IEG 환경지질연구정보센터

‡Corresponding author: +82-51-629-6555, E-mail: [email protected]

여수만 가스함유 퇴적물의 물성 및 음향 특성

김대철¹․이광수^1,‡․배성호¹․김길영²․서영교³․최동림⁴․ Günay Cifci⁵․Seda Okay⁵․Savas Gürcay⁵

1부경대학교 에너지자원공학과

2한국지질자원연구원 석유해저연구본부

3지마텍(주)

4한국해양연구원 남해연구소

5도쿠즈 에이륄 대학교 해양과학기술연구소

요 약

한국 남해 여수만에 존재하는 가스 함유 퇴적물의 물리적 및 음향학적 특성을 파악하기 위해 고해상도 탄성 파 단면과 퇴적물 코어 분석을 수행하였다. 천부 가스에 의해 나타나는 음향이상은 만내에서 넓게 분포하며, 2 개의 종류로 구분 되었다. Type I은 매우 강하고 얕은 상부 반사면이 해저면에 평행한 형태로 놓여 있으며, 내부 층서를 차폐하거나 혼탁하게 한다. Type II는 해저면을 따라 발달한 뚜렷한 상부 반사면을 가진다. 가스 함유층 을 관통한 퇴적물 코어의 물성과 조직은 퇴적물 내 가스 버블이 존재함에도 불구하고 수직적으로 큰 변화를 보 이지 않는다. 그러나 평균 1497 m/s를 보이는 음파전달속도는 가스 함유 구간에서 1348~1404 m/s로 감소 하였 다. 퇴적물 코어에서 분석된 유기물의 C/N비(8.3~12.0)는 연구지역이 해양성과 육성 기원의 유기물이 혼재되 어 있음을 나타낸다.

주요어: 여수만, 가스 함유 퇴적물, 물성, 음향 특성, 천부가스

Dae Choul Kim, Gwang Soo Lee, Sung Ho Bae, Gil Young Kim, Young Kyo Seo, Dong Lim Choi, Günay Cifci, Seda Okay and Savas Gürcay, 2012, The physical and acoustic property of gas-bearing sediments of Yeosu Bay, the South Sea of Korea. Journal of the Geological Society of Korea. v. 48, no. 1, p. 79-91

ABSTRACT: Analysis of high-resolution seismic profiles and sediment core was conducted to investigate the

Key words: Yeosu Bay, gas-bearing sediment, physical property, acoustic characteristic, shallow gas

(Dae Choul Kim, Gwang Soo Lee and Sung Ho Bae, Department of Energy Resources Engineering, Pukyong

National University, Busan 608-737, Korea; Gil Young Kim, Petroleum and Marine Resources Division, Korea

Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 305-350, Korea; Young Kyo Seo, Gematek Corporation,

Busan 608-020, Korea; Dong Lim Choi, South Sea Institute, Korea Ocean Research and Development Institute,

Geoje 656-830, Korea; Günay Cifci, Seda Okay and Savas Gürcay, Institute of Marine Sciences and Technology,

Dokuz Eylül University, Izmir, Turkey)

1. 서 론

퇴적물 내의 천부가스는 전 세계적으로 많은 지 역에서 관측 및 연구되고 있으며, 해양에 존재하는 천부가스에 대한 관심 또한 증가하고 있다(Floodgate and Judd, 1992; Fleischer et al., 2001; Garcia-Gil et al., 2002). 천해 퇴적물 내 존재하는 메탄가스는 주로 박테리아의 유기물질 분해와 생화학 작용에 의 해 생성되며(Floodgate and Judd, 1992), 해양 생산 성이 높거나 인근 강으로부터 유기물의 유입이 높고 해류 순환이 원활하지 않은 환경에서 주로 나타난다 (Judd and Hovland, 1992; Garcia-Gil et al., 2002;

Lee et al., 2005, 2009; Kim et al., 2008). 퇴적물 내의 메탄가스는 퇴적물의 물성을 크게 변화 시켜 퇴적물 의 강도와 음파 속도를 감소시키고 음파 에너지의 감쇠와 산란을 증가시켜(Anderson and Hampton, 1980a, b; Wheeler, 1990; Briggs and Richardson, 1996; Wilkens and Richardson, 1998; Gorgas et al., 2003), 음파를 이용한 해양 지질 연구와 군사목적 의 탐사 활동에 영향을 끼친다(Missiaen et al., 2002).

