Distribution of Clay Minerals in Surface Sediments of Kunsan Basin, Yellow Sea and their Transport Pathway

169 http://dx.doi.org/10.7850/jkso.2015.20.4.169

Free Access

황해 군산분지 표층 퇴적물의 점토광물 함량 분포 및 이동경향 연구

노경찬*

한국해양과학기술원 관할해역지질연구센터

Distribution of Clay Minerals in Surface Sediments of Kunsan Basin, Yellow Sea and their Transport Pathway

K ^YOUNG -C ^HAN R ^HO *

Korean Seas Geosystem Research Center, Korea Institute of Ocean Science & Technology, 787 Haeanro, Ansan 426-744, Korea

황해 군산분지 니질 퇴적물 이동양상을 알아보기 위하여, 표층 퇴적물과 코어 퇴적물 시료에 대한 점토광물 함량 공간분포 및 이동 경로 분석을 실시하였다. 표층 퇴적물의 점토광물 함량은 일라이트가 63.4~71.9%로 가장 우세하 고, 다음으로 녹니석(15.1~20.2%), 고령석(10.3~17.2%), 스멕타이트(02~6.9%) 순으로 나타났다. 전반적으로 스멕타 이트는 연구지역의 남부에서 상대적으로 높은 값을 보이며, 일라이트는 연구지역의 북쪽 중앙부, 그리고 고령석+녹 니석은 연구지역의 북동부에서 상대적으로 높은 값을 보인다. 점토광물의 이동경로 파악을 위해 해저 수로 방향과 조석류 경로를 고려한 각 점토광물의 함량변화 추이를 살펴본 결과, 스멕타이트의 경우는 남쪽 황해 해곡에서 북쪽 으로 갈수록 감소하는 뚜렷한 경향을 보였으나, 고령석+녹니석은 한국의 연안과 가까운 연구지역의 북동쪽에서 상 대적으로 높은 함량을 보였다. 이러한 결과는 스멕타이트는 연구해역의 남쪽으로부터 반면, 고령석+녹니석은 한국 연안쪽으로부터 유입되었음을 보여준다. 코어 퇴적물 분석 결과, 현생 퇴적층에서 스멕타이트의 함량은 상부로 갈수 록 감소하고, 대조적으로 고령석+녹니석의 함량은 증가하는 경향을 보인다. 이는 해수면 상승이 완료된 이후 중국 으로부터 유입된 니질 퇴적물은 점차 감소하고 한국으로부터 유입된 니질 퇴적물은 상대적으로 증가했음을 보여준다.

To understand the transport pathways of muddy sediment of the Kunsan basin in Yellow Sea, grain sizes and clay mineral of 32 surface sediments and a sediment core were analyzed. In the study area, illite is predominant (63.4~71.9%), followed by chlorite (15.1~20.2%), kaolinite (10.3~17.2%) and smectite (2~6.9%), According to the spatial distribution of the clay minerals, illite, kaolinite+chlorite and smectite show relatively higher contents in the center of the north, northeast, and the south of the study area, respectively. Considering the spatial distribution of clay mineral contents the sand ridge alignments and tidal current pathways, the smectite particles were probably derived from the south of the study area, but kaolinite and/or chlorite particles were mainly transported from the Korean coastal zone. Meanwhile, down-core variation in the contents of clay minerals of the core revealed a distinct change in fine-grained muddy sediment provenance: muddy sediment input from the Korean coastal areas has increased while the input from China has decreased since the last 5,000 year ago, by showing the amount decrease of smectite and the increase of kaolinite+chlorite at the top layer of the late Holocene muddy sediment unit of the core.

Key words: Clay minerals, Kunsan basin, Fine sediment transport, Yellow Sea continental shelf, Surface sediment

서 론

대륙 주변해(epicontinental shelf)인 황해에 유입되는 퇴적물은 주로 중국의 황하와 양자강으로부터 공급되고 있으며, 이는 전 세계

바다로 유입되는 하천 퇴적물의 약 10%(약 10

톤 이상)에 달하는 것으로 알려져 있다(Milliman and Meade, 1983). 그러나 황해 분 지의 복잡하고 역동적인 해류 시스템으로 인하여 황해 전반에 걸친 퇴적물 기원, 이동 및 퇴적 기작 등은 아직도 명확히 설명되지 못 하고 있다.

황해의 해류는 쿠로시오의 지류로써, 오키나와 해곡으로부터 제 Received September 9, 2015; Revised September 18, 2015; Accepted September 22, 2015

*Corresponding author: [email protected]

주도를 우회하여 수심이 가장 깊은 황해 해곡(Yellow Sea through)을 통하여 황해로 유입되는 주 해류인 황해난류(Yellow Sea Warm Current) 와, 요동반도에서 발해만을 돌아 중국 동해 연안을 따라 남하하는 중국연안류(Chinese Coastal Current)와 서한만을 거쳐 한국 서해 연안을 따라 남하하는 한국연안류(Korea Coastal Current) 로 구성된다(Ichikawa and Beardsley, 2002; Xu et al., 2009). 또한 몬순의 영향으로 황해 난류의 세기가 약해지는 여름철에는 황해 중 앙부에 황해 중앙 냉수대(Yellow Sea Central Cold Water)가 형성 되기도 한다(Ichikawa and Beardsley, 2002).

이런 복잡한 황해 해류순환 시스템과 많은 양의 퇴적물 유입은 황해 대륙붕에 연안으로부터 고립된 패치 형태의 니질대(muddy patch) 가 형성되는 지형 특성을 보인다(Milliman et al., 1986; Lee and Chough, 1989; Park and Khim, 1992; Cho et al., 1999). 하 지만, 니질 퇴적물 이동에 따른 수리역학적인 자료와 이해가 부족 한 관계로, 황해 세립 퇴적물에 대한 연구는 주로 지질·지화학 분 석 방법을 이용한 기원연구 중심으로 진행되어 왔다(Alexander et al., 1991; 정회수 외, 2006; 임동일 외, 2007; Lim et al., 2014).

퇴적물 기원지연구의 여러 분석 방법들 중에 가장 많이 사용되는 방법중 하나가 점토광물의 상대적 함량분석 이다. 점토광물은 육 상으로부터 기원하는 니질 퇴적물을 구성하는 주요 광물이며, 바 다로 운반되는 동안 광물의 화학적 특성이 크게 바뀌지 않는다.

