때문에 남극의 다른 빙상들 보다 더 안정성이 취약하다(Vaughan, 2008). 최근 남극반도 주변의 빙붕들의 감소가 두드러지게 관찰 되었는데(Rignot et al., 2013;Rignot et al., 2019), 실제로 융빙수의 생성 정도를 볼 때 서남극의 가장 큰 빙붕들인 로스 빙붕(Ross ice shelf), 론네 빙붕 (Ronne ice shelf), 필크너 빙붕(Filchner ice shelf) 들보다 서남극의 남동 태평양 구간인 남극반도와 벨링스하우젠 해, 아문센 해(Amundsen Sea)에 존 재하는 빙붕으로부터의 융빙수 생성이 훨씬 높은 비율로 관찰되었다(Rignot et al., 2013). 그 중 벨 링스하우젠 해는 대륙붕의 폭이 약 80 km인 평탄 한 지역으로 여러 섬들과 해저 골들로 이루어져 있 고, 서남극 빙상의 주된 빙하류(ice stream)의 배출 구로써 론만 입구(Ronne Entrance)와 엘타닌 만 (Eltanin Bay)으로부터 공급된 다량의 퇴적물이 벨 지카 해저 골(Belgica Trough)로 유입되어 대륙대 에 넓은 해저 선상지(trough mouth fan)가 형성되어 있다(Ó Cofaigh et al., 2005). 이 지역은 과거 기 후 변화에 따른 빙붕의 전진과 후퇴에 따라 대륙붕 의 퇴적환경에 영향을 받았고, 이에 따라 대륙붕에 서 발견되는 퇴적층들은 빙상 하부 환경(subglacial environment)에서 공해 환경(open marine environment) 으로 변하면서 서로 다른 퇴적상을 보인다 (Domack et al., 1999;Ha et al., 2018;Hillenbrand et al., 2009). 또한 대륙붕과 이어진 대륙대의 심해 저 환경에서는 남극의 해양빙하 환경(glacimarine environment)의 영향을 받아 빙하기-간빙기로 변하 면서 대륙붕과는 다른 퇴적상을 보인다(Lucchi et al., 2002).

    서남극 지역 빙붕의 급격한 후퇴는 벨링스하우젠 해의 빙붕에 덮여 있던 오래된 퇴적물을 대륙붕과 대륙대에 공급하였고, 최근 연구에서는 여러 지역 으로부터 공급된 퇴적물의 기원지를 파악하는 연구 가 진행되었다(Hillenbrand et al., 2003;Hillenbrand et al., 2009;Park et al., 2019;Pereira et al., 2018). 점토광물은 육상의 모암석으로부터 물리적 또는 화학적 풍화를 받아 형성되어 해양 환경에 공 급되기 때문에 함량과 성분 변화를 이용하여 기원 지 유추에 사용이 된다(Chamley, 1989;Petschick et al., 1996). 서남극 대륙 주변의 해저 퇴적물의 점토광물 조성은 지역적으로 퇴적물 기원지에서 우 세한 점토광물 함량의 영향을 받아 차이를 보인다 (Ehrmann et al., 2011;Hillenbrand and Ehrmann, 2001;Hillenbrand et al., 2003). 이를 이용하여 서 남극 해저 퇴적물의 이동경로와 공급지에 대해 추 적하는데 유용하게 사용된다(Ehrmann et al., 1992;Hillenbrand and Ehrmann, 2001;Hillenbrand et al., 2009). 또한 생성될 당시의 기후 조건에 따라 점토광물 형성이 영향을 받는데, 일라이트와 녹니 석의 경우 저온 건조한 환경에서 물리적 풍화로 주 로 생성되며 카올리나이트와 스멕타이트는 고온 다 습한 환경에서 화학적 풍화에 의해 주로 생성된다. 따라서 해양 퇴적물의 점토광물을 분석하는 것은 고환경과 고기후 변화를 해석하는데 유용하게 쓰 인다(Ehrmann et al., 2005;Ehrmann et al., 1992;Hillenbrand and Ehrmann, 2005).

    기존의 벨링스하우젠 해의 대륙붕에서 수행된 점 토광물을 이용한 기원지 분석에 대한 연구를 보면 론만 입구와 엘타닌 만에서 공급된 퇴적물들이 주 로 벨지카 해저 골을 따라 운반되면서 기원지에 따 라 서로 다른 점토광물의 함량비를 보이고, 빙하기 -간빙기로 변하면서 빙붕의 움직임으로 퇴적물 기 원지가 달라지는 것을 보여주었다(Hillenbrand et al., 2009;Park et al., 2019).

