IEG 환경지질연구정보센터

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제주도 용천동굴 석순(YC-2)의 조직적 특징을 이용한 지난 약 300년 동안의 고기후 변화 연구

지효선^1,2․우경식^1,^‡․조경남^1,2․Cheng, Hai³․Edwards, R. Lawrence³․이상헌⁴

1강원대학교 지질학과

2한국해양연구원 부설 극지연구소

3Department of Geology and Geophysics, University of Minnesota

4한국지질자원연구원

요 약

제주도 용천동굴에서 성장하는 석순의 조직적 특성을 이용하여 제주도 지역에 영향을 주었던 지난 300년 동 안 기후변화를 조사하였다. 용천동굴 석순에 대한 연령측정은 석순에 기록되어 있는 연성장선을 세어서 측정하 였으며, 분석결과 이 석순의 연령은 휴지기(hiatus interval)를 포함하여 241년 이상 성장한 것으로 판단된다. 휴 지기가 지속된 기간을 정성적으로 파악하기 위하여 석순의 네 지점에서 ²³⁰Th/²³⁴U 연령분석을 실시하였다. 그 결과 석순의 절대연령을 결정할 수 있는 자료를 얻지는 못하였으나, 휴지기(hiatus interval, 석순의 하부로부터 15.29~15.42 mm 지점)를 기준으로 상, 하부분의 연령이 약 210년의 차이를 보여 이 기간 동안 석순이 거의 성 장하지 않았음을 알 수 있다. 석순의 조직 관찰 결과 이 석순은 두 종류의 방해석 조직을 보여주며, 이들은 유체 포유물의 수가 적고 깨끗한 주상 방해석 구간(Phase A)과 유체포유물의 수가 많고 지저분한 주상 방해석 구간 (Phase B)이다. 연성장선 사이의 간격이 좁고 유체포유물의 수가 적은 Phase A는 외부에서 유입되는 물의 양이 적어서 석순의 성장속도가 매우 낮았다는 것을 의미하며, 이는 외부의 기후가 강수량이 적은 건조한 기후의 영 향 하에서 이 석순이 성장했다는 것을 의미한다. 하지만 반대로 연성장선의 간격이 넓고 유체포유물이 많은 Phase B는 외부로부터 유입되는 물의 양이 많고 성장속도가 높았다는 것을 의미하며, 이는 외부의 기후가 강수 량이 많았던 습윤한 기후 동안 석순이 성장했음을 의미한다. 따라서 이 석순 조직의 기록은 지난 300여 년 동안 동아시아 여름몬순의 강도 변화를 직접적으로 지시하고 있다고 판단된다.

주요어: 고기후, 석순, 용천동굴, 용암동굴, 조직, 제주도

Ji, H.S., Woo, K.S., Jo, K.N., Cheng, H., Edwards, R.L. and Yi, S.H., 2011, Paleoclimatic reconstruction of the past 300 years using textural data of the YC-2 stalagmite from the Yongcheon Cave on Jeju Island, Korea. Journal of the Geological Society of Korea. v. 47, no. 2, p. 139-153

ABSTRACT: Paleoclimatic changes over the past 300 years were inferred based on textural characteristics of

the YC-2 stalagmite which grew in Yongcheon Cave, Jeju Island. Age dating was determined by counting annual growth laminae, and it is estimated that the stalagmite grew for longer than 241 years including the hiatus. ²³⁰Th/²³⁴U dating was also carried out to estimate the hiatus period, and both the parts just below and above the hiatus (15.29~15.42 mm above the bottom of the stalagmite) show the period of about 210 years, even though absolute ages cannot be obtained from both parts. Texturally, the stalagmite can be divided into two phases: Fluid inclusion-poor, columnar calcite (Phase A) and fluid inclusion-rich, columnar calcite (Phase B). Closed-spaced growth laminae with less fluid inclusions of the Phase A indicates that the growth rate was low due to the lower rate of water supply from outside. This also means that the stalagmite growth under more arid climate with lower rate of precipitation. This study implies that textural evidence of the stalagmite in Yongcheon Cave directly reflects the variations of East Asia summer monsoon intensity for the past 300 years.

Key words: Paleoclimate, stalagmite, Yongcheon Cave, lava tube cave, texture, Jeju Island

‡Corresponding author: +82-33-250-8556, E-mail: [email protected]

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1. 서 론

용천동굴은 제주도의 화산암 지대에 위치하는 용 암동굴이며, 벵듸굴, 만장굴, 김녕굴, 당처물동굴과 함께 거문오름용암동굴계에 속한다. 이 동굴은 전형 적인 용암동굴의 형태와 미지형을 보여주지만, 제주 도에 많이 분포하고 있는 일반적인 용암동굴과는 달 리 동굴 상부에 퇴적되어 있는 탄산염퇴적물로 구성 된 사구의 영향으로 이 동굴 내에는 방해석으로 이 루어진 동굴생성물이 형성되고 있다. 제주도에서 용 천동굴과 같이 탄산염광물로 이루어진 동굴생성물 이 성장하는 용암동굴은 이미 지질학계에 보고된 바 있다(우경식 외, 2000; 우경식, 2004).

동굴생성물을 이용한 고기후연구는 주로 석회동 굴에서 성장하는 동굴생성물을 이용하여 많은 연구 가 이루어져 왔다(e.g., McDermott, 2004; Wang et al., 2004; Fairchild et al., 2006). 동굴생성물을 이용한 고기후 변화는 동굴생성물의 성장선, 광물학적 특 징, 지화학 분석, 유체포유물 등을 이용해 해석되어 졌다(e.g., 최돈원 외, 2005; 조경남 외, 2006a, 2006b, 2008; Paulsen et al., 2003; Jo et al., 2010). 특히 동굴 생성물의 연령이 지난 500,000년까지 정확히 측정될 수 있기 때문에, 동굴생성물의 산소와 탄소동위원소 고해상도 기록을 통해 세계 여러 지역에서 일어난 고기후 변동(강수량과 온도 변화 등)을 이해하려는 연구가 활발하게 이루어지고 있다(e.g., McDermott, 2004; Fairchild et al., 2006). 최근에 이르러 동굴생 성물 중에서 석순의 산소동위원소의 고해상도 기록 은 동아시아 여름몬순의 강도 변화를 이해하는데 결 정적인 역할을 하기도 하였다(e.g., Hu et al., 2008;

Zhang et al., 2008; Tan et al., 2009; Wan et al., 2011).

이렇게 동굴생성물 내에 기록된 여러 프록시를 이용 한 연구는 긴 주기의 기후변화에 초점을 맞춰 주로 연구되어 왔지만(e.g., Yuan et al., 2004), 최근 들어 동굴생성물의 정확한 연령 측정, 고해상도의 지화학 적 분석, 동굴 내부의 모니터링 등 여러 자료가 함께 분석이 가능해짐에 따라 석순의 안정동위원소 조성

의 변화를 통한 수개월 단위의 고기후 복원도 가능 해지고 있다(Cruz et al., 2005; Mattey et al., 2008).