특히, 해상교량 건설, 송유관 설치, 해저케이블 공사 등과 같은 해양구조물 건설과 해저자원 탐사 및 석 유시추 등에 막대한 장애요인이 되고 있다(Hagen and Vogt, 1999; Fleischer et al., 2001; Missiaen et al., 2002).

최근 미국과 유럽연합국의 연구 결과는 해저면의 천부가스가 지구 온난화와 같은 전 지구적 환경변화에 영향을 주는 요인이 될 수 있음을 지적하였고(Hovland et al., 1993; van Weering et al., 1997; Kvenvolden, 2002), 실제로 천부가스의 주성분인 메탄의 온실효 과는 화석연료의 사용결과 발생하는 같은 양의 이산 화탄소의 10배 이상에 해당 하는 것으로 알려져 있 다(Fleischer et al., 2001). 따라서 천부가스에 대한 관심은 공학적인 측면뿐만 아니라 전 지구적 환경변 화와 관련된 측면에서도 의미가 크기 때문에 우리나 라 인근 해역의 천부가스의 분포 및 특성에 대한 면 밀한 연구의 필요성이 대두된다.

우리나라의 경우 해저 천부가스층의 존재가 보고 된 곳은 동남해역(Park et al., 1999; Kim et al., 2004;

Lee et al., 2005)과 진해만(Lee, 1992; Kim et al., 2008; Lee et al., 2009), 남해 연안역 일부지역(Park et al., 1996) 그리고 광양만과 여수만 일대(오진용 외,

2000; Choi et al., 1997) 등이 있다. 이 중 진해만과 여수만은 좁은 만내에서 천부가스가 광범위하게 분 포하고 있다는 점에서 공통점이 있다. Lee (1992)는 진해만의 현생퇴적물 내에서 천부가스와 관련된 음 향이상(acoustic anomalies)의 존재를 확인하였고, Kim et al. (2008) 는 진해만에서 퇴적구조 및 환경에 따라 천부가스에 의해 나타나는 음향이상의 형태가 다름을 밝혔다. Lee et al. (2009)은 진해만 가스 함유 퇴적물의 물리적 성질과 음향학적 특성 등을 연구하 였다. 퇴적층서 및 음향상 분류와 같은 지구물리탐 사 자료를 이용한 이전 연구(오진용 외, 2000; Choi et al., 1997)들은 여수만에 천부가스가 존재함을 밝 히고 있지만, 그 분포나 특성에 관한 자세한 연구는 시도 된 바가 없다.

따라서 본 연구에서는 여수만에서 획득한 고해상 도 탄성파 탐사자료와 주상 시료의 분석을 통해 여 수만에 분포하는 가스함유 퇴적물의 물리적 및 음향 학적 특성을 규명하고자 한다. 또한 퇴적물 내 천부 가스에 의해 나타나는 탄성파 단면도 상의 음향이상 은 그 형태와 특성이 지역의 퇴적상과 퇴적환경에 의해 다르게 나타나기 때문에(Garcia-Gil et al., 2002;

Kim et al., 2008), 여수만과 진해만(Kim et al., 2008;

Lee et al., 2009)에서 나타나는 천부가스의 특성을 비교하고 만내의 니질 퇴적체에 발달하는 천부가스 의 생성원인과 분포 형태를 살펴보고자 한다.

2. 연구지역

연구지역인 여수만은 한반도 남해 연안의 중앙부 에 위치하며, 동쪽의 남해도와 서쪽의 여수반도에 의해 둘러싸여 북쪽으로 광양만과 연결되고 남쪽으 로 남해로 이어지는 반 폐쇄성 만이다(그림 1). 여수 만 내의 수로는 남해도 서쪽 해역에서 대체로 남북 방향으로 위치하고 있다. 여수내만 대부분은 니질 퇴적물이 두껍게 발달해 있으며, 이러한 니질 퇴적 체는 여수만 남쪽 70 m 깊이의 대륙붕까지 이어진 다(오진용 외, 2000; Yoo and Park, 2000). 수심 100 m 이상의 외대륙붕에는 잔류퇴적물(relict sediment) 이 발달한다(Yoo and Park, 2000).

