IEG 환경지질연구정보센터

‡Corresponding author: Tel. +82-42-868-3362, E-mail. [email protected]

코어퇴적물 내의 퇴적물 입자 분포와 지화학적 특성의 상관 연구

김일수^1,‡․박명호²

1한국석유공사 대륙붕탐사처 & 가스하이드레이트 개발사업단

2한국석유공사 기술개발연구원

요 약

동해 울릉분지에서 획득된 코어(01GHP-01, 02GHP-03, 02GHP-05)를 대상으로 퇴적물의 특성과 기원을 밝히고자 하였다. 채취된 01GHP-01 코어를 대상으로 단위 시료(10-20cm 간격)에 대해 실체현미경을 이용하 여 코어의 심도별 특징적 입자(울릉도 기원의 화산재, 일본 기원의 화산재 및 유공충)의 개수를 카운팅하였다.

이 결과를 지화학적 분석 결과와 상호 비교하여 기원물질의 특성을 파악하려 하였다. 유기탄소 함량은 마지막 빙기에서 홀로세로 변화하는 시기(Termination I)에 증가하는 양상을 보인다. 이는 이 시기에 대한해협을 통해 유입되는 쓰시마해류에 의한 해수면 상승과 함께 해양성 유기물 유입의 증가 때문으로 판단된다. 총유기탄소 와 질소의 비율은 전반적으로 해양성 기원의 유기물을 포함하고 있음을 나타낸다. 수소지수와 산소지수, 총유 기탄소와 S2 peak를 상대적으로 비교해 본 결과 대부분 Type II와 일부 Type III에 해당되는 유기물로 분류된 다. 이와 같은 결과는 전체적으로 해양성 기원의 유기물에 일부 육원성이 포함되어 있는 것으로 생각된다. 심 도별 특징적입자의 빈도수가 높은 곳에서 지화학적 분석 결과가 육성퇴적물의 증거를 제시하는 현상을 보인 다. 이는 화산재 기원의 입자들의 특성을 지화학적 분석결과로도 유추할 수 있는 가능성을 보여주는 결과로 생 각된다. 자료의 대비를 통해 육안으로 구별되지 않는 퇴적물의 특성을 지화학적인 결과로 유추할 수 있을 것으 로 생각된다.

주요어: 총유기탄소, Termination I, 수소지수, 산소지수, 울릉분지

Il-Soo Kim and Myong-Ho Park, 2006, The study of correlation with distribution of sediment grains and geochemical characteristics in core sediments. Journal of the Geological Society of Korea. v. 42, no. 3, p. 353-361

ABSTRACT: Three piston core sediments (01GHP-01, 02GHP-03, 02GHP-05), obtained from the Ulleung Basin,

Key words: Late Quaternary, frequency of grain, tephra layer, total organic carbon, Ulleung Basin

(Il-Soo Kim, Domestic E&P Dept. Korea National Oil Corporation & Gas Hydrate R&D Organization, Korea Institute of Geoscience and Marine Resources, Gajeong-dong 30, Yuseong-gu, Daejeon 305-350, Korea;

Myong-Ho Park, Petroleum Technology Institute, Korea National Oil Corporation 1588-14 Kwanyang-dong,

Dongan-gu, Anyang city, Gyeonggi-do, Korea)

Fig. 1. Location map of the study area.

1. 서 론

퇴적물내의 유기물 함량과 성분을 분석함으로써 퇴적환경 변화를 유추해 내는 연구는 활발히 이루어 져왔다. 퇴적물 내에서 측정된 총유기탄소(TOC:

Total Organic Carbon) 함량과 질소의 비율을 계산 하여 퇴적환경이 육원성 혹은 해양성인지를 판단하 는 연구(Emerson and Hedges, 1988; Jasper and Gagosian, 1990; Meyers, 1994), 수소지수(Hydrogen Index)와 총유기탄소 함량의 상관관계를 통한 해양 기원의 유기물의 유입을 판단하는 연구가 있다 (Schubert, 1996). 또한 총유기탄소와 황의 상관관계 (Berner, 1984; Morse and Berner, 1995)를 이용하 여 유기물이 퇴적되어지는 환경을 유추하는 연구가 이루어지고 있다. 이외에도 퇴적 당시의 환경변화를 유추하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 동해의 퇴 적물 조성에 관한 연구는 인근 대륙기원 퇴적물을 주 로 하여 빙기-간빙기의 고환경변화와 고기후변동에 관한 많은 연구(Tada et al., 1992; Dersch and Stein, 1994; Stax and Stein, 1994; Hyun et al., 1998;