동굴생성물의 탄소동위원소 조성은 지역적인 기후 변화, 생물학적 활성도, 식생의 종류에 따라 변하는 지표면의 환경과 카르스트 작용, 기후 상태에 따라 서 달라진다고 알려져 있다(Paulsen et al., 2003;

McDermott, 2004; Cosford et al., 2009; Jo et al., 2010).

Paulsen et al. (2003)은 중국의 Buddha 동굴에서 채 취한 석순의 ²³⁰Th/²³⁴U 연령분석과 성장선의 개수 를 세어 연령을 측정하고 석순의 상부 구간에서 고 해상도 안정동위원소 분석을 실시하였다. 안정동위 원소 조성의 변화는 동굴외부의 기온과 습윤한 정도 를 반영하는 것으로 해석되었으며, 그 결과로 지난 1270년 동안의 기후를 복원하였다. Mattey et al. (2008) 는 Michaels 동굴의 석순을 이용하여 100 μm 간격으 로 안정동위원소를 분석하고 이를 동굴 내에서 실시 한 모니터링 결과와 비교함으로써 지난 53년 동안의 기후를 정밀하게 복원하기도 하였다.

동굴생성물은 무기적인 침전물이기 때문에 생물 체의 영향에 의한 지화학적 성분의 변화는 없다. 뿐 만 아니라 탄산염광물로 이루어진 동굴생성물은 형 성되는 동안 기상수의 조건 및 동굴 내부의 환경에 따라 동굴생성물의 성장률이나 조직이 변할 수 있기 때문에 동굴생성물의 조직을 분석하여 고기후를 복 원하는 연구도 최근에 활발히 이루어지고 있다(Woo et al., 2008). 또한 동굴생성물 내에서 흔히 잘 관찰 되는 성장선의 두께는 외부 환경에 의해 조절된다고 알려져 있다. Qian and Zhu (2002)는 성장선의 두 께를 측정한 후 연강수량과 비교하여 중국 베이징 근처의 소빙하기 기후를 복원하였으며, Smith et al.

(2006)은 스코틀랜드, 이탈리아, 중국에서 비슷한 시 기에 자라면서 비슷한 성장률을 보이는 석순 3개의 조직적 연구를 통해 석순의 성장에 북반구 장주기의 온도 변화가 영향을 미쳤음을 밝힌바 있다. 국내 석 회동굴에서 성장한 동굴생성물을 이용한 고기후 연 구도 최근에 이르러 이루어지고 있다. 우경식 외 (2004)는 제주도 당처물동굴 석주의 연구를 통해 동

(Ji, H.S., Woo, K.S., Jo, K.N., Department of Geology, College of Natural Science, Kangwon National University,

Chuncheon 200-701, Korea; Ji, H.S. and Jo, K.N., Korea Polar Research Institute, Incheon 406-804, Korea; Cheng,

H. and Edwards, R.L., Department of Geology and Geophysics, University of Minnesota, MN 55455, USA; Yi,

S.H., Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 305-350, Korea)

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굴생성물의 조직적인 특성(e.g., 성장선의 밀집도)이 지화학 성분과 잘 대비되어 나타남으로서 동굴생성 물의 조직이 고기후 변화를 암시함을 제시하였다.

그러나 이 연구에서는 석주의 연령 분석이 정확하게 이루어지지 않아서 기후변화에 대한 정량적인 해석 이 제시되지 않았다. 조경남 외(2006a)는 정확한 연 령측정을 바탕으로 충청북도 단양군 에덴굴의 석순 을 이용하여 플라이스토세 후기 고기후 변화를 추정 하였다. 이 연구 결과는 플라이스토세말의 빙하기와 간빙기 동안의 기후변화와 석순의 성장이 서로 밀접 한 관련이 있음을 보여주었다. 즉 MIS4 (Marine Isotope Stage 4)와 MIS8 동안의 빙하기 동안에는 석순이 동 굴 내부에서 지하수를 지속적으로 공급받지 못하여 성장이 멈추고 석순의 표면위에 동굴산호가 성장하 였으며, 이는 기후변화의 영향으로 이 시기동안 강 수량이 매우 낮아져 동굴수의 공급이 중단되었거나 일 년 중 지표가 얼어있는 시간이 길었음을 지시한 다고 해석된 바 있다. 따라서 연구결과는 동굴생성 물의 조직적인 특징이 지표의 환경변화를 잘 반영한 다는 것을 나타낸다. 최근 지효선 외(2010)는 용천동 굴의 같은 석순에 나타나는 탄소동위원소 성분변화 를 이용하여 제주도 내에서 소빙기가 끝난 시기를 제시하기도 하였다.

이 연구는 제주도 용천동굴에서 성장하던 석순의 조직적 특징을 이용하여 지난 수백 년 동안 제주도

일대에 영향을 미친 기후변화를 추정하는데 그 목적 이 있다. 특히 용천동굴은 석회동굴과는 달리 외부 환경과 인접해 있어서 외부의 기후변화를 직접적으 로 빠르게 받기 때문에 용천동굴에서 형성된 동굴생 성물의 조직적 특징은 과거의 기후변화를 직접적으 로 반영하고 있다는 사실을 이 연구는 밝히고 있다.

2. 연구지역

한반도는 지리적으로 중위도 온대성 기후대에 위 치하여 사계절의 변화가 뚜렷하다. 또한 강한 동아시 아 몬순의 영향으로 여름에는 고온다습하며 겨울에 는 상대적으로 춥고 건조한 기후를 보여준다(그림 1A).

제주도 성산기상대의 2003년부터 2009년 3월까지 자료에 따르면 연구지역의 연평균 기온은 15.9℃이 며, 연평균 강수량은 1,866.7 mm이다(기상청, 2009).

한반도의 남서쪽 해상에 위치하는 제주도는 동서로 74 km, 남북으로 41 km의 타원형의 화산섬으로 면 적은 1,825 km²에 이른다. 제3기말부터 제4기 동안 의 화산활동에 의해 형성되었으며 주로 용암류로 구 성되었다(원종관 외, 1993). 연구지역 내에는 용암동 굴이 해안가와 근접한 곳에 형성되어 있으며, 탄산염 입자로 구성된 사구가 퇴적되어 있다(그림 1B).

용천동굴은 제주도 북동쪽에 위치한 북제주군 구 좌읍 월정리에 북동, 남서방향으로 발달해 있으며,

Fig. 1. A) Location of Jeju Island. Arrows indicate generalized modern summer monsoonal winds and winter

monsoonal winds. Dashed line represents the limit of the summer monsoon and winter monsoon. B) Distribution of the location of Yongcheon Cave. Shadow zones denote the distribution of carbonate sand dunes.

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주굴의 길이는 약 2,590 m, 지굴의 길이는 약 379 m 로 총 연장이 약 2,960 m인 용암동굴이다(우경식, 2009). 이 동굴의 입구는 2005년 전신주 공사 시 동굴 천장이 무너지면서 인위적으로 만들어졌다(그림 1B).