북쪽에서는 섬진강을 통해 연간 약 7.2×10⁸ 톤의 담수와 80만 톤의 부유 퇴적물이 유입되고 이러한 퇴적물은 광양만을 거쳐 여수만을 통해 외해로 이동

Fig. 1. (A) Physiographic map of Korean Peninsula and surrounding seas. Solid circles indicate shallow gas occur-

된다(Kim and Kang, 1991).

연구지역의 조차는 평균 대조기를 기준으로 여수

만에서 290 cm, 광양만의 서쪽 부분에서 335 cm로 광양만 내부로 갈수록 점차 증가한다. 최고유속은

Fig. 2. Locations of high-resolution seismic lines and core. Heavy lines indicate locations of the seismic lines shown

창조류일 때 50~60 cm/s, 낙조류일 때 50~65 cm/s 를 보인다(National Geography Institute, 1990). 조 류는 표층 부근에서는 썰물이 강하나 저층에서는 밀 물이 강한 유속의 비대칭을 보인다(Kim and Kang, 1991).

여수만의 수심은 광양만 연안에서 10 m 정도이 며, 남해도와 여수반도 사이의 수로 부분에서는 약 20~30 m의 수심 분포를 보인다(그림 1). 광양만을 드나드는 선박의 항로유지를 위한 지속적인 준설공 사로 인해 수로를 따라 수심의 변화가 크게 나타나 며, 여수반도에서 남해도 방향으로 수심이 깊어지는 경향을 보인다. 여수만의 수로를 지나 남동쪽으로 갈수록 수심은 30 m에서 70 m로 점차 깊어진다.

3. 연구 자료 획득 및 방법

본 연구해역의 천부가스 특성을 살펴보기 위해 한

국해양연구원(KORDI: Korea Ocean Research &

Development Institute)에서 Chirp Acoustic Profiler Ⅱ (Benthos, U.S.A)를 이용하여 획득한 총 60 line- km의 고해상도 탄성파 자료를 이용하였다(한국해 양연구원, 2003; 그림 2). 2-7 kHz의 주파수 대역을 가지는 본 장비는 분해능이 뛰어나 높은 해상도를 가지며, 시간 증가에 따라 주파수가 증가하는 sweep signal을 음원으로 사용함으로써 적은 에너지로 투 과심도를 깊게 할 수 있고, 심도에 관계없이 일정한 분해능을 유지시킬 수 있다. 또한 수신신호의 자료 처리 과정을 통하여 신호 대 잡음비의 향상과 더불 어 인접한 반사 이벤트들을 압축시켜 더욱 정밀한 퇴적층간 구별이 가능한 장점이 있다(Schock et al., 1989; LeBlanc et al., 1992).

가스 함유 퇴적물의 물리적 특성을 살펴보기 위 해 탄성파 단면도 상에서 천부가스에 의한 음향이상 이 해저면에 가장 근접한 곳을 선정한 후, 부경대학

Table 1. Gas-related acoustic anomalies identified in the study area.

Type Line drawing Description Occurrences Comparison with Jinhae Bay (Kim et al., 2008)

I

shallow and very consistent top reflection, simulating seafloor

western and central parts of study area

AB-I, AB-III, AT-I and AT-II

II sharp top reflection, following seafloor

eastern part of

study area -

교 탐양호를 이용하여 주상시료(10YS-PC24 core) 를 채취하였다(그림 2). 획득된 주상시료는 실험실 에서 반으로 절개하여 퇴적물의 내부구조를 관찰하 기 위한 soft X-ray 촬영을 수행하였다. 또한, 퇴적물 의 음향학적 특성(음파전달속도, 음파감쇠) 및 물리 적 특성(습윤전밀도, 건조전밀도, 입자밀도, 공극률, 함수율)을 측정하였다.