Gorbarenko and Southon, 2000; Bahk et al., 2000), 테프라층 및 지화학적 특성을 이용한 제4기의 퇴적 환경 변화에 대한 연구(Chun et al., 1997; Bahk et al., 2001; Park et al., 2005; Kim et al., 2006), 테프라 시간층서학 및 고환경 복원에 대한 연구(Machida and Arai, 1992; Park et al., 2005; Kim et al., 2006) 등이 이루어졌다.

본 연구에서는 울릉분지에서 채취된 세 개의 피스 톤 코어를 대상으로 Rock-Eval pyrolysis를 이용한 지화학적 분석 결과를 통해 퇴적물의 특성을 연구하 였으며, 화산재 입자들의 심도별 분포와 비교하여 지 화학적 특성이 퇴적물의 특성을 예견할 수 있음을 밝 히고자 하였다.

2. 연구방법

한국지질자원연구원의 “가스하이드레이트 탐사 및 개발연구 사업”의 일환으로 울릉분지에서 채취한 코어를 사용하였다. 각각의 코어의 채취위치는 Fig. 1 에 표시하였다. 울릉분지는 동해에 남서부에 위치하

Fig. 2. Columnar sections of the study cores (U-Oki: Ulleung-Oki; M: mud; S: sand; G: gravel).

여 서쪽으로는 동부 한반도(eastern Korea Peninsula) 의 경사가 깊은 대륙사면(continental slope)과 북쪽 으로는 한국대지(Korea Plateau)와 접하고 있는 수 심이 깊은 볼 형태(bowl-shaped)를 가지는 후열개 분지이다. 분지 바닥(basin floor)은 대략 수심이 2,000∼2,500 m이며 북동쪽의 몇 개의 섬과 화산기 원의 해산을 제외하고는 일반적으로 평평한 형태를 갖는다.

지화학 분석을 위한 시료는 2-10 cm 간격으로 준 비된 시료는 냉동건조기를 이용하여 건조시킨 후에 분말화하였다. Vinci사의 Rock-Eval 6을 이용하여 시료 내의 포함되어 있는 총유기탄소(TOC), 수소지 수(HI), 산소지수(OI) 그리고 S2 peak를 측정하였으 며, 총질소(TN) 함량 측정에는 Leco사의 CHN-900 을 사용하였다. 화산재의 심도별 분포를 위하여 10-20 cm 간격으로 시료를 채취하여 습식체질을 통 해 관찰할 입자들을 준비하고 실체현미경상에서 각

500개 입자씩 카운팅을 실시하였다.

3. 결과 및 토의

3.1 퇴적물의 특성

연구 대상 코어는 대부분 실트질이 우세한 이질 퇴적물로 구성되어 있다. 이질 퇴적물의 퇴적상은 엽 리 이토 퇴적상(laminated mud facies), 약엽리 이 토 퇴적상(crudely laminated mud facies), 생물교 란 이토 퇴적상(bioturbated mud facies), 균질 이토 퇴적상(homogeneous mud facies)으로 크게 네 가 지로 구분하였다: 01GHP-01 코어와 02GHP-03 코 어는 심도 100 cm를 전후하여 테프라층이 협재되어 나타나는 데, 이는 약 9,300년 전에 분출하여 형성된 울릉-오키(Ulleung-Oki) 테프라층에 대비할 수 있다 (Fig. 2; Machida and Arai, 1992). 또한 02GGHP-05 코어의 심도 210cm부근에서도 위와 대비되는 테프

Fig. 3. The diagram show TOC contents increased during Termination I (MIS : Marine oxygen Isotope Stage). The

라층이 관찰된다. 이외에도 주로 유리질 성분의 세립 질 파편으로 이루어져 있는 일본 기원의 화산재들이 퇴적물에 협재되어 나타난다. 코어 퇴적물에서 발견 되는 특징적인 구조로는 01GHP-01 코어의 하부 구 간(심도 640 cm 이하)에는 해저붕락(slumping)에 의하여 형성된 퇴적구조가 관찰되며, 기원이 다른 이 질 퇴적물과 사질 퇴적물이 뒤섞여 분포되어 있다.