따라서 많은 학자들이 연안이나 대륙붕 퇴적물에서 육상 기원의 점토광물(clay minerals) 성분 분석을 통한 황해 퇴적물의 기원을 밝히려는 연구를 수행 하였다(Chough and Kim, 1981; Park and Khim, 1990, 1992; Lee and Chu, 2001; Lim, 2003; Wei et al., 2003;

정회수 외, 2006; 문동혁 외, 2007, 2008, 2009; 최진용 외, 2010;

조현구 외 2012).

점토광물에 대한 초기 연구에서 Park and Khim(1990)은 황해 퇴적물의 기원지를 구분할 수 있는 점토광물의 추적자로써 스멕

타이트(smectite) 함량을 제시 하였으며, 스멕타이트의 공간적 분 포를 토대로 황해 중앙 니질대(CYSM) 퇴적물은 황하 기원으로, 그리고 한국 서남해 연안의 황해 남동 니질대(SEYSM) 퇴적물은 금강과 영산강 등의 한국 강 기원으로 해석하였다(Park and Khim, 1990, 1992; Khim and Park, 1992). 그러나 Yang et al.(2003)은 기존자료 분석을 통하여 스멕타이트 함량을 황해 대륙붕 퇴적물의 기원지를 구분할 수 있는 추적자로써 이용하는 것에 대한 의문을 제시하였다. 최근에, 황해 주변의 하천 퇴적물 자료에 대한 종합 적인 재분석을 진행한 연구에 따르면(최진용 등, 2010), 한국의 강 퇴적물은 높은 녹니석 함량과 낮은 스멕타이트 함량을 보이며, 반 면에 중국의 양자강 퇴적물은 높은 일라이트 함량과 낮은 스멕타 이트 함량을 그리고 황하 퇴적물은 높은 스멕타이트 함량을 보이는 것으로 나타났다.

이와 같이 기존의 점토광물에 대한 연구들은 대부분 황해 중앙 니질대(CYSM) 퇴적물과 니질 퇴적물의 기원지인 하천 퇴적물에 대한 비교만 했을 뿐, 부유성이 강한 점토광물의 이동과 직접적으로 관련되는 해류나 지형 등의 물리환경과의 관계를 고려한 기원지와 퇴적지 사이의 이동경로나 황해 내의 점토광물 공간분포 양상에 대한 연구는 미진한 상황이다.

본 연구에서는 군산분지 해역의 표층 퇴적물과 황해 중앙 니질 대(CYSM)에서 취득한 코어 퇴적물의 점토광물 분석을 통하여 표 층 퇴적물의 점토광물 공간분포 양상과 코어 퇴적물 현생 퇴적층 내에서의 점토광물 함량 변화를 파악하고, 이를 통하여 황해 니질 퇴적물의 이동경향을 파악하고자 한다.

연구방법

본 연구를 위해 황해 군산분지 32개 정점(중앙부에서 17개(2013), 북동부에서 15개(2014))에서 표층 시료를 채취 하였으며, 황해 중

Fig. 1. (A) Schematic map of the regional current circulation pattern and bathymetry in the Yellow Sea. Isobaths are in meters (modified from Lee

et al., 2009): KC - Kuroshio Current; TWC - Taiwan Warm Current; YSWC - Yellow Sea Warm Current; KCC - Korean Coastal Current; CCC

- Chinese Coastal Current; CYSM - Central Yellow Sea Mud; SEYSM - South East Yellow Sea Mud; and ECSM - East China Sea Mud. (B) Map

showing the sediment sampling locations with bottom morphology of the study area: Mud patch areas are modified from Lim et al. (2013).

앙부에서 1개의 코어퇴적물시료(2014)를 채취 하였다(Fig. 1, Table 1).

연구지역의 지형도는 수심자료 KorBathy30s DEM(서승남, 2008) 과 국립해양조사원 수심측량 자료를 혼합하여 작성하였다(Fig. 1).

연구지역은 동경 약 124°30'과 125° 부근 사이에서 약 98 m의 최 고 수심을 보이는 황해해곡을 중심으로 중국방향의 서쪽으로는 완 만하게, 한국 방향의 동쪽으로는 상대적으로 급하게 수심이 얕아 지는 양상을 보인다(Fig. 1). 표층퇴적물 정점의 위치는 연구지역 해저지형의 특성을 고려하여 연안, 수로지형, 니질대 등의 지역을 모두 포함하도록 선정하였다. 표층퇴적물은 중력 코어러 또는 그 랩을 이용하여 채집 한 후 상부 2 cm 이내의 시료를 취하였고, 코 어퇴적물은 피스톤 코어러를 이용하여 약 260 cm 길이의 시료를 채집 하였다.

채집된 코어퇴적물시료는 현장에서 반으로 절개하여 고해상도 사진을 찍은 후, 입도분석과 점토광물 분석을 위하여 각각 1 cm와 10~15 cm 간격으로 부시료를 채취하였다.

실험실로 옮겨진 나머지 코어퇴적물시료를 가지고 퇴적상과 퇴 적물 색상(MUNSELL soil color chart) 등을 기술하고, 연X-선 촬 영을 위한 슬랩(30×4×0.5 cm)을 제작 하였다. 또한 퇴적물의 퇴적 시기를 알아보기 위해 코어 퇴적층 내 조개 파편 중에서 온전한 형체를 갖는것들을 취하여 연대 측정을 실시하였다. 연대 측정은 미국 Beta Analytic 사에 의뢰 하여 결과를 얻었다.

퇴적물의 입도분석은 Ingram(1971)의 방법에 따라 시료의 전처 리를 마친 후 레이저 회절 입도분석기(Sympatec OASIS/M)를 이 용하여 0.5 ø 간격으로 측정 진행하였다. 입도분석 결과는 각 간격 별 무게비를 이용한 통계처리(moment method)를 거쳐 퇴적물 입 자의 평균 입도, 분산도 등의 조직 표준치를 구하였다.

점토광물은 X-선 회절 분석법을 이용하여 점토입자(<2 µm)에 대한 대표 점토광물(일라이트(Illite), 고령석(Kaolinite), 녹니석 (Chlorite), 스멕타이트(Smectite))의 상대적 함량을 분석하였다. 일 차적으로 “Stokes Law”에 따라 피펫을 이용하여 2 µm 이하의 점토 Table 1. The surface sediment texture and each clay mineral content.