    이와 같이, 벨링스하우젠 해의 점토광물 연구는 벨링스하우젠 해 남쪽 부근의 벨지카 해저 골 대륙 붕 부근에 집중되었고, 벨링스하우젠 해 동쪽 대륙 붕과 대륙대 지역에 대한 점토광물 분석 연구는 많 지 않다. 그러므로 본 연구에서는 벨링스하우젠 해 의 동쪽 대륙붕과 대륙대에서 획득한 중력 코어를 이용하여 퇴적물의 점토광물 함량 변화를 통해 이 지역의 빙기-간빙기에 따른 빙붕의 성장과 후퇴에 의한 퇴적 환경 및 퇴적물 공급지의 변화를 복원해 보고자 한다.

    재료 및 방법

    본 연구에서 사용한 코어 시료는 2017년도에 극 지연구소 쇄빙선 아라온호를 이용해 수행된 ANA07D 서남극 탐사 동안 획득한 시료로 벨링스하우젠 해 의 대륙붕 동쪽에 위치한 중력 코어인 BS17-GC15 (70°51.6187´S, 79°41.9466´W, 수심 631 m, 길이 218 cm)와 대륙대에 위치한 중력코어 BS17-GC04 (68°17.2026´S, 82°58.8510´W, 수심 3,662 m, 길 이 771 cm)를 채취하였다(Fig. 1). 입도분석과 광물 분석을 위해 코어의 절개 면을 따라 퇴적상을 바탕 으로 BS17-GC15 코어는 10~15 cm 간격으로 17 개의 부시료를 채취하였고, BS17-GC04 코어는 30 개의 부시료를 채취하였다.

    퇴적물의 입도 분석은 연세대학교 지구시스템과 학과에서 보유중인 Malvern사의 Mastersizer에서 Laser를 사용하여 측정하였다. 입자 크기의 구분은 2 μm 이하는 점토, 2 μm에서 63 μm 사이는 실 트, 63 μm보다 큰 입자 크기는 모래 입자 크기로 구분하였다.

    X선 회절 분석(XRD)은 코어 별로 채취한 부시 료에서 진행하였다. 30 % 과산화수소수를 이용하 여 퇴적물 내의 유기물을 충분히 제거한 후, 원심분 리기를 이용하여 상층액을 제거한다. 그리고 증류 수로 워싱을 실시한 뒤 동결건조하여 유기물을 제 거한 분말 상태의 퇴적물 시료를 획득하였다. 전체 적인 코어의 광물 동정을 위해 입도 분리를 하지 않 은 시료를 부정방위법으로 X선 회절 분석을 실시 하였다. X선 회절 분석기는 연세대학교 지구시스 템과학과에서 보유하고 있는 Rigaku사의 Miniflex II를 이용하였으며 Cu-Kα radiation을 이용하여 분 석 조건은 30 kV, 15 mA에서 2 theta 구간 2~70 ° 범위를 주사 간격 0.02 °, 스캔 속도 1.5 °/min 조건 으로 측정하였다. 동시에 퇴적물 내 점토광물의 정 확한 동정을 위해 유기물을 제거한 분말 상태의 퇴 적물 시료를 증류수로 채운 후, Stoke’s law를 이 용하여 원심분리기를 이용해 2 μm 이하의 입자만 포함된 현탁액을 추출하였다. 이 현탁액을 진공펌 프에 연결된 유리 깔대기에 넣고 필터에 침전시켜 서 점토광물의 정방위 시료를 획득하였다. 정방위 시료는 유리슬라이드 위에 도포하여 공기 중에서 건 조한 뒤 X선 분석을 실시하였다. 공기 중 건조 시료 (air dried)는 2 theta 구간 2~70 ° 범위를 측정하 고, 건조된 슬라이드를 24시간 동안 에틸렌글리콜 (ethylene glycol)로 포화시킨 시료(ethylene glycolated) 는 2 theta 구간 2~30 ° 범위를 측정하여 그 결과를 비교하였다. 점토광물의 반정량 분석은 공 기 중 건조 시료와 에틸렌글리콜 처리 시료의 X선 회절 분석 결과를 비교하여 결정하였다. 에틸렌글 리콜 처리 시료의 XRD에서 스멕타이트는 17의 피 크, 일라이트는 10의 피크, 녹니석 + 카올리나이트 는 7의 피크에 대해 확인하고 면적을 구했다. 피크 의 면적은 피크의 양 끝 지점을 설정하여 바탕선 (base line)을 그려서 면적을 계산하였다. 피크 면적 에 각 광물의 (001) 피크 강도차를 보정하기 위해 일라이트에 4 녹니석과 카올리나이트 합의 면적에 2의 일정한 가중치(weighting factor)를 곱하였다 (Biscaye, 1965). 녹니석과 카올리나이트의 상대적 인 함량은 XRD 결과에서 카올리나이트의 3.58 피 크와 녹니석의 3.54 피크의 회절 강도 비를 이용하 여 결정하였다.