퇴적물의 음파전달속도는 pulse transmission technique 방법을 응용한 자동음파전달속도 시스템 (김대철 외, 1999)을 이용해 측정하고 음파감쇠는 spectral ratio를 이용하여 측정하였다. 퇴적물의 입 도분석은 퇴적물의 전처리 후 조립질부와 세립질부 로 나누어 조립질부는 요동기를, 세립질부는 자동입 도분석기(Sedigraph 5120; Micromeritics Co., U.S.A) 을 이용해 시행하였다. 퇴적물의 밀도, 공극률, 함수 율은 밀도측정기(Multivolume Pycnometer 1302;

Micromeritics Co., U.S.A)를 이용하여 측정하였다.

퇴적물의 유기물 함량을 살펴보기 위해 CHNS 분석기(CHN-2000, U.S.A)를 이용하여 총 탄소(total carbon; TC), 총 질소(total nitrogen; TN), 총 유기 탄소(total organic carbon; TOC)의 함량을 측정하 고, C/N 비는 총 질소 함량(TN)에 대한 총 유기 탄 소 함량(TOC)의 비로 계산하였다(식 1).

  

 (식 1)

4. 음향이상 분포 특성

연구해역의 고해상도 탄성파 자료의 분석 결과에 의하면 연구해역 전반에 걸쳐 천부가스에 의한 음향 이상대가 넓게 분포하고 있으며, 이러한 음향이상대

를 형태와 분포 깊이에 따라 크게 Type I 과 Type II 두 가지로 분류 하였다(표 1; 그림 3, 4). Type I은 고 해상도 탄성파 단면도 상에서 해저면 아래 2~10 m의 비교적 일정한 깊이로 해저면에 평행하게 발달한 음 향이상대를 의미한다. 강한 상부 반사면을 보이며 지 역에 따라 하부 지층을 완전히 차폐(acoustic blanking, AB)하거나 일부 차폐하여 지층 정보를 혼탁(acoustic turbidity, AT)하게 한다. Type I의 대부분은 약 2~10 km의 길이로 강한 상부 반사면이 연속해서 나 타나지만, 음향이상이 끝나는 부분에서는 상부 반사 면이 비교적 약해지고 연속성이 떨어지면서 50~200 m 의 독립된 음향이상대로 나타나며, 그 깊이 역시 5~10 m로 해저면으로부터 깊어진다(그림 3, 4). Type I 의 상부 반사면은 퇴적물 내 퇴적 층리와는 무관하 게 분포하고 있다. Type I은 여수만 서편의 여수반 도 쪽으로 치우쳐 발달하고 있으며, 여수반도 동편 연안에서 수심이 가장 낮은 수로 부근까지 넓게 분 포하고 있다(그림 5).

Type II는 가스함유 퇴적층에서 나타나는 음향이 상이 해저면 표면까지 올라와 음향이상의 상부 반사 면이 해저면에 닿아 있는 형태를 보인다(그림 4). 하 부 반사면을 대부분 차폐하며, 2 km 이내의 짧은 길 이로 나타난다. Type II 역시 음향이상의 가장자리 에서는 상부 반사면의 강도가 약해지면서 하부 지층 이 일부 드러난다(그림 4). 수심이 깊고 상부 퇴적층 이 삭박 되어 있는 남해도 서쪽의 수로를 따라 부분 적으로 나타난다(그림 5).

Kim et al. (2008)은 진해만 일대에 발달해 있는 천부가스에 의한 음향이상을 그 형태와 분포특징에 따라 5개로 분류하여 음향이상의 특성을 설명하였 다. Kim et al. (2008)이 분류한 음향이상 AB-I, AB-III, AT-I, AT-II는 본 연구에서 음향이상 Type I에 해당

Fig. 3. Chirp profile and line drawing showing acoustic anomaly Type I identified in the study area. Type I has

Fig. 4. Chirp profile and line drawing showing acoustic anomalies Type I and Type II identified in the study area.

Type II is characterized by sharp top reflection along the seafloor. For location of the profile, see Figure 2.

된다. Kim et al. (2008)이 구분한 상부반사면이 하 부지층을 완전히 차폐하며 해저면에 평행하게 발달 한 음향이상 AB-I, 하부지층은 완전히 차폐하지만 상부 반사면이 해저면에 평행하지 않고 울퉁불퉁한 형태인 AB-III, 울퉁불퉁한 상부반사면에 하부 지층 을 완전히 차폐하지 하지 못해 하부 지층의 일부가 드러나는 음향이상인 AT-I과 쇄기 형태인 AT-II 음

향이상까지 4개의 음향이상 형태가 모두 본 연구지 역에서 나타나지만, 여수만의 경우 이러한 음향이상 들이 서로 인접하고 연속적으로 나타나 진해만처럼 세분화 할 수 없었다. 하지만 강한 상부 반사면을 가 지는 음향이상이 음향이상대 중심에 위치하며 외곽 으로 갈수록 상부 반사면이 약해지면서 하부 지층 정보가 드러나는 분포 형태는 진해만과 동일하다.