Station name

Long (Degree)

Lat (Degree)

Depth (m)

Smectite (%)

Illite (%)

Kaolinite (%)

Chlorite (%)

Mz (phi)

So (phi)

Sk

(phi) Ku Sand (%)

Silt (%)

Clay (%) A 124.5491 35.8101 82.11 1.74 68.03 13.11 17.11 7.62 1.93 -0.43 2.52 5.40 46.46 48.14 B 123.4767 35.4824 73.00 3.57 66.33 13.33 16.78 8.13 1.44 0.00 2.54 0.00 45.86 54.14 C 123.7738 35.49545 76.49 4.82 67.50 12.51 15.17 8.19 1.40 0.04 2.56 0.00 44.72 55.28 D 124.052 35.49416 79.41 2.71 68.07 12.25 16.96 8.17 1.44 -0.09 2.71 0.00 44.41 55.58 E 124.3519 35.50356 84.93 1.77 67.66 13.24 17.33 7.78 1.85 -0.48 2.70 3.71 45.31 50.99 F 124.8954 35.50679 82.02 1.52 67.56 12.53 18.39 3.16 1.81 2.45 8.43 86.39 8.55 5.05 H 123.2883 35.29892 72.94 2.73 67.82 11.62 17.83 8.20 1.41 -0.01 2.61 0.00 43.85 56.15

I 123.4521 35.28958 74.92 3.27 66.39 13.04 17.30 8.06 1.50 -0.09 2.57 0.00 46.84 53.16

J 124.5501 35.21316 85.00 4.62 65.15 12.44 17.79 4.59 2.34 1.19 3.07 64.98 20.62 14.4

K 125.0134 35.20889 82.15 3.18 65.49 13.38 17.95 3.00 1.50 3.07 12.76 91.10 5.58 3.32

L 123.0424 34.97505 72.03 3.59 66.95 11.64 17.83 8.19 1.41 0.01 2.60 0.00 44.56 55.44

M 123.4492 34.97368 75.27 4.40 67.31 10.50 17.78 8.23 1.40 -0.02 2.67 0.00 43.13 56.87

N 123.8233 34.97404 77.74 3.78 67.97 11.38 16.86 5.57 2.22 0.66 2.37 29.58 51.43 18.99

O 124.2038 34.9746 81.03 4.09 67.50 11.82 16.59 5.90 2.51 0.32 1.73 35.56 37.29 27.15

P 124.5495 34.97328 86.99 5.45 65.25 12.14 17.16 4.60 2.34 1.18 3.02 65.76 19.92 _14.32

Q 124.9478 34.97468 90.57 3.34 66.30 14.20 16.15 3.41 1.77 2.40 8.09 86.10 8.61 _5.29

R 125.2798 34.97774 73.44 6.91 63.41 12.40 17.28 6.92 2.01 -0.20 2.67 9.52 59.47 _31.01

S1 124.5043 36.03431 80.00 0.51 68.73 11.49 19.27 7.01 2.46 -0.38 1.86 21.76 24.76 _53.48

S2 124.8247 36.03444 81.87 0.21 69.74 10.86 19.19 4.21 2.17 1.50 4.11 69.94 16.65 _13.41

S3 125.151 36.0331 71.77 0.26 69.75 12.47 17.53 3.63 1.87 2.11 6.72 81.60 10.35 8.05

S8 125.475 36.29308 52.90 0.26 67.44 17.23 15.07 4.29 2.07 1.42 4.12 62.37 25.83 11.80

S9 124.827 36.29612 75.57 0.46 71.87 11.38 16.29 3.71 1.74 2.26 7.69 80.23 12.60 7.17

S10 124.5435 36.2954 78.08 0.71 69.74 14.35 15.20 6.95 2.10 -0.07 2.00 10.84 44.82 44.34

S11 124.5033 36.55765 76.89 0.58 67.35 13.69 18.38 3.72 1.37 2.89 12.26 80.43 15.10 4.47

S12 124.8249 36.5576 69.99 0.61 69.23 13.30 16.86 4.85 2.21 1.19 3.15 54.15 27.68 18.17

S13 125.1484 36.55977 59.83 0.23 68.87 10.67 20.23 4.64 2.49 1.05 2.67 62.91 16.76 20.33

S15 125.4753 36.81958 52.05 0.34 67.01 12.51 20.14 5.95 2.41 0.16 2.01 25.84 43.81 30.35

S16 125.1513 36.82039 56.82 0.93 70.15 10.39 18.53 3.40 1.18 3.39 17.04 87.93 9.47 2.60

S17 124.8265 36.81942 63.16 0.65 68.17 11.03 20.15 4.41 1.99 1.57 4.50 63.70 24.02 12.28

S18 124.4979 36.82014 76.93 0.72 68.75 12.13 18.40 3.92 1.53 2.52 9.38 75.49 18.32 6.19

S19 125.5726 36.16487 56.52 0.50 69.86 10.29 19.35 3.05 1.18 3.12 15.59 89.80 8.27 1.93

S20 125.6729 36.0325 56.79 0.41 67.31 13.04 19.24 6.90 1.93 0.21 2.06 3.54 56.64 39.82

입자를 분리한 후 슬라이드 글라스(slide glass) 위에 얇게 도포하는

“smear-on-glass slide” 방법을 이용하여 방향성 시료를 제작 하였 다(Gibbs, 1965, 1977; Stokke and Carson, 1973). 점토광물의 동 정과 반정량적 함량 분석을 위해 먼저 준비된 방향성 슬라이드 시 료를 X-선 회절분석기를 이용하여 분석하였으며, 스멕타이트를 분 리하기 위해 동일한 시료에 대하여 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 처리한 후 다시 X-선 회절 분석을 실시하였다. X-선 회절 분석은 Nickel-filtered Cu-Kα radiation 을 사용하여 40 Kv, 100 mA 조건 에서 3~35° 2θ까지 분석 하였으며, 주사속도 (Scanning speed)는 2.4° 20θ/min 그리고 step angle 0.02° 2θ로 분석 하였다. 점토광 물에 대한 동정은 무 처리 정상시료와 에틸렌글리콜 처리된 시료의 X- 선 회절분석도(X-ray Diffractogram) 상에 나타나는 광물 고유의 특 징적인 피크를 기준으로 실시하였다. 점토광물의 상대적 함량은 일반적으로 널리 이용되고 있는 Biscaye(1965) 방법을 적용하였 다. 각 점토광물의 상대 함량 계산은 일라이트, 고령석, 녹니석, 스 멕타이트의 4개 광물 총량을 100%로 가정하여 계산 하였다.