    결 과

    코어 BS17-GC04와 BS17-GC15에서 분석한 각 각의 점토 광물의 함량을 스멕타이트/(녹니석 + 일 라이트)로 계산한 값과 평균 입도 크기를 코어의 이미지와 함께 도시했다(Fig. 2). GC15의 경우 하 부의 퇴적상 B에 자갈과 함께 어두운 회색의 사질 역질층이 나타난다. 상부로 갈수록 전이퇴적상 (IG-transition)인 54 cm부터 점점 갈색의 니질 모 래층 퇴적물이 섞여서 관찰되고 퇴적상 A인 33 cm부터 갈색 퇴적물이 나타나면서 평균 입도 크기 가 모래에서 실트 크기로 줄어든다. 그와 함께 퇴 적상 A에서는 생교란 흔적과 실트질 규조토가 나 타난다. GC04에서는 코어 퇴적물의 평균 입도 크 기가 대부분 실트 크기로 구성되어 있으며 퇴적상 G1, G3인 522 cm에서 625, 653 cm에서 771 cm 까지 회색의 실트질 이토층에 터비다이트 구조가 우세하게 나타난다. 상부로 가면서 퇴적상 F에서 500 cm 부근에 갈색의 실트질 이토층이 보이고 그 와 함께 487 cm에서 522 cm에 테프라(tephra)층 이 나타난다. 그리고 퇴적상 D에서 녹회색의 실트 질 엽리층이 우세하게 나타나고 최상부인 퇴적상 C에서는 생교란 흔적과 함께 갈색, 회색의 이토층 이 우세하게 나타난다.

    두 중력 코어의 깊이에 따른 입도 분석 결과를 자세히 관찰하기 위해 모래, 실트, 점토 크기를 기 준으로 삼각 도표를 도시하였다(Fig. 3). 대륙붕에 위치한 GC15 코어는 퇴적상 B에서 모래는 평균 28.4 %, 실트는 47 %, 점토는 24.6 %이다. 상부로 가면서 갈색 퇴적물이 나타나기 시작하는 전이퇴적 상층에서는 모래가 평균 43.8 %, 실트는 42.4 % 점 토는 13.8 %로 모래 함량이 증가한다. 그리고 최 상부의 갈색 실트질 규조토인 퇴적상 A는 모래가 평균 3.3 %, 실트가 77.9 %, 점토가 18.8 %를 보 인다. 대륙대에 위치한 GC04 코어는 하부의 퇴적 상 G1, G3인 회색 이토로 구성된 터비다이트 층에 서는 점토가 평균 35.3 %, 실트가 64.7 %이고, 퇴 적상 G2는 점토가 평균 33.7 %, 실트가 66.3 %이 다. 갈색의 테프라가 포함된 퇴적상 F인 실트질 이 토 층에서는 모래가 평균 3.5 %, 점토가 23.1 %, 실트가 73.4 %의 함량을 보인다. 퇴적상 D인 녹회 색 실트질 엽리층에서는 모래가 평균 2.2 %, 점토 가 36 %, 실트가 61.8 %의 함량이며 퇴적상 C의 갈색의 이토층에서는 평균적으로 모래가 0.7 %, 점토가 30.2 %, 실트가 69.1 %로 나타난다. GC04 코어의 경우 대륙대에 위치한 코어이기 때문에 퇴 적상이 다르지만 입도는 대부분 실트질로 구성되 어 있다.

    X선 회절 분석 결과 깊이에 따른 전반적인 광물 종류는 두 중력 코어 대부분 석영, 장석류의 조장 석, 점토광물인 스멕타이트, 일라이트, 카올리나이 트, 녹니석 위주로 나타났다(Fig. 4). 깊이에 따라 피크 강도는 미미한 차이를 보였지만, 구성 광물종 은 유사하게 나타났다. 또한 두 중력 코어의 점토 광물의 정확한 동정을 위해 2 이하의 점토를 분리 하여 공기 중 건조 시료와 에틸렌글리콜 처리 시료 를 X선 회절 분석한 결과 스멕타이트, 녹니석, 일 라이트 카올리나이트가 우세하게 존재하는 것을 확 인하였다(Fig. 5).