또한 일부 구간에서 크랙을 동반한 구조가 관찰되는 데 이것은 가스하이드레이트의 해리 또는 가스 팽창 에 의한 것으로 보인다(Paull and Ussler, 2001). 이 질 퇴적물은 코어의 다른 구간에서 보이는 퇴적물과 동일하며, 사질 퇴적물은 붕락과 미끄럼(sliding)에 의하여 이동된 퇴적물로 보인다. 사질 퇴적물을 구성 하고 있는 성분은 주로 알칼리 장석, 사장석, 운모, 석 영 등이며, 방해석 파편도 일부 발견된다.

3.2 유기물의 특성

총 유기탄소 함량은 01GHP-01 코어에서 평균 1.79 wt%, 02GHP-03 코어에서 평균 1.82 wt%, 그리고 02GHP-05 코어에서 평균 1.99 wt%이다. 01GHP-01 코어의 심도 90∼132 cm 구간, 02GHP-03 코어의 심 도 70∼110 cm, 그리고 02GHP-05 코어의 심도 190

∼ 220 cm 구간에서 함량이 증가하는 양상을 보인다 (Fig. 3). 이와 같이 유기탄소의 함량이 점진적으로 증가하는 양상은 이 구간이 MIS 2에서 MIS 1로 전 이되는 Termination I에 해당하며, 이 시기에 총유 기탄소의 함량 증가는 대한해협을 통해 염도와 온도 가 높은 쓰시마 해류가 유입되면서 해수면 상승이 일 어나는 시기와 관련지을 수 있다. 이와 같은 현상으 로 인한 1만년전에 동해의 열림과 함께 해양성 유기 물의 유입이 증가한 것에 원인이 있다고 생각된다.

총 유기탄소와 질소의 비율은 연구코어 모두에서

Fig. 4. Scatter plots of C/N ratios and TOC contents of

the sediments from the study cores.

Fig. 5. A plot of HI versus OI for the bulk sediments of the

Oxygen Index).

8-12 정도에 집중되어 있는 현상을 보인다(Fig. 4).

총유기탄소와 질소의 비율에 대한 연구(Emerson and Hedges, 1988; Meyers, 1994)에 의하면 일반적 으로 유기탄소와 질소의 비율이 4∼10까지를 신선 한 해양 유기물로 보고, 20∼100까지를 육원성 유기 물로 본다. 연구코어에서 비율은 평균적으로 10 이하 의 값을 갖는다(Fig. 4). 이와 같이 상대적으로 낮은 값을 갖는 것은 코어를 구성하는 퇴적물 내의 유기물 은 육원성 유기물보다는 해양성 유기물이 상대적으로 많이 포함되어 있는 것을 의미한다(Meyers, 1994).

또한 일부 시료에서 10 이상의 값을 나타내는데 이는 육원성 유기물의 영향을 받은 것으로 생각할 수 있 다. 그러나 총유기탄소와 질소의 비율만으로 유기물 의 기원을 밝히는 것은 넓은 의미에서 가능한 것이 고, 생물교란 등에 의해 유기물 혼합으로 인한 분석 값의 오차를 감안해야 할 것으로 생각된다.

Rock-Eval 열분석은 석유의 근원암에서 나타나 는 유기물질 특성을 분석하는 방법으로 처음 사용되 었고(Espitali et al., 1977), 이후 해양성 천부 퇴적물 에 대한 연구에 주요한 방법으로 사용되고 있다.

연구코어에서 측정되어진 수소지수와 산소지수 를 van Krevelen diagram에 도시시켜 보았다(Fig.