결 과 해저 지형 및 표층 퇴적물 분포

연구해역은 최대 수심 약 98 m의 황해 해곡(Yellow Sea trough)을 중심으로 서쪽과 동쪽 지역이 다른 해저지형 형태를 보여주고 있 다(Fig. 1). 서쪽 지역은 수심 50 m 미만으로 매우 완만한 경사를 이루며 황해 중앙부와 연결되는 반면, 동쪽으로는 상대적으로 수 심의 변화가 급하고, 다수의 사주(sand bar or sand ridge)가 존재 하는 연안역이 발달하고 있다(Fig. 1). 황해 중앙부는 상대적으로 평평한 지형을 갖는 니질대(Central Yellow Sea Mud, CYSM)가 발달해 있으며, 연구해역 동쪽의 한국 서해 연안 부근은 다수의 수로와 조석 사주(tidal sand ridge)들이 연안에서부터 남서 방향으로 완

만한 곡선 형태로 나열하다가 수심이 가장 깊은 125° 부근의 황 해해곡에서 수렴한 후 남쪽으로 발달하는 특징을 보인다(Fig. 1).

연구해역의 표층 퇴적물 입도분포(mean grain size, Mz)는 3.00~8.23 ø 의 범위를 가지며 공간적으로 큰 편차를 보인다. 평평 한 지형을 갖는 황해 중앙부의 니질 퇴적물은 평균입도 약 8 ø 이 상으로 가장 세립하고, 해저면 굴곡이 심하고 수심이 깊어지는 연 구지역 중앙부와 동쪽은 수심이 깊어짐에 따라 사질이 우세한 조 립질 퇴적물이 분포한다. 그러나 수심 60 m 이하의 연안 가까운 일부 지역에서는 다시 상대적으로 입도가 약간 세립해지는 경향을 보인다(Table 1, Fig. 2A).

표층 퇴적물의 점토광물 함량 및 공간분포

점토광물 함량: 총 32개 표층 퇴적물에 대한 입도분석과 점토 광물 함량 분석(<2 µm 이하 점토 입자) 결과를 Table 1에 제시하 였다. 표층 퇴적물의 점토광물 함량분포와 평균입도분포 사이에 직접적인 상관관계는 없는 것으로 나타난다. 표층퇴적물 평균 입 도는 연구지역의 중앙 수로를 중심으로 동-서 방향의 변화 패턴이 뚜렷한 반면에, 각 점토광물 함량 분포는 남-북 방향의 변화 패턴 이 우세하게 나타난다.

점토광물 상대함량은 일라이트(illite)가 63.4~71.9%(평균 67.8%)의 범위로 가장 높고, 다음으로 녹니석(chlorite), 고령석(kaolinite) 그 리고 스멕타이트(smectite)가 각각 15.1~20.2%(평균 17.7%), 10.3~

17.2%( 평균 12.4%), 0.2~6.9%(평균 2.2%) 범위의 값을 보인다 (Table 1, Fig. 2). 일라이트 함량은 전반적으로 북쪽에서 상대적으로 높고, 수로의 진행방향을 따라 남쪽으로 갈수록 낮아진다(Fig. 2B).

이와는 달리, 스멕타이트 함량은 남쪽지역으로 갈수록 높아져서, 일라이트와 스멕타이 함량은 다른 양상의 공간적인 변화를 보인 다(Fig. 2D). 고령석+녹니석 함량은 북동쪽이 남서쪽보다 상대적 으로 높게 나타났다(Fig. 2C).

Fig. 2. Distribution maps of the mean grain size and clay mineral contents in the study area.

평균입도와 점토광물 함량의 공간분포 특성에 따른 소해역 구 분: 연구지역의 점토광물 함량과 평균입도는 상호 직접적인 상관 관계를 보이지는 않으나, 각 점토광물 함량과 평균입도의 상관관계 그래프 상에서 몇 개의 군집으로 구분되는 것으로 나타난다(Fig. 3).

따라서 다음과 같이 5개의 소해역(I-V)으로 구분 하였다(Fig. 3).

i) Area I: 가장 동쪽에 위치하는 정점을 기준으로 한국 연안쪽;

ii) Area II: 한국 연안에서 남서쪽으로 뻗어나가는 지형의 중앙부분;

iii) Area III: 수심이 가장 깊은 중앙 남쪽지역;

iv) Area IV: 연구지역의 서쪽 황해 중앙 니질대(CYSM) 지역;

v) Area V: 남동 가장 자리 황해 남동 니질대(SEYSM) 부근.

연안에 가까운 Area I은 스멕타이트 함량이 낮고, 고령석+녹니 석의 함량이 높은 특징을 갖는다. 수로 지형이 발달한 Area II는, 다른 지역에 비해, 상대적으로 조립한 퇴적물(평균 약 3.9 ø ⁾ 로 구

성되어 있으며, 낮은 스멕타이트 함량과 높은 일라이트 함량의 분 포를 보인다. 수심이 가장 깊은 Area III은 일라이트 그리고 스멕 타이트 함량은 평균입도와 큰 상관관계를 보이지 않는 반면, 고령 석+녹니석 함량은 뚜렷한 음의 상관관계(negative correlation, R

=0.89) 를 보인다. 또한, Area II와 평균입도는 유사하지만, 스멕 타이트와 일라이트 함량은 대조적인 분포를 갖는다. 황해 중앙 니 질대(CYSM)에 속하는 Area IV는 평균입도와 일라이트 그리고 고령석+녹니석 함량은 음의 상관관계(negative correlation, R

= 0.62, 0.23), 스멕타이트 함량은 양의 상관관계(positive correlation, R

=0.78) 를 보인다. Area IV는 세립한 퇴적물 입도와 비교적 높은 스멕타이트 함량이 특징적이다. 황해 남동 니질대(SEYSM) 부근에 위 치한 Area V는 주변 지역에 비하여 세립한 평균 입도와 높은 스멕타이 트 함량, 그리고 상대적으로 낮은 일라이트 함량을 보여준다(Fig. 3).

Fig. 3. The scatter plot of mean grain size (Mz) vs each clay mineral content, and five sub-area groups.