용천동굴은 전형적인 용암동굴의 형태와 미지형의 특징을 보여주고 있지만, 상류 구간과 하류의 일부 구간이 탄산염퇴적물로 이루어진 사구에 의해 덮여 있기 때문에, 이 구간에서만 특징적으로 석회동굴에 서만 발견되는 탄산염광물로 이루어진 동굴생성물 이 성장하고 있다(그림 1B, 2). 탄산염 사구 퇴적층은 인접한 해빈과 천해환경에서 퇴적된 탄산염퇴적물 이 과거에 바람에 의해 이동되어 육지의 사구를 형 성한 것으로 생각된다. 이 사구 퇴적층이 퇴적된 후, 빗물이 사구퇴적층을 통과하면서 탄산염퇴적물을 용식시켜서 칼슘이온과 탄산염이온이 동굴 내로 이 동되어 탄산염광물이 침전되면서 동굴 내에 동굴생 성물이 성장하게 되었다(지옥미와 우경식, 1995; 지 효선 외, 2008; 지효선 외, 2010).

3. 연구방법

이 연구를 위해 용천동굴 내의 석순시료를 채취 하였다. 석순 시료를 채취한 지점은 현재 용천동굴 의 상부에 탄산염퇴적물로 이루어진 사구가 존재하 는 용천동굴 최상류 지점이다. 2008년 1월에 용천동 굴 상류구간에서 현재에도 자라고 있는 68.25 mm 크기의 석순을 선택하였다. 채취한 석순에 대한 조 직관찰, 연령분석, 지화학분석을 위하여 석순은 성 장축을 따라 종방향으로 절단하였다(그림 3). 절단

한 석순의 한 면을 박편제작한 후 실체현미경과 편 광현미경을 이용하여 석순의 조직을 관찰하였다. 석 순은 동굴 수가 동굴 천장으로부터 석순의 표면에 떨어 진 후 석순의 옆면을 따라 물이 흘러내릴 때 이 산화탄소의 유리작용이나 증발작용이 일어나면서 성장한다. 석순의 성장 속도는 물이 방해석에 대해 과포화상태로 유지될 경우, 천장에서 떨어지는 동굴 수의 공급량에 따라 차이를 보이게 된다. 따라서 박 편관찰을 통해 내부 연성장선(annual line)을 관찰 하고 성장선의 개수와 성장선 사이의 간격을 3회에 걸쳐 측정하였다. 석순의 연령분석은 연성장선의 개 수를 세는 방법과 ²³⁰Th/²³⁴U 연령분석법을 통해 이 루어 졌다. ²³⁰Th/²³⁴U 연령분석은 미국의 미네소타 대학에서 TIMS (Finnigan MAT 262-RPQ mass spectromater)를 이용하여 분석하였다. 이를 위해 각 지점 당 300 mg의 시료를 채취하였으며, 석순의 단 면 관찰 결과를 토대로 총 4지점에 대해 연령분석이 이루어졌다(그림 3). 분석 절차는 Edwards et al. (1987, 1993)과 Cheng et al. (2000)의 방법에 따라 진행하 였다. 미시료를 HNO3에 용해시킨 후, ²²⁹Th과 ²³³U-

236U (²³³U≅²³⁶U) 추적자를 가하였다. 우라늄(Uranium) 과 토륨(Thorium) 추적자 용액은 뉴브론스윅스실험 실(New Brunswick Laboratories; NBL)의 표준 시료 (Standard Reference Material)인 112- A중액을 사 용하여 보정하였으며, 아이오와(Iowa)의 아미즈(Ames) 연구소에 있는 표준물질조제센터(Standard Materials Preparation Center)의 정제토륨 금속이 이용되었 다. 우라늄 토륨은 Fe(OH)3가 포함된 시료-추적자 용약으로부터 동시에 침전시켰으며, 이온-교환 반응

Fig. 2. A) Numerous calcareous speleothems growing in Youngcheon Cave. B) Typical lava tube passage in

Yongcheon Cave.

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으로 추출하였다. 이를 위해 바이오-래드 음이온교환합 성수지(Bio-Rad anion exchange resin AGI X8, 100- 200 mech)를 이용하였다. 절단한 시료의 단면을 관 찰 한 후 한국해양연구원 부설 극지연구소에 미세분 말채취기(MicroMill)를 이용하여 0.17 mm간격으로 약 0.01 mg의 분말시료를 387개 채취하였다(그림 3). 채취한 분말시료는 탄소동위원소 분석을 실시하

였으며, 분석은 독일의 LEIBNIZ 연구소에서 IRMS (Isotope Ratio Mass Spectrometer; Finnigan MAT251) 를 이용한 Dual inlet 모드로 이루어 졌다. 분석오차 는 ±0.04‰이며, PDB standard로 표기하였다.

4. 결과

4.1 석순의 조직

용천동굴에서 채취한 석순은 그 성장 길이가 68.25 mm이다. 석순을 이루고 있는 탄산염광물은 저마그 네슘 방해석이며, 전체적으로 성장선에 수직방향으 로 성장한 주상조직을 보인다(그림 4). 이러한 주상 조직은 석순의 최하부에서 최상부의 표면까지 전 구 간에 나타난다(그림 4). 석순의 절단면을 따라 연속 적으로 연성장선이 잘 발달하고 있으며, 석순의 절 단면에서는 백색을 띠지만, 박편 내에서는 갈색과 무색의 성장구간이 지속적으로 교호하고 있다. 석순 에서 관찰되는 갈색의 연성장선은 방해석 내에 상대 적으로 높은 유기물, 이질 성분 혹은 포유물로 구성 되어 있는 것으로 알려져 있다(Polyak and Asmerom, 2001). 하지만 용천동굴 상부에 존재하는 탄산염사구 퇴적층 내의 토양에서는 이질 성분(점토광물 등)이 전혀 포함되어 있지 않으므로(지효선 외, 2010), 용 천동굴 석순의 연성장선은 주로 유기물과 유체 포유 물의 함량 차이에 의해 형성된 것으로 판단된다. 우

Fig. 4. A) Slab photograph of the transverse section of the YC-02 stalagmite. B) Thin section photomicrograph of

fluid inclusion-rich, columnar calcite in Phase B. C) Thin section photomicrograph of Phases A & B showing alternation of fluid-inclusion rich, columnar calcite (Phase B) within fluid-inclusion poor, columnar calcite (Phase A). Note the hiatus layer shown by "Dark brown growth laminae".

Fig. 3. Vertical section of the stalagmite in this study.

Slab photograph of the transverse section of the stalagmite and sampling points. The location of hiatus (arrow) is shown.