    점토를 분리한 X선 회절 분석 결과에서 깊이에 따라 점토광물들의 피크의 강도가 다르기 때문에 반정량 분석 결과를 스멕타이트, 일라이트, 녹니석 + 카올리나이트의 비율로 삼각 도표에 나타냈다 (Fig. 6). 대륙붕에 위치한 GC15 코어 퇴적상 B구 간에서는 스멕타이트가 평균 31.1 %, 일라이트가 28.4 %, 녹니석이 22.3 % 카올리나이트가 18.2 % 의 함량을 보이고 전이퇴적상층에서는 스멕타이트 가 20 %, 일라이트가 38 %, 녹니석이 21 %, 카올 리나이트가 21 %의 평균적인 함량을 보인다. 가장 위쪽의 갈색 실트질 규조토가 포함된 퇴적상 A에 서는 평균 스멕타이트가 25.1 %, 일라이트가 44.5 %, 녹니석이 17.6 %, 카올리나이트가 12.8 %의 함 량을 나타내는데, 상부로 갈수록 일라이트의 함량 이 증가하고 스멕타이트가 비교적 감소한다. 스멕 타이트/(녹니석 + 일라이트)의 비율은 상부로 갈수 록 감소하는 경향을 보인다(Fig. 2). 벨링스하우젠 해 동쪽 대륙대에 위치한 GC04 코어는 퇴적상 G1, G3에서는 스멕타이트가 평균 47.2 %, 일라이트가 21.3 %, 녹니석이 16 %, 카올리나이트가 15.5 %의 함량을 보이고, 퇴적상 G2에서는 스멕타이트가 19.3 %, 일라이트가 37 %, 녹니석이 29.1 %, 카올리나이 트가 14.5 %의 평균 함량으로 스멕타이트가 감소 한다. 테프라가 포함된 퇴적상 F의 실트질 이토층 에서는 스멕타이트가 54.4 %, 일라이트가 20.1 %, 녹니석이 12.2 %, 카올리나이트가 13.3 %로 다시 스멕타이트가 증가하고 녹니석 일라이트의 비율이 감소한다. 퇴적상 E에서는 평균 스멕타이트가 18.5 %, 일라이트가 41 %, 녹니석이 26 %, 카올리나이트 가 14.5 %이고, 상부의 퇴적상 D에서는 스멕타이 트가 24.7 %, 일라이트가 38.5 %, 녹니석이 20.6 %, 카올리나이트가 16.2 %의 평균적인 함량을 보이고 최상부 퇴적상 C에서는 스멕타이트가 20.6 %, 일 라이트가 43.2 %, 녹니석이 22 %, 카올리나이트가 14.2 %로 일라이트의 함량이 가장 우세하게 나타 난다. 카올리나이트는 코어에서 전반적으로 거의 일 정한 함량 변화를 보인다. 스멕타이트/(녹니석 + 일 라이트)의 비율은 퇴적상 G3, G1의 터비다이트 구 조가 관찰되는 층에서 높은 값을 보이다가 G2를 포 함한 나머지 부분에서 감소한다(Fig. 2).

    토 의

    퇴적 환경에 따른 퇴적상 및 입도 분포의 변화

    코어 BS17-GC15는 벨링스하우젠 해 동쪽 대륙 붕에서 채취하였다(Fig. 1). 코어를 채취한 벨링스 하우젠 해의 대륙붕에서 퇴적환경의 변화를 일으 키는 가장 중요한 요인은 서남극 빙붕의 기후 변화 에 따른 전진과 후퇴이다. 서남극 빙붕은 빙하기 동안 빙상으로써 대륙붕과 대륙사면의 경계부근까 지 전진했으며, 이에 따라 빙상의 기저부에 퇴적되 어 있던 과거 퇴적물들이 침식되어 운반 및 재퇴적 과정을 거친다. 퇴적상 B에서는 회색의 사질 역질 층이 관찰되고 입도 분석 결과, 평균 입도 크기가 15 μm 이상으로 높게 나타나고 입도 크기의 삼각 도표에서도 모래(13~57.5 %), 실트(28.4~61.1 %) 의 넓은 분포를 보인다[Figs. 2, 3(A)]. 일반적으로 역질층은 빙상으로부터 공급된 육성기원 퇴적물들 이 주를 이루고 점토부터 자갈 크기의 입자가 뒤섞 여서 분급이 매우 불량하게 나타난다(Domack et al., 1999;Ha et al., 2018). 이러한 퇴적상의 특징 은 남극의 다른 대륙붕에서 빙하기 시기에 나타나 는 일반적인 특징과 일치하기 때문에(Domack et al., 1999;Hillenbrand et al., 2010;Licht et al., 1999), 퇴적상 B는 빙하기에 빙상 밑에서 퇴적된 빙 력토(till)로 해석된다.