코어 퇴적물의 퇴적학적-점토광물학적 특징

현 퇴적환경에서의 점토광물 상대함량비 양상과 과거 해수면 상 승 이후부터 현재까지의 함량변화 양상을 분석해 보고자, 황해 중 앙부 니질대에서 채취한 코어 퇴적물의 점토광물 분석을 실시하 였다. 우선 전체 코어 퇴적물에서 현생 퇴적층을 구분 하였으며, 구분된 현생 퇴적층에서의 각 점토광물의 함량 변화를 살펴보았 다. 황해 중앙 니질대에서 채집된 코어 14YS-PC-3는 약 75 cm를

기준으로 상부와 하부 퇴적층의 입도와 퇴적구조가 뚜렷하게 구 분된다. 하부 퇴적층은 4~7 ø 범위의 실트 퇴적물로 교호층리 퇴 적구조가 잘 발달한 반면, 상부 퇴적층은 평균입도 약 8 ø 로 니질 퇴적물로 구성된다(Fig. 4). 특히, 하부 퇴적층의 평균입도는 상부로 갈수록 점진적으로 세립해지는 상향세립화(fining-upward facies)의 경 향을 보이며, 분급도는 점토(clay)의 함량이 증가하는 상부로 갈수 록 불량해진다. 코어 약 220 cm에는 약 2~3 cm 두께의 패각층이

Fig. 4. Detailed core description, and the columnar section with snap shots and X-ray photographs of YS14-PC-3.

발견 되며,

C 연대측정 결과는 약 11,000년 BP로 산출되었다.

14

C 연대측정 결과(약 11,000 BP)에 근거할 때, 코어 퇴적물은 지 난 최대 빙하기 이후 현생까지의 전형적인 해침 이후의 퇴적환경을 반영한다(Uehara and Saito, 2003; Hori and Saito, 2007; Li et al., 2014). 코어 퇴적물 하부 퇴적층에서 발견되는 풍부한 교호층 리나 엽상층리는 이들 퇴적층이 조석의 영향이 강한 연안역에서 퇴적되었음을 지시하며(Hori et al. 2002; Cattaneo and Steel, 2003;

Dalymple and Choi, 2007), 코어 상부로 갈수록 세립해지는 입도와 불량해지는 분급도의 변화는 상대적으로 조립한 퇴적물이 공급되 던 천해 환경에서 해수면 상승과 함께 수심이 깊어짐에 따라 상 대적으로 세립한 퇴적물의 유입량이 늘어났음을 지시한다(Fig. 4).

이러한 결과는 기존의 연구결과들과 잘 일치하는 바, 연구해역의 다른 코어퇴적물 시료들의 연구결과에 비추어 황해 퇴적층은 형 성시기와 퇴적환경에 따라 크게 3개의 구간(Sedimentary Unit 1 to 3) 으로 구분되어 해석된다(Liu et al., 2004; Lim et al., 2015).

이러한 기존 연구결과에 근거할 때, 코어 퇴적물의 하부 약 230 cm 에서 최하부 까지는 약 11 ka 이전 시기의 상대적으로 강한 “tidal bottom stress” 를 받아 형성된 Unit 3에 해당 하는 것으로 해석된다.

사질과 니질이 교호 하며 뚜렷한 상향세립화를 보이는 깊이 230~75 cm 구간의 퇴적층은 약 9.0 ka 부터 약 4.8 ka 까지 해저면 바닥의 침 식이 명백히 줄어든 해침 시기에 퇴적된 Unit 2, 그리고 최상부 퇴적층은 다른 층들과 확연히 구별되는 가장 세립한 퇴적물 입자로 구성 되며, 약 4.8 ka 이후 퇴적된 홀로세 후기 퇴적물인 Unit 1에 대 비되는 것으로 해석 된다(Liu et al., 2004; Lim et al., 2015).

코어 퇴적물의 점토광물 함량은 일라이트 64.3~70.8%(평균 68.2%), 스멕타이트 0.2~2.7%(평균 1.5%), 고령석 9.9~16.2%(평균 13.6%) 그리고 녹니석 13.8~21.0%(평균 16.7%) 범위이다(Fig. 5). 일라이 트 함량의 수직적 변화는 입도 변화와 유사하여, 코어 퇴적물의 하부층(최하부~약 75 cm, Unit II, III)에서 약 64%에서 약 70%까 지 증가하며, 상부층(약 0~75 cm, Unit I)에서는 약 69% 내외의 비교적 일정한 값을 보인다(Fig. 4). 스멕타이트 함량은 하부층에 서 높고(약 2%) 상부로 갈수록 0.5% 미만으로 감소하는 뚜렷한 수직분포를 보인다. 코어 퇴적물에서 나타나는 또 다른 특징으로, 고령석+녹니석의 함량은 최하부에서 깊이 약 75 cm 까지는 감소 하는 반면, 이후 니질 퇴적층인 최상부층에서는 다시 증가하는 뚜 렷한 경향을 보인다(Fig. 5).

Fig. 5. Clay mineral content profiles of the YS14-PC-3 core.

토 의 표층 퇴적물의 점토광물 입자의 이동

본 연구지역의 해저지형은 중앙부에 남북 방향의 조류로를 중 심으로 동부와 서부가 구분된다(Fig. 1). 조류로는 부챗살 모양의 호상을 그리며 남쪽 황해 해곡으로 부터 북쪽으로 발달해 있으며, 상대적으로 가장 조립한 평균 입도를 보인다. 이러한 지형은 해류 또는 조석류에 의해 생성된 것으로 해석되고 있으며(Jung et al., 1998; Chough et al., 2002; Lee et al., 2014), 이 지형을 따라 해 수와 퇴적물의 이동이 주로 이루어졌을 것으로 추정된다.

표층퇴적물의 평균 입도와 점토광물 상대 함량의 상관관계에 따 라 구분된 5개(I-V)의 소해역은 해저지형 형태와 밀접한 연관성을 보여 주었다. 크게 중앙 조류로의 특징을 기점으로 동부와 서부, 위도 약 36°를 기점으로 남부와 북부 지역으로 구분 된다. 그리고 이는 동쪽의 한국연안(Area I), 중앙의 조류수로(Area II, III), 서 쪽의 황해 중앙 니질대(Area IV), 황해 남동 니질대(Area V)에서 니질퇴적물의 이동 및 퇴적 기작을 조절하는 지역 물리환경 특성을 반영하는 것으로 판단된다.