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경식 외(2009)에 의하면 2008년 7월부터 2009년 9월 까지 동굴 내부와 외부에서 이산화탄소 분압을 측정 한 결과 식생의 낙엽이 지는 시기인 11월의 이산화 탄소 분압이 다른 시기보다 높게 측정되었다. 이러 한 이유는 낙엽이 지는 시기인 가을에 토양 내 유기 물의 분해가 활발하게 이루어지면서 동굴 내부로 유 입되는 지하수에 유기물이 포함되어 강수량이 상대 적으로 적은 겨울에 연성장선이 형성되는 것으로 판 단된다. 이러한 가정은 2008년 1월에 채취한 석순의 바깥 표면에서 뚜렷한 연성장선이 관찰되기 때문에 석순의 연성장선이 겨울에 형성되었고, 이러한 성장 선이 일 년 단위의 성장선이라고 제안된 바 있다(지 효선 외, 2010). 석순에 나타나는 연성장선의 개수는 최하부에서 최상부 표면까지 총 242개로 이 석순의 연령이 최소 242년이라는 것을 알 수 있다. 하지만 석순 최하부로부터 15.29~15.42 mm 구간에서 관찰 되는 성장선은 여러 개의 연성장선이 아주 조밀한 간격으로 밀집되어 있고, 다른 성장선에 비해 굵고 짙은 갈색을 띠는 것이 특징이다(지효선 외, 2010;

그림 4C). 이 구간은 석순의 성장이 매우 느렸던 시 기로 석순의 성장이 일시적으로 멈추었던 휴지기(hiatus interval)인 것으로 추정되었다(지효선 외, 2010).

석순의 단면과 박편관찰 결과 석순의 조직은 두 종 류로 구분된다. 한 종류는 방해석의 결정 내에 유체 포유물이 거의 포함되어 있지 않고, 연성장선의 두께 가 상대적으로 얇은 구간인 “깨끗한 주상 방해석 구 간”(Phase A)이다. 다른 하나는 주상의 방해석 내에 많은 유체포유물이 포함되어 있고, 연성장선의 두께 가 상대적으로 두꺼운 구간인 “지저분한 주상 방해 석 구간”(Phase B)이다(그림 4C). Phase A 내에 나타 나는 성장선은 성장선 자체의 두께가 Phase B의 것보 다 더 얇으며 성장선 간의 간격도 더 얇은 것이 특징 이다. 방해석 결정은 두 가지 특징을 보이며 성장한 것을 관찰 할 수 있다. 석순의 최하부인 0 mm에서 12.54 mm 구간과 13.95 mm에서 17.12 mm 구간은

“깨끗한 주상 방해석 구간”으로 이루어져 있으며, 연 성장선이 뚜렷하게 관찰되기는 하나 Phase B에 비해 한 연성장선이 석순의 중심부에서 바깥부분으로 갈 수록 연속적이지 못한 것이 특징이다(그림 4B). 석순 하부에서 12.54~13.95 mm 구간과 17.12~68.25 mm 구간은 “지저분한 주상 방해석 구간”이며, 이 구간 내에 나타나는 연성장선은 전체적으로 그 연결이 아

주 좋다(그림 4C). 석순은 전체적으로 두 부분으로 나 누어지며, 하부는 주로 “지저분한 주상 방해석 구간”

으로, 상부는 “깨끗한 주상 방해석 구간”으로 나타난 다. “지저분한 주상 방해석 구간”으로 이루어진 하부 구간의 상부지점에 “깨끗한 주상 방해석 구간”이 한 층이 포함되어 있는 것이 특이하다.

4.2 석순의 연령

조사한 석순은 전체적으로 많은 성장선을 포함하 고 있다. 이들 성장선은 각각 다양한 두께를 보이며, 성장선의 간격이 나타내는 기간은 일 년인 것으로 추정된다. 그 이유는 조사 시료의 최상부 표면에 만 들어지고 있는 성장선과 그 바로 하부의 밝은 색의 방해석 구간이 함께 나타나기 때문이다. 즉 밝은 색 의 방해석 구간은 여름철 우기에 성장한 것이며 갈 색의 성장선은 가을 이후 겨울까지 만들어지기 때문 에 밝은 색의 방해석 구간과 갈색의 성장선이 한 조 (set)를 이루며 일 년 단위로 만들어진다고 생각할 수 있다. 특히 연성장선이 가을 이후 겨울까지 생성 되는 이유는 주로 11월 이후에 유기물의 분해가 활 발히 일어나서 유기물이 지하수를 통해 유입되어 방 해석 내에 포함되기 때문인 것으로 생각된다(지효선 외, 2010). 따라서 연성장선이 뚜렷하게 관찰되는 용 천동굴 석순의 연령은 연성장선의 개수를 세어서 정 확히 측정할 수 있다(그림 4). 하지만 석순의 조직을 관찰한 결과 하부로부터 15.29~15.42 mm 구간(“밀 집구간”)은 여러 개의 연성장선이 밀집되어 나타나 기 때문에 그 내부에 몇 개의 성장선이 포함되어 있 는 지를 알아내는 것은 불가능하다. 아마도 이 밀집 구간은 석순의 성장속도가 아주 늦었던 석순의 휴지 기(hiatus interval)라고 생각할 수 있다. 이 성장선 밀집구간을 한 개의 연성장전과 함께 같이 한 개로 가정한다면 조사된 석순 내에 나타나는 연성장선의 개수는 총 242개로 측정되어, 석순의 연령은 최소한 242년 이상일 것으로 추정할 수 있다. 석순이 채취된 2007년 말부터 “밀집구간”의 상부까지 나타나는 연 선장선은 140개이다. 따라서 석순이 성장하다가 휴 지기로 접어들었고, 휴지기가 끝난 시점은 1868년 정도로 추정된다(그림 3). 석순 내부에 나타나는 휴 지기 때문에 석순 전체의 성장 연령을 추정하기는 매우 어렵다. 하지만 석순 최하부로부터 휴지기까지 의 연성장선의 개수가 총 102개이기 때문에 이 석순

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이 성장을 시작하여 휴지기에 이르기까지 성장한 기 간은 101년으로 추정할 수 있다(그림 3). 하지만 이 석순의 휴지기가 몇 년을 나타내는지 추정하는 것은 조직적으로 불가능하다.

연성장선으로부터 추정된 석순의 연령을 확인하 고, 석순 내의 휴지기의 기간을 추정하기 위해 석순 의 하부 부분인 8.8 mm 지점, 상부 부분인 41.3 mm 지점과 정확한 휴지기(hiatus interval)의 지속기간 을 알아보기 위해 휴지기(hiatus interval)로 판단되 는 굵고 진한 갈색을 띠는 연성장선의 하부(14.3 mm)와 상부(17.8 mm) 지점에서 시료를 채취하여 ²³⁰Th/

234U 연령분석을 실시하였다(그림 3, 표 1). 연령분석 결과 석순 하부로부터 8.8 mm, 14.3 mm, 17.8 mm, 41.3 mm 지점의 연령은 각각 369±48, 372±15, 162±44, 194±36년BP로 나타난다(표 1). 휴지기(hiatus interval) 로 판단되는 연성장선(15.29~15.42 mm)을 기준으 로 상부의 연령(162±44년BP, 194±36년BP)이 하부 의 연령(369±48년BP, 372±15년BP) 보다 젊게 측정되 었지만, 휴지기(hiatus interval) 상부의 두 지점과 하 부의 두 지점에서 측정한 연령이 역전되는 현상을 보인다(그림 3, 표 1). 하지만 휴지기 상부의 두 결과 와 하부의 두 결과 모두 오차의 범위 내에 있으므로 정밀한 절대연령은 추정하기 어려우나 휴지기 상부 와 하부의 연령차이를 정성적으로 추정하는 것은 가