Fig. 5. Distribution of gas-related acoustic anomalies investigated in the study area. Type I is widely distributed

반면, Kim et al. (2008)이 분류한 음향이상 중에서 퇴적층 내 퇴적 층리를 따라 상부 반사면이 발달한 AB-II의 형태는 여수만에서는 찾아 볼 수 없었다. 이 는 여수만의 경우, 퇴적층 내에 내부층리는 발달해 있지만, 진해만처럼 천부가스의 이동을 막고 집적을 유도 할 수 있을 만큼 퇴적물 조직의 변화가 있는 층 이 없기 때문으로 생각된다. 즉, 여수만의 음향이상 은 퇴적층 내 내부 층리에 의한 영향은 거의 받지 않 는 가운데, 해저면에서 일정한 깊이를 유지하며 발 달해 있다.

음향이상의 깊이는 퇴적물 내 생성된 free gas의 함량과 온도, 압력, 염분도에 의해 결정되는 가스 포 화 한계 값에 따라 달라진다(Wever and Fiedler, 1995; Abegg and Anderson, 1997). 본 연구지역인 여 수만은 수심이 낮고 반 폐쇄적 만의 환경을 가져 연

구지역내에서 온도와 염분도의 변화는 거의 없다.

따라서 여수만의 음향이상은 free gas의 함량과 수심 및 퇴적물 내 유효압력에 의해 결정된다고 볼 수 있다.

이는 여수만 음향이상대의 중심 부분에서 상부 반사 면이 해저면에 2-3 m로 가깝게 분포하며, 음향이상 대의 외곽으로 갈수록 상부 반사면이 약해지면서 깊 어지는 분포 특징에서도 잘 나타난다(그림 3, 4).

이와 같은 음향이상의 분포 특징은 한국 남동해 역 니질 퇴적층과 진해만에서도 잘 나타난다(Kim et al., 2004, 2008; Lee et al., 2005). 한국 남동해역의 경 우 음향이상이 100 m 등수심을 따라 규칙적으로 분 포하며 내해로 갈수록 음향이상이 해저면에 가까워 지는 경향을 볼 수 있다(Kim et al., 2004; Lee et al., 2005). 진해만 역시 수심에 따라 음향이상의 깊이가 달라지는 특징이 나타나나, 진해만의 경우는 수심보

Table 2. Sediment velocity of non-gas section and gas section, mean grain seize, and physical properties for the

Station Velocity (non-gas section)

Velocity (gas section)

Mz (phi)

Wet Density (g/cm³)

Porosity (%)

Water content (%) 10YS-PS24

(Yeosu Bay; this study) 1487-1513 1348-1404 5.6-7.8 1.4-1.6 66.6-71.3 46.0-52.1 05JH01

(Jihae Bay; Lee, 2006) 1474-1484 1335-1364 7.5-8.2 1.4-1.6 66.2-75.3 46.6-54.3 Station 23

(East Sea; Seo et al., 2001) 1490-1518 1337-1444 - 1.3-1.4 76-84 - * Mz = Mean grain size.

다 free gas의 함량이 음향이상의 깊이를 결정하는 데 더 크게 작용하는 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2008). 여수만 역시 음향이상대의 외곽에서 상부 반 사면이 약해지면서 해저면으로부터 깊어지는 것으 로 보아, 음향이상대 외곽에서의 깊이 변화는 free gas 함량 감소와 수심의 증가가 복합적으로 작용한 것으로 사료된다.

