[논문]제주도 용천동굴 석순(YC-2)에 기록되어 있는 한반도의 소빙하기

지효선; 우경식; 양동윤

[국내논문] 제주도 용천동굴 석순(YC-2)에 기록되어 있는 한반도의 소빙하기
Little Ice Age recorded in the YC-2 stalagmite of the Yongcheon Cave, Jeju Island (South Korea) 원문보기

대기 = Atmosphere, v.20 no.3, 2010년, pp.261 - 271

지효선 (강원대학교 지질학과) , 우경식 (강원대학교 지질학과) , 양동윤 (한국지질자원연구원)

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Carbon isotopic compositions of the YC-2 stalagmite in Yongcheon Cave were analyzed to delineate paleoclimatic variations near Korean peninsula for the past historical period. The YC-2 stalagmite is about 68 mm long and annual growth laminae are distinctively identified. Because the number of growth laminae is at least 242, the stalagmite can be estimated to be at least 241 years old. At about 15 mm from the bottom, one thick brown growth lamina is observed, and this lamina was likely to have been formed when the stalagmite ceased to grow, making the hiatus. High resolution, carbon isotope data indicate past fluctuations of East Asia monsoonal intensity (intimately related to the amount of precipitation). Based on the carbon isotope trend, the stalagmite can be divided into three stages (Stages I, II and III). The highest carbon isotopic compositions of Stage I (${\delta}^{13}C$=-3.3~0.4‰, PDB) indicate that the stalagmite grew during the Little Ice Age when cold and dry climate prevailed with less vegetation. Stage II is characterized by a transitional period from cold and dry to warm and wet climate with a increasing trend of carbon isotopic compositions (${\delta}^{13}C$=-9.6~-0.6‰) and this period indicates the weakening of the Little Ice Age climate. This decreasing trend also suggests that Little Ice Age was terminated near middle 1870's around Korean peninsula. Relatively low carbon isotopic compositions during Stage III (${\delta}^{13}C$=-11.0~-8.0‰) indicates that the climate was changed to warm and wet conditions which are similar to the present.

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문제 정의

따라서 이 연구는 제주도 용천동굴에서 성장하고 있는 석순을 이용하여 과거 수백 년 동안 제주지역에서 일어난 기후변화를 복원함으로써 한반도 주변에서 일어난 기후변화의 특성을 유추하고자 한다. 이를 위해 이 석순에 기록되어 있는 탄소동위원소 성분을 고해상도로 분석하였고 석순의 탄소 안정동위원소 조성변화에 영향을 준 요인들을 기후변화의 관점에서 해석하였다.
이 연구는 제주도 용천동굴 내 성장하는 석순(YC2)의 탄소동위원소 성분을 분석하고 제주도를 비롯한 한반도 주변의 고기후 변화를 추정하기 위해 수행되었다. 연구결과 용천동굴 최상부에서 채취한 석순은 그 길이가 약 68 mm로 석순을 이루고 있는 주상의 방해석 내에 석순 전체에 걸쳐 겨울에 형성되었던 것으로 생각되는 연성장선이 뚜렷하게 관찰된다.

가설 설정

A) A map showing the location of Jeju Island. B) The locations of Yongcheon and Dangcheomul caves are shown as bold lines with cave entrances. Shadow zones denote the distribution of carbonate sand dunes.

제안 방법

따라서 이 연구는 제주도 용천동굴에서 성장하고 있는 석순을 이용하여 과거 수백 년 동안 제주지역에서 일어난 기후변화를 복원함으로써 한반도 주변에서 일어난 기후변화의 특성을 유추하고자 한다. 이를 위해 이 석순에 기록되어 있는 탄소동위원소 성분을 고해상도로 분석하였고 석순의 탄소 안정동위원소 조성변화에 영향을 준 요인들을 기후변화의 관점에서 해석하였다.
절단한 석순의 측면을 연마한 후 7.5 × 5 cm 규격의 슬라이드 글라스를 이용하여 박편을 제작하였으며, 제작된 박편을 실체현미경(Nikon, SMZ 800)과 편광현미경(Nikon, OPITI ‘Hot pol’)을 이용하여 관찰하였다.
5 × 5 cm 규격의 슬라이드 글라스를 이용하여 박편을 제작하였으며, 제작된 박편을 실체현미경(Nikon, SMZ 800)과 편광현미경(Nikon, OPITI ‘Hot pol’)을 이용하여 관찰하였다. 박편관찰을 통해 내부 연성장선(annual growth lamina)을 관찰하고 성장선의 개수를 3회에 걸쳐 측정하였다. 절단한 시료의 단면을 관찰 한 후 한국해양연구원 부설 극지연구소에 미세분말채취기(MicroMill)를 이용하여 0.
5). 이러한 탄소동위원소 값이 변화하는 양상에 따라 이 석순의 성장기간을 3구간(Stage I~III)으로 구분하였다.
임규호와 심태현(2002)는 조선왕조실록의 기상현상 기록을 10가지로 분류 정리하여 기후를 복원하였다. 특히, 비(눈), 대우(대설)와 대풍우, 가뭄기록을 이용하여 건습 지수를 구성하였으며, 건습지수의 신뢰성을 판단하기 위해 1777년부터 1907년까지 역사 기록 자료에 근거하여 전산화한 측우기 강수량과 비교하였다. 그 결과 한반도에서 1440년 무렵과 1540년, 1600년 전후, 그리고 1770년과 1800년 무렵에 극심한 건조기가 존재하였음을 알 수 있었다.