능하다고 판단된다. 연성장선을 세어 측정한 휴지기 (hiatus interval)가 끝나는 지점(15.42 mm)의 연령 은 AD 1876년으로 측정된 반면, 17.8 mm 지점에서

230Th/²³⁴U 연령분석법으로 측정한 연령은 AD 1788±

44년(162±44 BP)로 비슷한 지점의 연령이 역전되어 약 88년의 차이를 보인다(표 1). 따라서 이러한 분석 결과는 이 석순의 연령측정을 위해 사용된 ²³⁰Th/

234U 연령분석법을 통해 석순의 연령을 추정하는 것 은 그 오차의 범위에 따라 한계가 있다는 것을 의미 한다. 특히 용암동굴인 용천동굴은 석회동굴과는 달 리 동굴과 지표의 거리가 10미터 이내로 매우 짧으 며, 지하수가 통과하는 구간도 탄산염퇴적물로 이루 어진 사구와 동굴 상부를 이루는 현무암 내에 발달 된 수 미터 이내의 틈(fracture)이 전부이다. 이는 빗 물이 지표에 닿은 후 동굴로 바로 유입되어 석순이 성장하기 때문에 연선장선이 뚜렷이 나타나며, 이러 한 연성장선에 의한 연령측정이 지화학분석에 의한 방법보다 더 신뢰할 수 있다는 것을 의미한다. 하지 만 이러한 자료를 재확인하기 위해서는 이 석순에 대한 추가적인 연령측정을 필요로 한다. ²³⁰Th/²³⁴U 연령분석법에 의해 분석된 결과는 이 석순의 절대연 령을 나타내지는 않지만 적어도 휴지기에 대한 정보 는 어느 정도 알려주고 있다. 즉 휴지기의 상부(17.8 mm)와 하부(14.3 mm) 간의 연령의 차이는 약 180~

Fig. 5. Annual spacing variations of growth laminae in YC-02 stalagmite. Note relatively larger spacing lengths in

U valu e of 3 .8 . Th e erro rs are arb itrarily as su med to b e 5 0%. ** *B .P . stan ds f or “Befo re Presen t” wh ere th e “Pr es en t” is d efin ed as th e y ear 1 95 0 A. D.

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220년으로 나타나기 때문에 휴지기의 기간이 약 200 년 정도라고 추정하는 것에는 큰 무리가 없을 것으 로 판단된다(그림 3, 표 1)

4.3 석순에서 관찰되는 성장선 사이 간격의 변화

석순의 박편 관찰을 통해 연성장선 사이의 간격 이 석순의 하부 구간에서 상부 구간에 이르기까지 전 구간에 걸쳐 큰 차이를 보이며 변하고 있다(그림 5). 석순의 최하부인 0~12.02 mm 구간의 연성장선 사이의 간격의 최소값은 0.03 mm, 최대값은 0.33 mm로 나타나며 이 구간의 평균값은 0.14 mm로 측 정되었다. 0~12.02 mm 구간의 연성장선 사이의 간 격은 뚜렷한 주기를 보이며 변하지는 않지만 다른 구간에 비해 매우 좁은 특징을 보인다(그림 5). 12.02~

13.95 mm 구간은 짧은 구간이지만, 0~12.02 mm 구 간에 비해 성장선 사이의 간격이 급격하게 증가하는 특징을 보인다. 이 구간의 성장선 사이의 간격은 최 소 0.39 mm에서 최대 0.61 mm로 나타난다. 따라서 이 구간의 성장선 간의 평균 간격은 0~12.02 mm 구 간의 평균 간격의 약 3배인 0.48 mm로 측정되었다 (그림 5). 13.95~16.61 mm 구간의 연성장선 사이의 간격은 최소 0.08 mm에서 최대 0.35 mm로 나타나 며 평균 간격은 0.13 mm로 측정되어 0~12.02 mm 구간과 같이 이 구간은 간격이 좁은 특징을 보인다 (그림 5). 특히, 이 구간은 조밀하게 여러 연성장선이 밀집되어 형성된 굵고 짙은 갈색의 성장선(“밀집구 간”)이 나타난다. 16.61 mm에서 석순의 최상부인 68.25 mm 구간의 연성장선 사이 간격의 최소값이 0.05 mm, 최대값은 0.91 mm로 나타나며, 평균값은 0.38 mm로 측정되었다. 다른 구간과 비슷하게 연성 장선 사이의 간격의 변화는 규칙성을 보이지는 않지 만 12.02~13.95 mm 구간과 비슷하게 간격이 넓은 특징을 보인다. 즉 YC-2 석순 내 연성장선 사이의 간 격은 최하부에서부터 간격이 좁고 넓음이 반복되는 경향을 보이며, 간격이 좁은 구간(0~12.02 mm, 13.95

~16.61 mm)에서 넓은 구간(12.02~13.95 mm, 16.61

~68.25 mm)으로 변화하는 양상을 보인다.

5. 토 의

5.1 용천동굴 석순 조직의 고기후학적 의미

석순에서 관찰되는 연성장선(annual growth laminae)

은 동굴생성물을 이용한 연구에서 고해상도의 고기 후를 복원하는데 좋은 프록시로 사용되어 왔다(Frisia et al., 2003; Smith et al., 2006). 실제로 나무 나이테 를 이용한 고기후 복원과 같이 연성장선이 관찰되는 석순의 성장률의 변화를 통해 고해상도의 짧은 주기 의 기후변화를 복원 할 수 있다고 알려져 있다. Smith et al. (2006)은 스코틀랜드, 이탈리아, 중국에서 같은 시기에 성장한 석순 3개의 조직적인 연구를 통해 북 반구 장주기의 온도 변화가 석순의 성장에 영향을 미쳤음을 밝힌바 있다. 또한 성장선의 두께를 측정 하여 지난 500년 동안 기후를 복원 할 수 있음을 제 시하였다. 동굴생성물의 성장속도는 동굴 외부의 기 후변화와 밀접한 관련이 있다. 동굴생성물의 성장은 동굴 내부로의 물의 공급량과 직접적인 관련이 있기 때문에, 아시아 지역의 경우 물의 공급량을 결정하 는 동아시아 여름몬순의 강도는 동굴생성물의 성장 과 밀접한 관련이 있다. Wang et al. (2004)은 동굴생 성물의 성장이 동아시아 여름몬순의 강도가 높았던 습윤한 시기에 집중됨을 밝힌 바 있다.