    기후가 온난해지는 빙하기에서 간빙기로 변하는 시기 동안 빙상이 후퇴하면서 대륙붕에 빙붕이 형 성되며 그라운딩 라인(grounding line)을 기준으로 전이퇴적상에는 다양한 퇴적환경의 변화가 일어난 다. 빙하-해양 환경에서 퇴적상은 빙력토를 포함한 빙붕에 의한 암설류(debris flow), 저탁류(turbidity current)에 의한 퇴적작용이 우세하게 일어난다 (Anderson, 1999;Ha et al., 2018). 코어의 전이퇴 적상을 보면 역질이 나타나는 퇴적상 B 바로 위에 갈색의 니질 모래층이 있으며 평균 입도크기가 10 μm로 감소하고 입도 분포도에서는 넓은 범위를 나 타내고 있다[Figs. 2, 3(A)]. 그라운딩 라인 근처에 서 퇴적된 전이퇴적상의 경우, 육성기원 퇴적물이 비교적 우세하며 생교란 흔적은 일반적으로 매우 적게 나타나고 분급이 나빠 고르지 않은 입도 분포 를 보이며, 니질의 자갈, 모래층이 역질층 바로 위 에 퇴적된다(Domack et al., 1999;Hillenbrand et al., 2010). 기온이 계속 상승하면서 빙붕은 지속적 으로 후퇴하고 그라운딩 라인으로부터 멀어지면서 대륙붕은 계절적인 또는 다년의 해빙의 빙하-해양 환경으로 변하고 전이퇴적상에는 니질의 자갈, 모 래층 위에 실트질 점토층이 퇴적될 수 있다(Domack et al., 1999). 이러한 특징은 본 코어의 전이퇴적상 에서도 관찰된다(Fig. 2). 상부로 가면서 퇴적상 A 에는 갈색의 생교란 흔적이 보이는 실트질 규조토 가 관찰되고 가장 작은 평균 입도 크기를 보이며 입 도 크기의 삼각 도표 상에서도 실트가 77.1~81 % 로 높은 비율을 나타낸다[Figs. 2, 3(A)]. 간빙기 동 안 대륙붕에서는 빙붕이 후퇴하면서 그라운딩 라인 으로부터 멀어지고 계절적인 해빙이 나타나는 공 해 환경이 되면서 반원양성, 원양성 퇴적물의 공급 이 증가하고, 그에 따라 대륙붕에 갈색의 실트질 퇴적물이 증가한다(Barker et al., 1999). 또한 온난 한 간빙기 동안에는 표층해수의 일차생산성의 증 가로 인해 생물기원의 입자들이 급격하게 증가하 는데(Grobe and Mackensen, 1992), 이를 통해 퇴 적상 A의 생교란 흔적이 보이는 규조토는 간빙기 에 공해 환경에서 퇴적된 것으로 보인다.

    BS17-GC04 코어는 서남극 대륙대에 위치해 있 기 때문에 대륙붕의 퇴적학적 특성과는 차이가 보 인다. 실제로 코어의 퇴적상 G 구간을 보면 회색의 니질층의 G2와 저탁류에 의한 퇴적층이 G1과 G3 에 나타난다. 코어의 퇴적상 G구간의 평균 입도 크 기는 실트 크기를 보이며 대부분 점토와 실트로 구 성된 세집질 퇴적물로 나타난다[Fig. 3(B)]. 대륙대 퇴적물의 기원은 주로 표층수에서의 생물 생산성 이나 대륙주변부로부터 공급된다. 특히 육상기원 입자의 공급은 빙상의 전진과 후퇴 및 해류에 의해 조절된다. 벨링스하우젠 해의 빙하기에는 빙상이 대 륙붕단까지 진출하기 때문에 쇄설성 입자를 포함 하는 저탁류가 빙상 밑의 해저골이나 대륙사면을 가로질러 대륙대에 육상기원 입자를 유입시킨다. 이러한 환경에서 나타날 수 있는 특징적인 퇴적상 으로는 저탁류에 의한 퇴적층, 실트질 엽리층, 빙 하기 니질층이 퇴적될 수 있다(Lucchi et al., 2002;Yoo et al., 2008). 이를 통해 퇴적상 G1과 G3가 퇴적 당시 대륙붕단 근처까지 전진된 육상빙하 기 저부에서 융빙수에 의한 세립질 입자로 구성된 탁 류(turbid plume)에 의해 형성된 것으로 해석되고 빙하기 니질층인 G2는 해빙의 확장으로인한 해양 의 일차생산성의 감소로 생교란 흔적이 보이지 않 는 것으로 해석된다(Lucchi et al., 2002)(Fig. 2).