5). 이 도표에 표시된 세 가지의 전형적인 타입은 Tissot and Welte(1984)에 의해 제시된 것이다. 세 가지의 전형적인 타입의 특징은 Type I의 경우는 수 소가 많이 포함되어 있고 무정형(amorphous)의 유 기물들이 여러 가지 형태로 혼합되어진 특징을 가지 고 있다. Type II는 여러 가지의 해양성 플랑크톤의 기원으로 구성된 유기물인 경우이고, Type III는 주 로 대륙의 식물에서 기원된 유기물로 구성되어 있다 (Espitali et al., 1977, 1985; Tissot and Welte, 1984).

연구코어를 도시해 본 결과는 코어 대부분이 Type II 에 해당되었다. 이는 코어의 퇴적물들이 대부분 해양 성 기원의 유기물들로 이루어진 것으로 생각할 수 있 다. 이런 유기물들의 특성을 해양성과 육원성으로 구 분하는 것은 Bertrand and Lallier -Vergs(1993)에 의해 정립되어 자주 사용되고 있다. 또한 S2 값과 총 유기탄소 함량을 이용한 그래프에서도 연구코어의 분석 범위가 Type II에 해당되는 것을 보여준다(Fig.

6). 또한 두 가지의 요소가 해양환경에서 볼 수 있는 비례관계(Katz and Elord, 1983; Langford and Blanc-Valleron, 1990)를 보여주고 있다. 이와 같은 유기물의 특성으로 볼 때 연구지역 퇴적물 내의 유기 물들은 주로 해양성 기원의 유기물의 영향을 받았을

Fig. 6. Improved organic matter typing diagram based on

것으로 생각된다.

일반적으로 동해는 약 8천 년에서 1만 년을 전후 하여 대양으로부터의 해양성 유기물의 유입과 해수 면 상승이 있었던 것으로 알려져 있다(Oba et al., 1991). 이 기간은 Termination I의 시기에 해당되며 이 시기에 연구코어에서 일어나는 유기물의 변화 양 상을 보면, 해수면 상승시기에 유기물의 증가양상을 나타내며, 해수면 상승과 함께 시작된 간빙기동안에 산소환경으로 전이되는 과정을 보인다. 산소가 결핍 된 환경에서 퇴적되어진 것으로 해석되는 마지막빙 기(MIS 2)에는 해수면 하강으로 인한 수층의 정체현 상에 의해 형성되었을 것으로 생각된다. 또한 생산성 이 높을 뿐만 아니라 퇴적물 내에 화산기원의 유리질 입자와 유공충의 패각이 자주 관찰되는 것으로 보아 일반적인 대양에서 이루어지는 생산성의 증가 및 감 소현상뿐만 아니라 울릉도, 일본, 그리고 동해의 해 저화산 등의 분출로 인한 환경변화의 요인도 작용되 었을 것으로 생각된다.

3.3 화산재 입자 분포와 지화학적 특성 비교

도 160 cm부근과 심도 465∼510 cm 구간에서 집중 적인 분포를 보인다. 일본기원의 화산재는 심도 190

∼210 cm와 심도 290∼320cm에서 많이 관찰되어진 다(Fig. 7). 이와 같은 분포를 Rock-Eval을 통해 얻어 진 지화학적 특성과 비교해 본 결과, 화산재 입자의 집중적 분포를 보이는 구간에서 지화학적 특성이 대 부분 평균값 이하의 측정치를 보임을 확인할 수 있었 다(Fig. 7). 총유기탄소의 함량이 낮은 현상을 보이는 것은 화산재 형성 당시 유기물의 축척을 유도하기에 적절하지 못한 환경이었음을 시사하고, 또한 이와 같 은 현상으로 인해 유기탄소가 충분히 생성될 수 있는 온도를 지시하지 못함으로 Tmax도 다른 구간에 비 해 다른 양상을 나타나는 것으로 유추할 수 있다. 또 한 일반적으로 퇴적암에서 수소지수가 150이하를 나 타낼 때는 육상기원을 의미한다. 결과에서 보이는 것 과 같이 화산재 입자가 다량 분포하는 지역에서는 수 소지수가 150이하의 측정치를 보이는 것은 육상으로 부터의 입자 유입을 의미한다(Pratt, 1984). 이러한 이유로 해양성 기원에 비해 화산 기원의 물질들은 수 소지수의 값이 낮게 나타나며 이는 퇴적물 기원의 차 이를 보여주고 있다. 하지만 수소지수 함량은 스멕타 이트(smectite), 일라이트(illite)와 같은 점토광물 및 석고(gypsum), 방해석(calcite) 등의 함량 증가로 인 해 현격히 떨어질 수 있기 때문에 고려하여 판단해야 한다(Espitaliè et al., 1980; Orr, 1983; Hunt, 1996).