용천동굴의 석순은 주상의 저마그네슘 방해석이 성장하면서 자란 것이다. 주상의 방해석은 동굴 천 장으로부터 석순의 표면에 떨어 진 후 석순의 옆면 을 따라 물이 흘러내릴 때 이산화탄소의 유리작용이 나 증발작용이 일어나면서 성장한다. 방해석이 성장 하는 속도는 물이 방해석에 대해 과포화상태로 유지 될 경우, 천장에서 떨어지는 물의 공급량에 따라 달 라진다. 즉 물의 공급량이 많은 경우에 방해석의 성 장속도는 빨라지며, 공급량이 적은 경우에 방해석의 성장속도는 늦어지게 된다. 이는 방해석의 성장속도 가 용천동굴 상부의 강수량과 직접적인 관계를 가지 고 있다는 것을 의미한다. 왜냐하면 용천동굴 상부 의 표면에 내리는 강수는 탄산염사구 퇴적층과 수 미터의 현무암의 균열대를 통과한 후 바로 동굴 내 로 유입되기 때문이다. 동굴 내에서 관찰한 바에 따 르면 강수량이 많은 경우, 수 시간 이내에 바로 용천 동굴 내로 빗물이 유입되는 경우도 있었다. 하지만 강수량이 아주 적은 경우에는 빗물이 사구 퇴적층 내를 통과하지 못하고 남아 있을 수도 있으므로 강 수량이 석순 내에 반영되기 위해서는 어느 정도 이 상의 강수량이 필요하다. 하지만 이에 대한 정량적 인 자료는 아직도 측정되지는 못한 상태이다.

동굴 내로 유입되어 석순의 성장에 영향을 미치

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는 물의 양, 즉 강수량의 차이는 갈색 연성장선 사이 의 두께와 석순을 이루는 주상 방해석의 조직에 영 향을 미친다. 물의 공급량이 많은 경우, 빠른 성장을 하는 주상의 방해석은 광물 내의 아결정 사이에 물 이 포획되어 유체포유물이 남아있게 된다. 하지만 물의 공급량이 적을 경우에는 광물의 성장이 천천히 일어나기 때문에 방해석 내에 포함되는 유체포유물 이 거의 없다. 조사된 용천동굴 석순에는 방해석 내 유체포유물의 존재 유무를 토대로 두 개의 조직이 나타난다. 하나는 방해석 내에 유체포유물이 전혀 포함되어 있지 않은 “깨끗한 주상 방해석”(Phase A) 이고, 다른 하나는방해석의 성장방향과 같은 방향으 로 길쭉한 형태를 보이며 성장선의 방향과 평행하게 배열되어 있는 유체포유물을 포함하는 “지저분한 주상 방해석”(Phase B)이다(그림 4D).

즉 “깨끗한 주상 방해석”인 Phase A 구간이 형성 된 시기에는 외부에서 유입되는 물의 양이 적어 성 장속도가 매우 느렸으며, 다른 구간에 비해 연성장 선 사이의 간격이 좁은 특징을 보인다. 뿐만 아니라 방해석 결정이 천천히 성장함에 따라 결정 사이에 물이 포획되지 않아서 방해석 자체가 유체포유물을 포함하지 않은 깨끗하고 조밀한 조직을 보여준다 (그림 4D). 따라서 Phase A로 이루어져 있는 구간이 침전된 시기는 다른 기간에 비해 상대적으로 강수량 이 적고 더 건조한 시기였을 것으로 판단되며, 이는 아시아 여름몬순의 강도가 더 낮았던 시기로 해석할 수 있다. 반면에 “지저분한 주상 방해석”인 Phase B 로 이루어져 있는 구간은 연성장선 사이의 간격이 넓은 특징을 보이며, 이는 Phase A에 비해 상대적으 로 더 빠르게 방해석이 성장하였다는 것을 의미한 다. 물의 공급이 많아 더 빠르게 방해석이 성장하면 서 방해석 결정 내에 많은 유체포유물을 포함하게 된 것이다. 즉 Phase B가 성장한 시기는 Phase A가 성 장한 시기와는 달리 외부로부터 상대적으로 더 많은 양의 물이 동굴 속으로 공급된 시기이었으며, 이는 동아시아 여름몬순의 강도가 상대적으로 더 강했던 시기이었음을 지시한다. 따라서 성장선 사이의 간격 이 좁고 “깨끗한 주상 방해석”(Phase A)으로 이루어 져 있는 구간(0~12.54 mm, 13.95~17.12 mm)은 강수 량이 매우 적어 상대적으로 더 건조하며, 외부에서 동굴 내부로 유입되는 물의 양이 아주 적었던 시기 를 나타낸다(그림 5). 특히, 이 구간 내에는 갈색 연

성장선이 많이 밀집되어 두꺼운 연성장선대를 보이 는 구간(하부로부터 15.29~15.42 mm 구간)이 나타 나며, 이 구간은 외부의 기후가 너무 건조하고 강수 량이 적었기 때문에 동굴 내부로 공급되는 물의 공 급량이 제한적이어서 석순이 거의 성장하지 못했던 휴지기(hiatus interval)로 생각할 수 있다. 이러한 휴지기는 건조한 기간이었을 것으로 추정되는 Phase A보다도 더 오랫동안 건조한 환경이 지속되었던 기 간이라고 생각할 수 있다(그림 3). 성장선 사이의 간 격이 넓고 “지저분한 주상 방해석”(Phase B)으로 이 루어져 있는 구간(12.54~13.95 mm, 17.12~68.25 mm) 은 강수량이 많아 동굴 내부로 유입되는 물의 양이 많았던 시기에 침전된 것이다. 전체적으로 석순의 하 부는 Phase A (0~12.54 mm)로 이루어져 있으며 상부 는 Phase B (17.12~68.25 mm)로 이루어져 있다. 하지 만 Phase A에서 Phase B로 전이되는 구간(12.54~

17.12 mm)에는 이 두 구간이 교호하면서 나타나는 것이 특징이다. 따라서 방해석 내에 나타나는 조직 적은 특징으로 보아 이 석순은 강수량이 적었던 건 조한 기간(0~12.54 mm)에 성장하기 시작하다가, 습 윤한 시기(12.54~13.95 mm)와 건조한 시기(13.95~17.12 mm)가 반복되었고(그림 5), 석순이 채취되었던 2008 년까지 습윤한 기간(17.12~68.25 mm)이 유지된 것으 로 판단된다.

이미 언급하였듯이 석순 내에서 관찰되는 연성장 선 사이의 간격은 석순이 성장하면서 천장에서 공급 된 물의 양과 직접적인 관계가 있다. 연성장선 사이 간격의 평균값이 0.14 mm 정도인 석순의 최하부 (0~12.02 mm) 구간은 다른 구간에 비해 성장선 간 격이 아주 좁게 나타나며, 이는 이 구간이 다른 구간 에 비해 강수량이 적었던 시기였다는 것을 의미한 다. 이 시기 동안에 연성장선 사이의 간격은 뚜렷한 주기를 보이며 변하지는 않지만 다른 구간에 비해 성장선 사이의 간격이 매우 좁은 특징을 보인다(그림 5).

흥미로운 사실은 이렇게 성장선의 간격이 좁은 구간 이 “깨끗한 주상 방해석”인 Phase A 구간과 일치한 다는 사실이다. 16.61 mm에서 석순의 최상부인 68.25 mm 구간은 연성장선 사이 간격의 최소값이 0.05 mm, 최대값은 0.91 mm로 나타나며, 평균값은 0.38 mm로 간격이 아주 넓게 나타나는 구간이다. 즉 이 기간은 상대적으로 강수량이 많았던 시기이며 이 기 간도 유체포유물을 다수 포함하는 “지저분한 주상

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방해석”(Phase B) 구간과 일치하고 있다.