    후빙기로 가면서 온난한 기후에 의해 빙하가 후 퇴하고 해빙이 감소하는데, 이 구간에서는 생물 생 산성이 점차 증가하고 유빙운반에 의한 소량의 조 립질 입자가 나타나기 시작한다. 퇴적상 G1의 상부 에 이어 F에서는 퇴적물이 회색에서 갈색으로 변 하는 것을 관찰할 수 있고, 퇴적상 F에서는 갈색의 사질 실트층과 함께 테프라가 특징적으로 나타난 다. 이는 빙하기의 육상기원 퇴적물에서 점차 반원 양성, 원양성 갈색의 니질 퇴적물이 증가하는 것으 로 해석된다(Barker et al., 1999;Lucchi et al., 2002). 또한 테프라를 통해 주변의 화산섬으로부터 GC04 코어 근처로 화산 기원 퇴적물이 공급된 것 으로 해석된다. 퇴적상 E에서는 대부분 이토층으 로 갈색에서 다시 회색으로 변하고 생교란 흔적을 관찰할 수 있으며 입도 분포에서는 대부분 실트질 로 이루어져 있지만, 모래 함량이 13 %까지 나타난 다[Figs. 2, 3(B)]. 이는 해빙 감소에 의한 후빙기 동안의 퇴적환경의 변화에 따른 일차생산성 증가 와 유빙 운반에 의한 조립질 입자가 공급된 결과로 해석된다(Lucchi et al., 2002). 퇴적상 D에서는 생 교란 흔적이 없는 회색의 실트질 엽층과 하부에 비 해 불량한 분급(모래 함량: 0~20 %)의 특징을 보이 는데, 이는 대륙대 퇴적물에서 등수심 해류(contour current)에 의해 퇴적된 등수심 퇴적층(contourite)에 서 나타나는 특징과 유사하다(Lucchi and Rebesco, 2007;Stow, 1982;Yoo et al., 2008). 퇴적상 C인 최상층에서는 실트질 엽층이 희미해지고 생교란 흔적의 증가와 갈색의 점토와 실트의 생물기원 규 조토의 입자가 우세하게 나타난다[Figs. 2, 3(b)]. 대륙대에서 후빙기를 지나 완전한 간빙기 상태로 써 반원양성, 원양성 퇴적물의 공급이 증가하고 해 빙이 감소하면서 표층 생산성이 증가하고 생물기 원(규조토)의 입자들이 증가하여 나타나는 특징으 로 해석된다(Lucchi et al., 2002).

    퇴적 환경에 따른 점토광물 기원지 변화

    BS17-GC15, BS17-GC04 코어의 깊이별 X선 회 절 분석 결과, 광물조성에서의 명백한 변화는 관찰 되지 않는다(Fig. 4). 전체적으로 석영, 조장석 등의 화산활동 기원 초생광물 위주로 나타났고, 스멕타이 트, 일라이트, 녹니석, 카올리나이트의 경우 깊이에 따라 함량의 변화를 보였다(Fig. 5). 또한 코어의 주 변부로부터 빙하기-간빙기에 따른 점토광물 기원 지의 변화를 알아보기 위해 주변 코어들의 점토광 물 함량비를 함께 도시하였다(Fig. 6). BS17-GC15 코어 빙하기의 점토광물 함량이 벨링스하우젠 해 의 론만 입구에 위치한 GC360 코어 빙하기의 점 토광물 함량과 유사하게 나타난다(Hillenbrand et al., 2009). 빙하기의 벨링스하우젠 해 대륙붕은 점 토광물 함량이 다른 퇴적물이 융빙수나 저탁류에 의해 운반되기 때문에 빙붕의 변화를 파악할 수 있 다(Hillenbrand et al., 2009). 일반적으로 현재 빙 붕이 후퇴한 벨링스하우젠 해 대륙붕에는 일라이 트와 녹니석은 주로 빙상 아래에서 남극반도의 토 양들이 침식되어 육성기원 퇴적물들이 암설류나 쇄 설류 형태로 공급되고, 스멕타이트는 주로 동쪽의 베토벤반도(Beethoven Peninsula)에서 공급되고, 일 라이트는 서쪽의 엘타닌만으로부터 주로 공급된다 (Hillenbrand et al., 2003;Hillenbrand et al., 2009). 빙하기동안 대륙붕에는 일라이트와 녹니석이 빙상 아래에서 남극반도로부터 풍부하게 공급되었고, 베 토벤반도로부터 스멕타이트의 공급은 빙상의 발달 로 인해 제한되었는데, 이는 Fig. 6(B)의 GC359의 함량으로부터 알 수 있다(Hillenbrand et al., 2009). 하지만 Fig. 6(A)에서 론만 입구에 위치한 GC360 이나 BS17-GC15 코어를 보면 주변에 비해 비교적 높은 스멕타이트의 함량이 빙하기 시기에 나타나 는데, 이는 올리고세 이전에 남극 대륙주변부에 퇴 적되었던 퇴적층에서 빙상의 발달로 인한 침식 및 재퇴적 현상으로 스멕타이트가 풍부한 올리고세 이 전 퇴적물이 공급된 것으로 해석된다(Hillenbrand et al., 2009;Park et al., 2019). 이후에 빙상이 후 퇴하면서 전이퇴적상구간에서는 올리고세 이전 퇴 적층에 대한 재퇴적 작용이 일어나지 않으면서 GC15의 스멕타이트의 함량이 감소하는 것으로 해 석된다(Hillenbrand et al., 2009). 간빙기에는 다시 스멕타이트의 함량이 증가하는데, 공해환경이 되면 서 기존의 스멕타이트가 풍부하다고 알려진 베토벤 반도로부터 공급되는 세립질 쇄설류와 조류나 풍성 류에 의해 공급되는 대륙 해안근처의 퇴적물들이 혼합되어 나타난 것으로 해석된다(Hillenbrand et al., 2009;Park et al., 2019).