이와 같이 유기지화학적 특성의 심도별 변화가 퇴적 물의 기원의 차이와 화산재 분포에 대한 추적의 지시 자로서 사용될 수 있는 가능성을 보여준 결과라 할 수 있다. 좀 더 정확한 지시자로서의 역할을 위해 다 방면의 추가적 연구가 필요하다고 생각된다. 또한 심 도 600 cm 구간이하에서 화산재의 분포가 나타나지 않는 반면, 다른 지화학적 요소들이 낮게 나타나는 현상을 보인다(Fig. 7). 이 구간에서는 화산재의 카운 팅이 이루어지지 않았던 구간으로 해저붕락에 의해 형성된 것으로 생각되는 구간이다.

4. 결 론

1. 연구 대상 코어는 대부분 실트질이 우세한 이질 퇴 적물(muddy sediments)로 구성되어 있다. 이질 퇴적물의 퇴적상은 엽리 이토 퇴적상, 약엽리 이 토 퇴적상, 생물교란 이토 퇴적상, 균질 이토 퇴적

Fig. 7. The diagram show correlating with grain distribution and geochemical data by Rock-Eval pyrolysis.

상으로 크게 네 가지로 구분되고, 화산재층과 유 공충 연니가 협재 되어 관찰된다.

2. 측정된 총유기탄소의 함량의 변화를 관찰해 본 결 과, 연구 코어에서 유기탄소 함량이 마지막빙기에 서 홀로세로 변화하는 시기(Termination I)에 증 가하는 양상을 보이는 것은 대한해협을 통한 쓰시 마해류의 유입으로 인한 해수면 상승과 함께 해양 성 유기물 유입의 증가 때문으로 판단된다.

3. 총유기탄소와 질소의 비율을 측정한 결과, 코어퇴 적물의 전반적인 유기물의 기원이 해양성임을 보 여준다. 또한 Rock-Eval 측정 자료를 종합해 볼 때 대부분 유기물의 타입 중 Type II에 해당하는 것으로 보아 해양성 기원의 유기물로 이루어진 것 으로 생각되며 다소 육원성 기원인 Type III의 유 기물들이 혼합되어 있음을 보여준다.

4. 심도에 따른 화산재 입자 분포와 Rock-Eval을 통 해 얻어진 지화학적 특성과 비교해 본 결과, 화산 재 입자의 집중적 분포를 보이는 구간에서 지화학 적 특성이 대부분 평균값 이하의 측정치를 보임을 확인할 수 있었다. 이는 화산재 형성 당시 유기물

의 축척을 유도하기에 적절하지 못한 환경이었음 을 시사한다. 이와 같이 유기지화학적 특성의 심 도별 변화가 퇴적물의 기원의 차이와 화산재 분포 에 대한 역 추적의 지시자로서 사용될 수 있는 가 능성을 보여준 결과라 할 수 있다.

감사의 글

피스톤 코어는 한국지질자원연구원에서 수행된

“가스 하이드레이트 탐사 및 개발 연구”의 일환으로 채취되었다. 본 연구사업을 위해 연구비를 지원해 주 신 한국가스공사에 깊은 감사를 드립니다. 자료제공 과 기기 이용에 도움을 주신 한국지질자원연구원 류 병재 박사님, 이영주 박사님께 감사를 드립니다. 또한 논문에 고귀한 의견을 주시고 심사해주신 권영인 박 사님, 천종화 박사님께 감사를 드립니다. 마지막으로 탐사자료의 취득과 실험을 위하여 힘써 주신 참여 연 구원들과 탐해 2호의 선박직원들께 감사를 드린다.

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투 고 일 : 2006년 8월 1일 심 사 일 : 2006년 8월 8일 심사완료일 : 2006년 9월 14일