반면, 진해만에서는 나타나지 않는 음향이상 Type II는 이러한 음향이상의 분포 특징을 따르지 않는 것 처럼 보인다. 일반적으로 Type II와 같이 음향이상 이 해저면에 닿아서 나타나는 경우는 퇴적물 내 free gas가 해저면까지 이동될 만큼 함량이 매우 높아야 한다. 하지만 음향이상 Type II가 매우 협소한 지역 에서 국부적으로 나타나며, 상부 퇴적층이 유실된 지형에서만 나타나는 것으로 보아(그림 4) free gas 의 함량이 높아 해저면까지 이동된 것은 아니라고 생각된다. 게다가 음향이상 Type II는 여수만의 준 설된 수로 경계에서만 나타난다. 따라서, 음향이상 Type II는 본래 음향이상 Type I의 일부였으나, 항 로 준설 과정에서 상부 퇴적층의 유실과 이로 인한 미고결 퇴적물 내부의 물리적인 변화에 의해 형성된 것으로 사료된다(오진용 외, 2000; 최동림 외, 2002).

5. 가스함유 퇴적물의 물리적 및 음향학적 특성 가스 함유 퇴적물의 물리적 및 음향학적 특성을 살펴보기 위해 채취한 주상시료 10YS-PS24 코어의 총 길이는 492 cm에 전체적으로 균질한 니질 퇴적 물(homogeneous mud)로 구성되어 있으며 생물교 란 흔적(bioturbation), 패각편(shell fragment), 가 스의 유출로 인해 발생된 균열(degassying cracks

and voids)등이 나타난다(그림 6). 전체적인 퇴적물 색상은 olive gray (5 Y 3/2)이며, 4~80 cm 부근에 서 패각편이 부분적으로 나타나고 110 cm 하부부터 는 가스가 빠져 나가면서 형성된 균열(degassying cracks)이 잘 나타난다(그림 6). 이러한 균열들은 soft X-ray 촬영사진에서도 잘 나타나며, 코어의 하부로 갈수록 높은 밀집도를 보인다. 퇴적물의 조직은 평 균입도가 6.5 Φ인 균질한 니질 퇴적물(그림 7)로써 전 구간에서 사질함량은 1% 미만이며, 실트함량과 점토함량은 각각 평균 55.1%와 32.1%로 수직적으 로 큰 변화가 없다.

10YS-PS24 코어의 물리적 특성을 살펴보면, 전밀 도는 1.4~1.6 g/cm³이며 함수율은 45.7~52.4%, 그 리고 공극률은 67.7~72.3%, 입자밀도는 2.5~2.7 g/cm³ 의 범위를 갖는다(그림 7). 전단응력 값은 3.3~9.0 kPa 이며 100 cm 구간까지는 하부로 갈수록 조금씩 증가하는 경향을 보이나 100 cm 이후 구간에서는 큰 변화가 나타나지 않는다(그림 7). 이처럼 10YS- PS24 코어 퇴적물의 물리적 특성과 조직 특성에서 는 천부가스의 영향으로 인한 어떠한 수직적 변화도 발견할 수 없었으며, 이와 같은 가스 함유 퇴적물의 물리적 특성은 기존 연구와도 유사하게 나타난다.

이광수(2006)의 진해만 가스 함유 퇴적물에서 전 밀도는 1.4~1.6 g/cm³, 공극률은 66.2~75.3%의 범 위를 가지는 것으로 보고하였고, 서영교 외(2001)가 측정한 한국남동해역 가스 함유 퇴적물의 전밀도는 1.3~1.4 g/cm³, 공극률은 76.0~84.0%로 본 연구지 역과 마찬가지로 천부가스에 의한 퇴적물의 물리적 특성 변화는 나타나지 않았다(표 2). 하지만, 이들 연 구에서 평균 1480 m/s 또는 1505 m/s 인 음파전달 속도 값이 가스가 빠져나가면서 균열이 생긴 구간에

Fig. 6. Sediment lithology and X-ray photograph images of 10YS-PS24 core. For location of the core, see Figure

Fig. 7. Profiles of physical properties, mean grain size, clay content, and compressional wave velocity at 10YS-PS24

서는 1335~1444 m/s로 급격히 떨어지는 것을 확인 할 수 있었다(서영교 외, 2001; 이광수, 2006).

본 연구에서 획득한 코어 역시 상부에서는 평균 1497 m/s인 음파전달속도 값이 가스가 빠져나가면 서 생긴 균열들이 나타나는 구간에서 1348~1404 m/s로 급격히 떨어짐을 확인 할 수 있었다(그림 7).