    코어 BS17-GC04에서는 벨링스하우젠 해 대륙 대에 위치한 코어로, 빙하기의 퇴적상 G1, G3 구간 에서는 대륙붕에서 공급되는 점토광물의 함량에 비 해 높은 스멕타이트의 함량을 보인다[Fig. 6(B)]. 이 시기의 점토광물 함량은 테프라가 관찰되는 퇴 적상 F의 점토광물 함량과 유사하게 나타나는데, 이는 벨링스하우젠 해의 대륙붕에서 공급되는 퇴 적물과 함께 근처의 화산섬으로부터 퇴적물이 공 급된 것으로 생각된다. 코어 근처에 위치한 피터 1 세 섬(Peter I Island)은 신생대 시기의 화산암이나 화산쇄설암으로부터 형성된 풍부한 스멕타이트의 퇴적물(> 81 %)로 이루어져 있다(Hillenbrand et al., 2003). 또한 이 지역은 남극대륙을 중심으로 시계 방향으로 순환하며 대륙대 위로 흐르는 남극순환 류(Antarctic Circumpolar Current)의 영향을 받는 지역이기 때문에(Hernández-Molina et al., 2006;Hillenbrand et al., 2003), 피터 1세 섬으로부터 스 멕타이트가 풍부한 퇴적물이 충분히 공급될 수 있 다. 반면에, 후빙기로 갈수록 일라이트와 녹니석의 함량이 증가한다[Fig. 6(B)]. 일라이트와 녹니석의 기원지는 대부분 남극반도이며, 일라이트는 서쪽 벨 링스하우젠해의 엘타닌만에서 주로 공급되고, 녹니 석은 남극반도 동쪽의 그레이엄랜드(Graham Land) 로부터 공급될 수 있다(Hillenbrand and Ehrmann, 2001;Hillenbrand et al., 2003). 퇴적상 D, E로 갈 수록 높은 일라이트와 녹니석의 비율을 보이는데, 이는 남서 방향으로 흐르는 등수심 해류에 의한 분 산 기작의 결과로 빙상이 점차 후퇴함에 따라 남극 반도의 녹니석과 일라이트가 풍부한 퇴적물이 등수 심 해류에 의해 코어지점까지 공급된 것으로 해석 된다(Hillenbrand et al., 2003;Yoo et al., 2008). 특히 퇴적상 D에서는 등수심 퇴적층의 특징인 회 색의 실트질 엽층을 관찰 할 수 있었다(Fig. 2). 퇴 적상 C인 간빙기에서는 이제 빙붕이 완전히 후퇴 하여 현재와 비슷한 퇴적환경이 만들어짐에 따라 대륙대에 론만 입구와 엘타닌 만의 퇴적물이 표층 해류와 빙산에 의해 혼합되어 공급된 것으로 해석 된다(Hillenbrand et al., 2003;Hillenbrand et al., 2009). 카올리나이트의 경우, 아문젠 해 서쪽 마리 버드랜드(Marie Byrd Land)에서 높은 함량을 보인 다고 보고되었다(Hillenbrand et al., 2003). 두 코 어는 아문젠 해에서 떨어진 곳에 위치해있기 때문 에 카올리나이트의 공급이 비교적 제한된다. 그래 서 깊이에 따라 빙하기-간빙기로 변하면서 카올리 나이트의 변화는 크지 않았다.