이러한 지역구분을 바탕으로 해수 및 퇴적물의 이동경로로 예 상되는 연구지역 중앙의 조류수로를 따라 각 점토광물 함량 변화 경향을 추가로 살펴보았다. 연구지역의 해저 지형은 남쪽 황해 해 곡으로 부터 북쪽, 북동쪽으로 길게 완만한 곡선을 그리며 발달한 조류로의 형태를 보인다(Fig. 1). 따라서 지형도 상의 수로 방향에 따른 시료채집 위치를 따라 연구지역의 동쪽부터 서쪽까지 A~D 4 개의 경로(Fig. 3)를 추출하였으며, 이 경로에 따른 점토광물 함 량 변화를 통해 이동양상을 살펴보았다(Fig. 1, Fig. 6).

연구지역 32개 정점에 대한 각 점토광물 함량의 평균값에 대한 편차를 비율로 표현하고, 해저지형을 바탕으로 한 A~D 4개 경 로에 대한 편차비의 변화 경향을 토대로 점토광물의 이동양상을 추정 하였다. 4가지 경로에 따른 변화를 보면, 일라이트와 고령석 + 녹니석의 함량편차는 약 –8~9%로 편차가 크지 않았다. 그러나,

스멕타이트의 함량편차는 남에서 북으로 갈수록 평균값대비 최대 약 150%에서 최소 –90%에 이르기까지 전 경로에서 뚜렷하게 감 소하는 경향을 보인다. 특히, 스멕타이트는 Area II와 III의 경계 부근(위도 약 36° 부근)에서부터 급격히 낮은 값을 보여, 남쪽 또는 남서쪽으로부터 북쪽으로 유입되는 경향이 명확하게 나타난다. 이 러한 스멕타이트의 분포는 기존 연구에서도 언급된 바 있다(Lim et al., 2007). 일라이트와 고령석, 녹니석의 경우는 기원이나 유입 경로를 추정하기에는 변화 편차가 크지 않지만, 경로 A와 경로 B의 최북단 정점인 S8과 S15에서는 고령석+녹니석의 함량 편차 가 상대적으로 높은 값을 보이는데 이 두 정점은 한국연안에 근 접한 곳으로 인근 강으로부터 유입된 세립퇴적물의 특성에 의한 것으로 추정된다(Fig. 7).

연구해역의 북쪽인 요동반도 남쪽 지역의 높은 스멕타이트 함 량(최대 42%, 평균 20 %)을 고려할 때(Li et al., 2014), 본 연구 해역(스멕타이트 함량 0.2~7%)에 요동반도 해역을 통한 점토광물의 유입의 가능성은 작은 것으로 해석된다. 일라이트의 경우에는 상 대 함량이 평균 약 67%로 기존에 연구된 중국의 황하, 양자강, 한 국의 한강, 금강 동진강, 만경강, 섬진강 등 강 퇴적물에서의 상대 적 함량(황하 퇴적물 49.9~60.2%, 양자강 퇴적물 60.7~64.2%, 한 국강 퇴적물 34.7~56.1%)과 마찬가지로 다른 점토 광물에 비해 월등히 높은 상대 함량을 보였다(박찬홍 2010; 최진용 외 2010;

Lim et al., 2015). 고령석과 녹니석의 경우 한국 연안에 가까운 지역 에서 상대적으로 높은 함량분포를 보이며, 연구지역의 중앙수로 동편을 따라 북에서 남쪽으로 길게 발달하는 모습을 보인다. 기존 연구에서 요동 반도 남쪽 지역의 고령석 평균 함량은 약 5%, 녹 니석 평균 함량은 약 16%(Li et al., 2014)인 반면 본 연구지역의 고령석 함량은 10.29~17.23%, 녹니석 함량은 15.07~20.23%로 상대적으로 높은 값을 나타내는 것으로 보아 본 연구지역의 동쪽 표층퇴적물은 한국 연안으로부터 기원된 퇴적물의 영향을 더 강 하게 받은 것으로 판단된다.

연구지역 니질 퇴적물 이동 경향은 동서 방향 보다는 중앙수로에

Fig. 6. The trends of each clay mineral content rate (percentage of deviation) along to the 4 routes (in Fig. 3. A, B, C, D).

의한 남북방향으로의 이동이 보다 우세해 보인다. 황해 중앙부를 관통하는 황해난류는 본 연구지역의 중앙부를 통해 북쪽으로 흘 러 북황해에서 중국연안류와 황해연안류로 분기하기에 본 연구지 역의 중앙수로를 통한 니질 퇴적물의 이동은 북쪽 방향으로의 이 동이 우세한 것으로 보이며, 한국 연안 해역에는 한국연안류(Korean Coastal Current) 의 영향으로 인한 니질퇴적물의 남쪽으로의 이동이 우세해 보인다(Fig. 7). 이는 해저지형의 형태, 스멕타이트 그리고 고령석+녹니석의 상대적 함량분포와 평균값 대비 편차에 잘 반영 되어 나타난다.

점토광물 입자의 수직적 기원 변화

지난 빙하기 동안 대기에 노출되어있던 황해는 약 1만년전 본 연구지역 중앙수로의 수심이 약 30 m에 달했으며 이후 해수면 상 승과 함께 약 6천년전에 현재의 해수면에 도달 했다(Uehara et al., 2002). 따라서 현재 연구지역 중앙수로를 이루는 대부분의 퇴적물은 과거 천해 환경에서 집적된 잔류 퇴적물(relict sediment)이며(Hori et al., 2001), 연구지역 서쪽지역의 상부 니질 퇴적물들은 약 6천 년전 이후에 쌓인 현생 퇴적물로 해석된다.

황해 중앙부에서 채취한 코어(14YS-PC-3, 길이 260 cm) 퇴적 물은 이러한 해수면 변동에 따른 퇴적상의 변화를 잘 보여주며, 최상부의 퇴적물을 통해 해수면 상승이 완료된 이후의 현생 퇴적물

특성 변화를 살펴보았다.