음파감쇠 값은 대략 -1.6~1.6 dB/m/kHz의 범위를 가지며, 하부 가스 함유 퇴적물 구간에서 값의 변화 가 심하며 감쇠 값이 커진다(그림 7). 이처럼 음파전달 속도 값과 음파감쇠 값의 변화는 코어절개 시 퇴적물 내에 있던 가스가 급속하게 외부로 유출되면서 생긴 균열과 퇴적물 내부에 잔존하고 있던 free gas의 영향 인 것으로 알려져 있다(Anderson et al., 1998; Wilkens and Richardson, 1998; Gorgas et al., 2003; Kim et al., 2004; Lee et al., 2009). 또한, 퇴적물 내 free gas 의 함량이 높을수록 코어절개 시 더 많은 균열이 발 생하게 되고 더 낮은 음파전달속도 값을 가지는 것 으로 여겨진다(이광수, 2006). 하지만 이를 근거로 표 2에서 나타나는 바와 같이 진해만의 퇴적물 음파 전달 속도 값이 여수만에 비해 낮다고 하여 진해만 퇴적물 내 가스 함량이 더 많다고 할 수는 없다. 퇴적

물의 음파전달 속도는 퇴적물의 조직, 입자배열, 지 역 특성 등의 많은 요소들에 의해 영향을 받기 때문 이며, 퇴적물 내 음파전달 속도 값을 이용해 가스 함 량을 비교하기 위해서는 가스정량 분석을 통한 보다 면밀한 연구가 요구된다.

6. 여수만 퇴적물 내 가스 생성 환경

일반적으로 천부 퇴적물 내의 가스 생성은 그 지 역의 퇴적률, 유기물 함량, 무산소 환경, 자연적인 퇴 적환경 등에 의해 좌우된다(Floodgate and Judd, 1992). 이러한 측면에서 여수만의 가스 생성 환경을 살펴보면, 연구지역인 여수만은 섬진강에서 기인한 현생 니질 퇴적물이 10~40 m로 두껍게 쌓여있으며 섬진강으로부터 년 간 약 0.8×10⁶ 톤의 많은 부유퇴 적물의 유입(Park et al., 1996)과 함께 약 1.2 mm/yr 의 비교적 높은 퇴적률이 인근 해역에서 나타난다(Kim and Kang, 1991). 또한 여수만은 섬진강에서 유입 되는 담수와 해수가 교차하는 지역으로써, 지역에 따라 수온과 염분차가 크게 나타난다. 이는 해수의 유동이 약한 해역에서 강한 성층을 형성하게 되고

Fig. 8. Comparison of downcore variation of total carbon, total nitrogen, total organic carbon, and C/N ratio for

이로 인해 유기물 분해 시 저층의 산소 소비로 인해 저산소 또는 무산소 환경이 만들어 질 수 있는 환경 을 갖추고 있다. 따라서 여수만의 천부가스는 이러 한 요소들에 의해 생성되는 것으로 사료된다.

여수만의 유기물 기원을 살펴보기 위해 10YS-PS24 코어의 유기물 함량 분석을 시행한 결과, 총 탄소 (TC)함량은 1.0~1.2%(평균 1.15%), 총 질소(TN)함량 은 0.08~0.10%(평균 0.09%), 총 유기탄소(TOC)함 량은 0.7~1.0%(평균 0.9%)의 값으로 총 질소의 일부 구간을 제외하고 전체적으로 코어의 하부로 갈수록 높은 값을 보였다(그림 8). 이러한 값들은 진해만 가 스 함유 퇴적물에서 분석한 TC (1.5~1.9%, 평균 1.8%), TN (0.11~0.13%, 평균 0.12%), TOC (1.0~1.1%, 평 균 1.0%)에 비해 전체적으로 비교적 낮은 편이다(이, 2006). 반면 총 질소 함량(TN)에 대한 총 유기탄소 함량(TOC)의 비로 계산되어지는 C/N 비는 여수만 이 8.3~12.0(평균 9.7)로서, 진해만의 7.3~8.6(평균 7.8) 보다 높은 값을 보인다(그림 8).