    결 론

    벨링스하우젠 해 동쪽 대륙붕과 대륙대에서 획득 한 BS17-GC15와 BS17-GC04 코어의 퇴적상, 입 도 분석, 점토광물의 함량을 통해 빙하기와 간빙기 의 퇴적환경과 퇴적물의 공급지 변화에 대해 알아 보았다. 벨링스하우젠 해의 대륙붕의 역질층이나 대륙대의 저탁류 퇴적층과 빙하기 니질층이 나타나 는 구간에서는 빙하기의 빙상의 발달로 저탁류나 융빙수에 의한 퇴적물 공급으로 분급이 나쁜 퇴적 물이 나타난다. 하지만, 후빙기와 간빙기로 갈수록, 빙상이 후퇴하면서 해빙의 감소로 인한 일차 생산 성의 증가로 생교란 흔적이 보이는 실트질 규조토 와 반원양성, 원양성의 갈색 퇴적물이 증가하고, 세 립질 퇴적물이 증가한다.

    퇴적상이 변하면서 빙하기-간빙기에 따른 점토 광물 함량비도 변한다. 벨링스하우젠 해의 대륙붕 에서는 빙하기에 기본적으로 남극반도에서 공급된 일라이트와 녹니석의 함량이 높지만, 벨링스하우젠 해의 다른 지역에 비해 론만 입구에서 높은 스멕타 이트 함량을 보이는데 이는 올리고세 이전의 퇴적 물이 빙상에 의한 침식 및 재퇴적 작용으로 스멕타 이트가 풍부한 퇴적물이 공급되었음을 지시한다. 대륙대에서는 빙하기에 빙상의 전진에 의한 대륙 붕에서 공급되는 저탁류 퇴적층에서 상대적으로 스 멕타이트 함량이 증가한다. 이는 테프라 층으로 알 수 있는 화산섬인 피터 1세 섬에서 공급된 남극순 환류에 의해 높은 스멕타이트 함량을 가진 퇴적물 이 운반되어 혼합된 것으로 해석된다. 반면에 간빙 기에는 빙붕이 후퇴함에 따라 벨링스하우젠 해의 대륙붕에서는 일라이트의 함량이 증가하고, 스멕타 이트의 경우 동쪽의 베토벤반도로부터 쇄설류에 의한 공급으로 소량 증가한다. 대륙대에서는 녹니 석과 일라이트의 함량이 증가하는데 남서방향으로 흐르는 등수심 해류에 의해 벨링스하우젠 해의 동 쪽의 그레이엄랜드로부터 공급되었을 것으로 해석 된다.

    사 사

    이 논문은 2019 년도 해양수산부 재원으로 극지연구 소의 지원[과제명: 서남극 빙붕 변화 관측 시스템 구축 및 제 4기 해빙사(deglaciation history) 복원기술 개발]을 받 아 수행되었다.

    Figure

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    Location of core BS17-GC15 and BS17-GC04 on the shelf and rise of the Bellingshausen Sea, Antarctica. Dotted arrow indicate Antarctic Circumpolar Current and arrow indicate surface water circulation (Hillenbrand et al., 2003).

    JMSK-32-3-173_F2.gif

    Core image and downcore variation of smectite/( chlorite + illite) ratio and mean grain size (μm) with lithostratigraphic unit of core BS17-GC15 and BS17-GC04.

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    Ternary diagram of the sand, silt, clay of core (A) BS17-GC15 and (B) BS17-GC04.

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    X-ray diffraction (XRD) patterns of bulk mineralogy in sediment core from BS17-GC15 and BS17-GC04 at whole depth (S: smectite, Ch: chlorite, I: illite, K: kaolinite, A: albite, Q: quartz).

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    X-ray diffraction (XRD) patterns of airdry clay (< 2 μm) in sediment core from BS17-GC15 and BS17-GC04 at whole depth (S: smectite, Ch: chlorite, I: illite, K: kaolinite, Py: pyrophylite, A: albite, Q: quartz).

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    Ternary diagram showing the major clay mineral groups, smectite, illite and chlorite + kaolinite ratio of all samples taken from in cores (A) BS17- GC15 and (B) BS17-GC04. Cross point and X point are the average clay mineral composition of surface sediment sample from Ronne Entrance and Eltanin bay (Hillenbrand et al., 2009). Square show the average clay mineral composition of GC359 and GC360 from Hillenbrand et al. (2009).

    Table

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