12.02~13.95 mm 구간은 석순의 최하부인 0~12.02 mm 구간에 비해 성장선 사이의 간격이 급격하게 증 가한다. 이 구간의 성장선 사이의 간격의 변화는 0.39~

0.61 mm이며 평균두께도 0~12.02 mm 구간의 평균 연성장선 사이의 간격의 약 3배인 0.48 mm로 최하 부의 구간에 비해 강수량이 급격히 증가했다는 것을 나타낸다(그림 5). 13.95~16.61 mm 구간의 연성장 선 사이의 간격은 다시 급격히 줄어들며, 그 간격의 변화는 0.08~0.35 mm이고 평균 간격은 0.13 mm로 측정되었다. 즉, 이 구간은 0~12.02 mm 구간과 같이 연성장선 사이의 간격이 좁은 상대적으로 강수량이 적었던 건조한 기후를 지시한다(그림 5). 특히, 이 구 간은 조밀하게 여러 연성장선이 밀집되어 형성된 굵 고 짙은 갈색의 성장선(“밀집구간”)이 나타나는 구 간으로 석순이 매우 느리게 성장한 구간임을 확인 할 수 있다. 12.02~16.61 mm 구간은 성장선 간격이 넓고 좁은 구간이 교호하는 구간으로 점차적으로 성 장선의 간격이 넓어지는 상부의 구간으로 전이되는 구간임을 알 수 있다. 이미 전술한 바와 같이 성장선 의 간격이 좁은 구간은 Phase A와 넓은 구간은 Phase B와 정확히 일치하고 있다.

YC-2 석순 내 연성장선 사이의 간격은 최하부에

서부터 간격이 좁고 넓음이 반복되는 경향을 보이 며, 전체적으로 간격이 좁은 하부 구간(0~12.02 mm, 13.95~16.61 mm)에서 간격이 넓은 상부 구간(12.02~

13.95 mm, 16.61~68.25 mm)으로 변화하는 양상을 보인다. 이러한 조직적 연구결과는 용천동굴에서 채 취한 석순에서 관찰되는 뚜렷한 연성장선의 간격과 방해석 자체가 가지는 조직적 특성이 외부의 기후변 화와 밀접한 관련이 있음을 보여준다. 용천동굴 석 순의 조직은 “깨끗한 주상 방해석”(Phase A)으로 이루어진 구간은 연성장선의 간격이 좁은 구간과 일 치하며, “지저분한 주상 방해석”(PhaseB)으로 이루 어진 구간은 연성장선의 간격이 넓은 구간으로 나타 난다. 전자의 경우에는 상대적으로 강수량이 적고 건조했던 기후를 나타내며, 이는 동아시아 여름몬순 의 강도가 낮았던 시기로 해석할 수 있다.

5.2 후기 홀로세 한반도 육상의 기후변화

이 연구에 사용된 석순이 성장하기 시작했던 시 기는 정확히 추정하기 어렵다. 하지만 조직적으로 구분이 가능한 연성장선이 242개이며, 석순의 중간 에 나타나는 휴지기의 기간이 약 200년이라고 가정 하면 이 석순의 성장기간은 약 450년이라고 추정할 수 있다. 이 석순은 약 450년 전부터 석순의 최하부

Fig. 6. ARelationship between annual spacing lengths and paleoclimatic results by Ji et al. (2010).

(12)

로부터 휴지기가 있는 구간까지 약 101년 동안 석순 이 성장하다가 200년 정도 석순의 성장이 멈추었고, 그 이후에 다시 석순이 성장한 것으로 생각할 수 있다.

이 석순이 성장하기 시작하였던 약 101년 동안에 는 강수량이 적었던 건조한 기후(0~12.54 mm)로 시 작되어, 강수량이 많았던 습윤한 기후(12.54~13.95 mm)로 바뀌었다가, 다시 건조한 기후(13.95~17.12 mm)로 변하였다. 이는 석순에 나타나는 연성장선 의 간격의 변화와 방해석의 조직적 특성도 함께 일 치하고 있다. 하부로부터 두 번째로 건조한 기후가 나타나는 기간(13.95~17.12 mm) 내에는 휴지기를 포함하고 있다. 이 기간은 석순의 성장이 거의 멈출 정도로 강수량이 낮았으며, 이는 동아시아 여름몬순 의 강도가 매우 낮은 시기였음을 보여준다. 이 기간 내에 휴지기(hiatus interval)가 끝나는 15.42 mm 지점은 연성장선을 이용한 절대연령의 추정이 가능 하며 1869년으로 추정된다. 연성장선에 의해 추정된 1869년으로부터 1875년까지는 성장선 사이의 간격 이 좁고 “깨끗한 주상 방해석”(Phase A)으로 이루 어져 있는 구간이며, 이는 강수량이 적어 건조한 기 후를 보인다(그림 6). 이 석순은 2008년 1월에 채취 하였다. 따라서 연성장선으로 석순의 성장 시기를 추정하면, 이 석순의 상부구간(17.12~68.25 mm)인 성장선의 간격이 넓고 “지저분한 주상 방해석”(Phase B)으로 이루어져 있는 구간의 연령은 1875년부터 2008년 1월까지이다(그림 3). 조직적으로 보아 이 기 간은 상대적으로 강수량이 많았던 습윤한 기간인 현 재의 시기이다.

지효선 외(2010)는 이 연구에 사용된 용천동굴 석 순(YC-02)의 전 구간에 걸쳐 탄소동위원소 분석을 실시하여 고기후를 추정한 바 있다. 용천동굴 탄소 동위원소 조성은 주로 연구지역 내에서 발생되는 생물기원의 CaCO3에서 공급되는 탄소(δ¹³C=+1~

3‰)와 토양에서 분해된 유기물의 탄소 성분(¹³C=

-23.3~-18.7‰)에 의해 조절된다(지효선 외, 2010).

지효선 외(2010)는 고기후의 기간을 하부로부터 Stage I, Stage II, Stage III으로 구분하였다. 탄소동위원소 값이 높게 나타나는 Stage I (δ¹³C= -3.3~0.4‰, PDB) 은 식생의 발달이 미흡한 매우 건조한 기후를 나타 내며, 탄소동위원소 조성의 변화가 큰 Stage II (δ

13C=-9.6~-0.6‰, PDB)는 소빙하기인 Stage I이 점 차 쇠퇴하는 기간이라고 제안하였다. 또한 탄소동

위원소 조성이 낮은 Stage III (δ¹³C=-11.0~-8.0‰, PDB)은 1877년에서 2007년 말로 다른 시기에 비해 동아시아 여름몬순의 강도가 강해진 습윤한 시기라 고 제안하였다. 석순의 성장이 시작된 시기를 정확 하게 파악하기는 어렵지만 전체적으로 이 석순의 탄소동위원소 성분은 석순이 성장한 기간을 탄소동 위원소 조성이 높게 나타나는 매우 건조한 기간 (Stage I), 탄소동위원소 조성의 변화가 매우 큰 건 조한 기후에서 습윤한 기후로의 전이하는 구간(Stage II), 그리고 습윤한 기후 하에서 석순이 성장한 기간 (Stage III)으로 요약된다. 이러한 탄소동위원소 성 분에 의해 구분된 고기후의 단계는 석순의 조직에 서도 그대로 반영된다. Stage I (0~5.60 mm 구간) 기간은 석순 내 연성장선 간의 간격이 매우 좁게 나 타나는 구간으로 석순의 성장률은 매우 낮았으며,