여수만과 진해만의 유기물 함량 및 C/N 비의 차

이는 지리적 요인에 의한 것으로 생각된다. 여수만 은 내만과 외해의 경계가 되는 지역으로써, 진해만 보다 인근 강으로부터 직접적인 퇴적물 공급이 더 활발히 이루어진다. 그로인해 해양의 생물생산에 의 한 유기물의 축적이 진해만보다 떨어지는 반면 육성 기원 퇴적물에 의한 영향은 더 큰 것으로 생각된다.

C/N 비가 퇴적물 내에 보존된 유기물의 특성과 기 원을 밝히는 지시자로 활용되며(Muller, 1977; Muller and Suess, 1979; Nakai et al., 1982; Stein, 1990), 일반적으로 C/N 비가 클수록 육성 기원의 유기물 함량이 높다는 점도(C/N 비가 6이하면 해양성 기원 유기물, 20이상이면 육성 기원 유기물(Nakai et al., 1982)) 이를 뒷받침한다.

여수만의 경우 앞에서 언급한 바와 같이 전체적 인 유기물 함량은 진해만 보다 낮기 때문에 여수만 에 생성된 천부가스는 인근 하천에서 유입되는 니질 퇴적체의 높은 퇴적율과 강한 수괴의 발달에 의한 무산소 환경에 의한 영향이 더 큰 것으로 생각된다.

진해만에 비해 낮은 유기물 함량이 퇴적물 내 천부

가스 농도의 차이로 나타날 수도 있으나, 이를 파악 하기 위해서는 퇴적물 내 가스의 정량 분석이 필요 하다. 또한 여수만 천부가스의 생성 요인에 대한 정 확한 근거를 제시하기 위해서도 향후 추가적인 연구 가 필요 할 것으로 생각된다.

7. 결 론

여수만 가스함유 퇴적물의 물리적 및 음향학적 특성을 살펴보기 위해 약 60 line-km의 고해상도 탄 성파 자료의 활용과 가스함유 퇴적물을 채취 및 분 석을 수행하였다. 고해상도 탄성파 자료 분석 결과, 연구지역은 천부가스에 의한 음향이상이 넓게 분포 하고 있으며, 본 연구에서 음향이상대의 형태와 분 포 깊이에 따라 Type I과 Type II로 분류 할 수 있다.

Type I은 탄성파 단면도 상에서 해저면 아래 2~10 m의 비교적 일정한 깊이로 해저면에 평행하게 발달 해 있는 반면, Type II는 음향이상이 해저면 표면까 지 올라와 음향이상의 상부 반사면이 해저면에 닿아 있는 형태이다. Type II는 주로 준설 흔적이 있는 수 로 부근에서만 나타나기 때문에 준설에 의한 상부 퇴적층의 유실과 이로 인한 미고결 퇴적물 내부의 물리적 변화에 의해 형성된 것으로 생각된다.

여수만에서 획득한 10YS-PS24 코어는 하부 160 cm 깊이 이후부터 가스에 의한 흔적들이 나타남에도 불 구하고 물리적 특성은 수직적으로 큰 변화가 관찰되 지 않는다. 반면 퇴적물 음파전달속도는 가스 함유 구간에서 급격히 떨어지는 것을 확인 하였다. 동일 코어를 이용한 유기물 분석 결과, 전체적인 유기물 함량은 진해만에 비해 적었으나 C/N 비는 진해만 보다 높게 나타났다. 이를 통해 여수만 니질 퇴적물 은 육성 기원과 해양성 기원이 혼재하는 유기물로 구성되어 있으며, 여수만 퇴적물 내 가스 생성은 높 은 퇴적률과 무산소 환경에서의 유기물 분해로 형성 되었음을 유추할 수 있다.

사 사

본 논문은 2008년도 정부재원으로 한국학술진흥 재단의 지원(KRF-2008-614-C00007)을 받아 연구되 었습니다. 시추 코어 획득에 도움을 준 탐양호 직원분 들과 유기물 분석에 도움을 주신 한국지질자원연구

원의 김성필 박사와 엄인권 연구원께 감사드립니다.

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투 고 일 : 2011년 11월 2일 심 사 일 : 2011년 11월 4일 심사완료일 : 2012년 1월 3일