코어 퇴적물 점토광물의 수직적인 함량 변화는 해수면 변동에 따른 퇴적상 변화와 밀접한 관련이 있는 것으로 보인다. 특히 후기 현세(late Holocene) 대륙붕 환경에서 형성된 최상부 약 75 cm의 니질 퇴적층(Unit 1)에서의 점토광물 함량 변화는 스멕타이트는 감소하고 고령석+녹니석의 함량은 증가 하는 경향을 나타내었다.

이는 연구지역 현생 퇴적물의 점토광물 유입 양상의 변화를 직접 적으로 반영 하는 것으로 판단된다. 기존의 많은 연구들을 통해서 스멕타이트는 중국강에서 높은 함량을 보이고, 고령석+녹니석의 함량은 상대적으로 한국강에서 높은 함량을 보였으며, 본 연구의 결과 스멕타이트는 남쪽으로부터 유입되고 고령석+녹니석은 한국 연안으로부터 유입되었음을 고려 할 때(박찬홍 2010; 최진용 외 2010; Lim et al., 2015), 위와 같은 변화는 황해 중앙부의 현생퇴 적물에서는 상대적으로 중국강으로부터 유입된 니질퇴적물은 점점 감 소하고 한국의 강들로부터 기원한 니질 퇴적물이 상대적으로 증 가했음을 보여준다.

결 론

1. 연구해역 표층 퇴적물의 점토광물 함량분포는 평균입도분포에

직접적인 상관관계를 보이지 않는다. 표층퇴적물 평균 입도는 연

Fig. 7. The conceptual map of the clay mineral transport pathway in the study area.

구지역의 중앙 수로를 중심으로 동-서 방향의 변화 패턴이 뚜렷한 반면에, 각 점토광물 함량 분포는 남-북 방향의 변화 패턴이 우세 하게 나타난다.

2. 황해 군산분지 중앙부의 표층 니질퇴적물 이동을 살펴본 결과 스멕타이트는 남쪽으로부터 유입되었으며, 고령석+녹니석은 한국 연안으로부터 유입되었음이 뚜렷하게 나타났다. 일라이트의 경우는 연구지역 전체에서 지역간 편차 없이 높은 함량을 나타내고 있어 뚜렷한 이동경향을 보여주지 않는다.

3. 황해 중앙부의 코어 퇴적물의 현생퇴적물 분석결과 해수면 상승 이후 현재로 올수록 중국의 강들로부터 유입된 니질 퇴적물은 점점 감소하고 한국의 강들로부터 기원한 니질 퇴적물은 증가하는 경향을 보여준다.

감사의 글

본 논문은 2015년 한국해양과학 기술원에서 수행한 관할해역 해양지질 및 지구조연구(D11110515H480000110/PM58730)에서 지원 받았습니다. 귀중한 수심자료를 연구용으로 공유해 주신 국 립해양조사원 수로측량과와 박인선 사무관님께 깊은 감사드립니 다. 또한 익명의 심사위원 분들의 세심한 검토와 지적에 깊은 감 사드립니다.

참고문헌(References)

문동혁, 김순오, 이희일, 신동혁, 조현구, 2007. 황해 표층 퇴적물의 X-선 광물정량분석; 2001년 황해 2차 탐사자료. 한국광물학회 지, 20: 203−212.

문동혁, 이희일, 신동혁, 신경훈, 조현구, 2008. 황해 표층퇴적물의 점토광물 분포; 절대광물조성과 상대광물조성. 한국광물학회지, 21: 289−295.

문동혁, 이희일, 신경훈, 도진영, 조현구, 2009. 정량 X선 회적분 석법을 이용한 황해 남동부, 한국남해 및 제주도 남단 표층 퇴적물의 광물분포 연구. 한국광물확회지, 22: 49−61.

박찬홍, 2010. 황대 대륙붕 퇴적물 코어의 점토광물 연구. 석사학 위논문, 군산대학교 대학원, 104 pp.

서승남, 2008. 한국 주변해역 30초 격자수심-KorBath30s. 한국해 안·해양공학회지, 20: 110−120.

정회수, 임동일, 유해수, 2006. 북동중국해 코아 퇴적물의 희토류 원소 분포 양상과 기원. 자원환경지질, 39: 39−51.

임동일, 노경찬, 장풍국, 강선미, 정회수, 정래홍, 이원찬, 2007.

한국 서해 경기만 연안역에서 수질환경의 시·공간적 변화 특성과 조절 요인. Ocean Polar Research., 29(2): 135−153.

조현구, 김순오, 이희일, 2012. 황해 남동 이질대 퇴적물의 점토 광물분포 및 특성. 한국광물 학회지, 23: 163−173.

최진용, 임동일, 박찬홍, 김소영, 강소라, 정회수, 2010. 황해 주변 강 하구 퇴적물의 점토광물 함량 특성과 대륙붕 니질대 퇴적물의 기원. 지질학회지, 46: 497−509.

Alexander, C.X., DeMaster, D.J. and C.A. Nittrouer, 1991. Sediment accumulation in a modern epicontinentalshelf setting in the Yel- low Sea. Marine Geology., 98: 51−72.

Biscaye, P.E., 1965. Mineralogy and sedimentation of recent deep- sea clay in the Antlantic Ocean and adjacent seas and oceans.

Geological Society of American Bulletin., 76: 803−832.

Cattaneo, A. and R.J. Steel, 2003. Transgressive deposits: a review of their variability. Earth-Science Reviews., 62: 187−228.

Cho, Y.G., Lee, C.B. and M.S. Choi, 1999. Geochemistry of surface sediments off the southern and western coast of Korea. Marine Geology., 159: 111−129.

Chough, S.K. and D.C. Kim, 1981. Dispersal of fine-grained sedi- ments in the southerneastern Yellow Sea: a steady-state model.

Journal of sedimentary petrology., 51: 721−728.

Chough, S.K., J.W. Kim, S.H. Lee, Y.J. Shinn, J.H. Jin, M.C. Suh, and J.S. Lee, 2002. High-resolution acoustic characteristics of epicontinental sea deposits, central-eastern Yellow sea. Marine Geol- ogy., 188: 317−331.

Dalymple, R.W. and K.S. Choi, 2007. Morphilogic and facies trends through the fluvial-marine transition in tide-dominated deposi- tional systems: A schematic framework for environmental and sequence-stratigraphic interpretation. Earth-Science Reviews., 81: 135−174.

Gibbs, R.J., 1965. Error due to segregation in quantitative clay min- eral X-ray diffraction mounting techniques. American Mineral- ogy., 50: 741−751.