“깨끗한 주상 방해석”(Phase A)으로 이루어져 있 어서, 이 시기는 강수량이 적었고 식생의 번성이 상 대적으로 빈약했던 시기였음을 조직적으로 확인할 수 있다(그림 6). Stage II (5.60~18.42 mm 구간) 기 간은 연성장선의 간격이 좁은 기간이 몇 년 지속 된 후 성장선의 간격이 넓은 기간, 좁은 기간이 반복적 으로 나타나는 구간과 일치한다. 즉, 탄소동위원소 조성이 급격하게 변하며 매우 건조하여 석순의 성장 이 거의 이루어 지지 않았던 휴지기(hiatus interval) 가 관찰되는 이 시기 동안은 기후가 매우 불안정했 으며, 건조하고 습윤한 기후가 급격하게 반복적으로 나타났음을 알 수 있다(그림 6). Stage III 기간(1877 년에서 2008년 1월) 동안은 석순의 성장률이 높고,

“지저분한 주상 방해석” (Phase B)이 성장한 시기 (1875년에서 2008년 1월)로 강수량이 많았던 기간 이었다. 이 기간 동안에는 강수량이 많아 식생이 매 우 번성하였기 때문에 탄소동위원소 조성이 다른 기간에 비해 매우 고갈되어 나타난다고 생각된다 (그림 6). 이 연구결과는 용천동굴의 연성장선 사이 간격의 변화와 방해석 내에 나타나는 조직적인 특 징의 변화가 방해석 내 탄소동위원소 성분의 변화 와 잘 일치하는 경향을 보여주고 있다. 이러한 결과 는 동굴생성물의 조직적인 결과가 고해상도 안정동 위원소 분석결과와 함께 분석되어, 좀 더 정량적인 고기후 연구를 가능하게 할 것으로 생각할 수 있다.

하지만 조직적으로 나타나는 휴지기의 기록이 탄소 동위원소의 자료에 반영되고 있지는 않다. 이는 조

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직적인 기록은 강수량의 변화를 주로 반영한 것이 지만 탄소동위원소 성분의 변화는 토양 내의 이산 화탄소의 발생량과 관계가 있기 때문이다. 즉, 석순 의 조직은 강수량의 차이에 의해서만 주로 조절되 지만, 석순의 탄소동위원소 성분의 변화는 대기의 온도 변화와 강수량의 변화를 모두 반영하고 있는 것으로 생각된다. 따라서 석순 내의 조직변화와 탄 소동위원소 성분의 변화는 전반적으로 일치하고 있 지만 강수량이 아주 작아지면 석순의 성장이 멈추 게 되어 조직적으로 휴지기가 발견되지만 탄소동위 원소는 그러한 휴지기를 나타내기는 어렵다.

지난 1,810년 동안 성장한 석순을 조사하여 동아 시아 몬순의 강도 변화를 추정한 자료가 발표된 바 있다(Zhang et al., 2008). 이들은 중국 칭하이-티벳 고원 지역의 석회동굴 내에서 채취한 석순을 분석하 여 이 석순이 현재온난기(Current Warm Period), 소빙기(Little Ice Age), 중세온난기(Medieval Warm Period), 그리고 암흑한랭기(Dark Age Cold Period) 로 구분하였으며, 이러한 기후변화는 주로 태양 강제 력(solar forcing)의 결과라고 제안하였다. 따라서 한 반도의 기후도 태양 강제력의 차이에 따라 아시아지 역의 온도의 차이가 일어나서 아시아 여름몬순의 강 수량이 변화한 결과라고 판단된다(Cheng et al., 2006).

6. 결 론

용천동굴 내 성장하는 석순(YC-2)의 연구결과 이 석순은 연성장선과 ²³⁰Th/²³⁴U 연령분석 결과를 고 려하면 약 450년 동안 성장한 것으로 생각된다. 이 석순 내 발견되는 휴지기는 약 200년 정도이다. 조직 적인 관찰 결과 “깨끗한 주상 방해석 조직”(Phase A)이 나타나는 구간은 연성장선 사이의 간격이 넓 어 다른 구간에 비해 성장률이 높으며 “지저분한 주 상 방해석 조직”(Phase B)이 나타나는 구간은 연성 장선 사이의 간격이 좁아 성장률이 낮은 것으로 관 찰되었다. 이러한 결과는 같은 석순에서 분석된 탄 소동위원소 성분의 변화와 비슷한 결론을 보여준다.

이 석순의 최하부인 Stage I 구간에는 석순의 성장률 이 매우 낮으며 조밀한 주상조직을 보이고 부화된 탄소동위원소 조성이 조직적인 결과가 잘 일치하고 있다. 탄소동위원소 조성이 급격하게 감소하는 경향 을 보이는 Stage II 구간은 건조한 기후에서 습윤한

기후로의 전이구간으로서, 이 구간은 연성장선 사이 의 간격이 넓고 “지저분한 주상 방해석 조직”(Phase B)을 보이는 구간과 연성장선 사이의 간격이 좁고

“깨끗한 주상 방해석 조직”(Phase A)을 보이는 구 간이 교호하며 습윤한 기후로 변해가는 전이적인 구 간으로 나타난다. 낮은 탄소동위원소 조성을 보이는 Stage III 구간은 다른 시기에 비해 동아시아 몬순의 강도가 강해진 습윤한 시기이다. 이 구간에는 동굴 로 유입되는 물의 양이 많아 석순의 성장률이 높았 으며 방해석 내에 유체포유물이 포함되어 있는 “지 저분한 주상 방해석 조직”(Phase B)을 보인다. 따라 서 용천동굴의 석순에 나타나는 조직의 기록은 지난 300여 년 동안의 동아시아 여름몬순의 강도변화를 잘 반영하고 있다.

사 사

이 논문은 지효선의 석사논문의 일부분으로 구성 되었다. 이 연구는 2010년도 한국지질자원연구원 기 본사업(GP2009-005) “극한재해와 해수면변동 예측 을 위한 돌발기후변화 연구”의 지원으로 이루어졌 다. 또한 제주도청에서 지원한 “용천동굴 종합학술 조사”사업과 극지연구소 과제 “K-Polar 사업(PP10090)“

에서도 일부 지원되었다. 용천동굴을 조사할 수 있 도록 허가해준 문화재청과 제주도청에 감사한다. 또 한 용천동굴 조사에 도움을 준 (사)한국동굴연구소 와 강원대학교 지질학과 퇴적암석학 연구실 여러분 께도 감사한다. 마지막으로 이 논문을 심사해주신 심사위원께 감사한다.

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투 고 일 : 2011년 2월 8일 심 사 일 : 2011년 2월 8일 심사완료일 : 2011년 4월 12일