Gibbs, R.J., 1977. Clay mineral segregation in the marine environ- ment. Journal of Sedimentological Petrology., 47: 237−243.

Hori, K. and Y. Saito, 2007. An early holocene sea-level jump and delta initiation. Geophysical Research Letters., 34: L18401.

Hori, K., Y. Saito, Q. Zhao, X. Cheng, P. Wang, Y. Sato, and C. Li, 2001. Sedimentary facies of the tide-dominated paleo-Changji- ang (Yangtze) estuary during the last transgression. Marine Geol- ogy., 177: 331−351.

Hori, K., Y. Saito, Q. Zhao, and P. Wang, 2002. Evolution of the coastal depositional systems of the Changjiang (Yangtze) River in response to late Pleistocene–Holocene sea-level changes. Jour- nal of Sedimentary Research., 72: 884–97.

Ichikawa, H. and R.C. Beardsley, 2002. The current system in the Yellow and East China Sea. Journal of Oceanography., 58: 77−92.

Ingram, R.L., 1971. Sieve analysis. In: Carver, R.E. (Ed.), Proce- dures in Sedimentary Petrology. Wiley-Inter Science., New York, pp. 49–7.

Jung, W.Y., B.C. Suk, G.H. Min, and Y.K. Lee, 1998. Sedimentary structure and origin of a mud-cored pseudo-tidal sand ridge, east- ern Yellow sea. Korea, Marine Geology., 151: 73−88.

Khim and Park, 1992. Smectite as possible sourceindicative clay mineral in the Yellow Sea. Geo-Marine Letters., 12: 228−231.

Lee, H.J. and S.K. Chough, 1989. Sediment distribution, dispersal and budget in the Yellow Sea. Marine Geology., 87: 195−205.

Lee, H.J. and Y.S. Chu, 2001. Origin of inner-shelf mud deposit in the southeastern Yellow Sea: Huksan Mud Belt. Journal of Sed- imentary Research., 71: 144−154.

Lee, G.S., Kim, D.C., Yoo, D.G. and Y, H.I, 2014. Stratigraphy of late quaternary deposits using high resolution seismic profile in the southern Yellow sea. Quaternary International., 344: 109−124.

Lee, S.H., Y.J. Shinn, K.E. Lee, and H.S. Yoo, 2009. Depositional

development of an isolated mound and adjacent area in the south-

ern Yellow Sea during the last postglacial sea-level rise. Marine

Geology., 265: 19−30.

Li, J., B.Q. Hu, H.L. Wei, J.T. Zhao, L. Zou, F.L. Bai, Y.G. Dou, L.B.

Wang, and X.S. Fang, 2014. Provenance variations in the Holo- cene deposits from the southern Yellow Sea: clay mineralogy evi- dence. Continental Shelf Research., 90: 41–1.

Li, Y., A.C. Li, H, P., F.J. Xu, and X.F. Zheng, 2014. Clay minerals in surface sediment of the north Yellow sea and their implication to provenance and transportation. Continal Shelf Research., 90:

33 −40.

Lim, D.I., 2003. Geochemical compositions of coastal sediments around Jeju Island, South Sea of Korea: potential provenance of sediments. Journal of Korean Earth Science Society., 24: 337−

345.

Lim, D.I., J.Y. Choi, H.S. Jung, K.C. Rho, and K.S. Ahn, 2007.

Recent sediment accumulation and origin of shelf mud deposits in the Yellow Sea and East China Seas. Progress in Oceanogra- phy., 73: 145−159.

Lim, D.I., J.Y. Choi, and H.S. Jung, 2014. REE partitioning in riv- erine sediments around the Yellow Sea and its importance in shelf sediment provenance. Marine Geology., 357: 12−24.

Lim, D.I., Z. Xu, J.Y. Choi, T. Li, and S.Y. Kim, 2015. Holocene changes in detrital sediment supply to the eastern part of the cen- tral Yellow Sea and their forcing mechanisms. Journal of Asian Earth Sciences., 105: 18−31.

Liu, J.P., J.D. Milliman, S. Gao, and P. Cheng, 2004. Holocene devel- opment of the Yellow River’s subaqueous delta, North Yellow Sea. Marine Geology., 209: 45–7.

Milliman, J.D. and R.H. Meade, 1983. World-wide delivery of river sediment to the oceans. J. Geol., 91: 1–1.

Milliman, J.D., F. Li, Y.Y. Zhao, T.M. Zheng, and R. Limeburner, 1986. Suspended matter regime in the Yellow Sea. Progress in

Oceanography., 17: 215−227.

Park, Y.A. and B.K. Khim, 1990. Clay minerals of the recent fine- grained sediments on the Korean continental shelves. Continental Shelf Research., 10: 1179−1191.

Park, Y.A. and B.K. Khim, 1992. Origin and dispersal of recent clay minerals in the Yellow Sea. Marine Geology., 104: 205−213.

Stokke, P.R. and B. Carson, 1973. Variation in clay mineral X-ray diffraction results with the quantity of sample mounted. Journal of Sedimentary Petrology., 43: 957−964.

Uehara, K. and Y. Saito, 2003. Late Quaternary evolution of the Yel- low/East China Sea tidal regime and its impacts on sediments dis- persal and sea floor morphology. Sediment. Geology., 162: 25–8.

Uehara, K., Y. Saitom, and K. Hori, 2002. Paleo regime in the chang- jiang(Yangtze) estuary, the east china sea, and the yeoolw sea at 6 ka and 10 ka estimatedfrom a numerical model. Marine Geol- ogy., 183: 179−192.

Wei, J., X. Shi, G. Li, and R. Liang, 2003. Clay mineral distributions in the southern Yellow Sea and their significance. Chinese Sci- ence Bulletin., 48: 7−11.

Xu, K., J.D. Milliman, A. Li, J.P. Liu, S.-J. Kao, and S. Wan, 2009.

Yangtze- and Taiwan-derived sediments on the inner shelf of East China Sea. Continental Shelf Research., 29: 2240−2256.

Yang, S.Y., H.S. Jung, D.I. Lim, and C.X. Li, 2003. A review on the provenance discrimination of sediments in the Yellow Sea. Earth- Science Review., 63: 93−120.

2015년 9월 9일 원고접수

2015년 9월 18일 수정본 접수

2015년 9월 22일 수정본 채택

담당편집위원: 박장준