대상 데이터

제주도 북동쪽에 위치하는 구좌읍 일대는 유동성이 좋은 알칼리 현무암이 해안에 넓게 분포하며, 이 용암류는 용천동굴을 형성하였다(원종관 등, 1993). 용천동굴은 제주도 북동쪽에 위치한 북제주군 구좌읍월정리에 북동, 남서방향으로 발달해 있으며, 주굴의 길이는 약 2,590 m, 지굴의 길이는 약 379 m로 총 연장이 약 2,960 m인 용암동굴이다(Fig. 1, 우경식, 2009). 용천동굴은 2005년 전신주 공사를 시행하면서 우연히 발견되었고, 동굴입구는 이 공사동안에 인위적으로 만들어 졌다(Fig.
고기후 복원을 위하여 현재도 상부에 사구가 존재하는 용천동굴 최상류 지점에서 2008년 1월 탄산염광물로 이루어진 68.25의 석순을 채취하였다(Fig. 3). 조직적인 관찰과 지화학분석을 위하여 석순은 성장축을 따라 종방향으로 절단하였다(Fig.
박편관찰을 통해 내부 연성장선(annual growth lamina)을 관찰하고 성장선의 개수를 3회에 걸쳐 측정하였다. 절단한 시료의 단면을 관찰 한 후 한국해양연구원 부설 극지연구소에 미세분말채취기(MicroMill)를 이용하여 0.17 mm 간격으로 약 0.01 mg의 분말시료를 387개 채취하였다(Fig. 3). 채취한 분말시료는 안정동위원소 분석을 실시하였으며, 분석은 독일의 LEIBNIZ 연구소에서 IRMS(Isotope Ratio Mass Spectrometer; Finnigan MAT251)를 이용한 Dual inlet 모드로 이루어 졌다.
채취한 석순은 종유석으로부터 물이 떨어지는 지점에서 형성된 것으로 석순의 상부가 편평한 형태를 보이는 평정석순이며, 그 길이는 68.25 mm이다. 조사한 석순은 방해석으로 이루어지며 성장선에 수직으로 광물의 결정이 성장한 주상조직을 보인다(Fig.

데이터처리

3). 채취한 분말시료는 안정동위원소 분석을 실시하였으며, 분석은 독일의 LEIBNIZ 연구소에서 IRMS(Isotope Ratio Mass Spectrometer; Finnigan MAT251)를 이용한 Dual inlet 모드로 이루어 졌다. 탄소동위원소의 분석 오차는 ± 0.

이론/모형

동굴외부와 내부 환경의 관계를 밝히기 위해 과거에 측정되었던 용천동굴의 모니터링 결과를 참조하였다(우경식 등, 2009). 측정 결과에 의하면 2008년 07월부터 2009년 09월까지 동굴 외부의 계절에 따른 온도 변화 폭은 최대 26.

성능/효과

탄소동위원소 값의 변화 폭이 약 3‰ 대체로 크지 않지만, 55.96 mm 지점에서 석순의 최상부까지 −8.1‰에서 −11.0‰ 짧은 구간에서 급격하게 변하는 것을 확인 할 수 있다.
동굴외부와 내부 환경의 관계를 밝히기 위해 과거에 측정되었던 용천동굴의 모니터링 결과를 참조하였다(우경식 등, 2009). 측정 결과에 의하면 2008년 07월부터 2009년 09월까지 동굴 외부의 계절에 따른 온도 변화 폭은 최대 26.5로 측정되었지만 내부의 온도변화는 5.8로 동굴 내부의 변화의 폭이 매우 적은 것으로 측정되었다. 이 결과는 국내 석회동굴의 모니터링 결과와는 많은 차이를 보이는 것으로 생각된다(e.
따라서 용천동굴 석순의 탄소동위원소조성은 주로 연구지역 내에서 발생되는 생물기원의 CaCO3에서 공급되는 탄소(δ13C = +1~3‰)와 토양에서 분해된 유기물의 탄소 성분(δ13C = −23.3~-18.7‰)에 의해 조절되었을 것으로 판단된다.
석순의 하부에 해당하는 Stage I 구간의 탄소동위원소 값은 평균 −1.7‰ 다른 구간에 비해 매우 높은 값을 보이며, 연성장선의 개수를 통해 석순이 성장하기 시작한 이후로 46년 동안 지속되었음을 확인할 수 있다(Fig. 5).
7 이상으로 높게 나타나고 있다(서명석 등, 2005). 이러한 연구결과를 바탕으로 연구지역의 식생은 주로 C₃식물이며, 이 기후변화에 따라 식생의 발달 정도가 변하였을 것으로 예상할 수 있다. 식생이 발달하고 있는 사구퇴적층이 퇴적되어 있는 용천동굴은 석회동굴과는 달리 빗물이 사구퇴적층을 바로 통과하여 동굴생성물을 형성한다.
이러한 높은 탄소동위원소 성분은 이미 전술한 바와 같이 용천동굴 석순이 성장할 당시 낮은 탄소동위원소 값을 갖는 식생 발달이 적었을 뿐만 아니라 강수량이 매우 적어서 사구퇴적층 내에 강수의 체류시간이 길어졌다는 것을 의미한다. 즉 체류시간이 길어지면 강수와 탄산염퇴적물과의 화학적 반응시간이 길어지게 되며, 그 결과 강수 내에 탄소동위원소가 높은 값을 보여주는 탄산염퇴적물로부터 유래된 탄소가 더 많이 기여를 했다는 것을 의미한다. 이처럼 높은 탄소동위원소 조성은 Stage I이 성장할 당시 강수량이 매우 적었거나 지표의 온도가 낮았던 시기를 지시한다(Paulsen et al, 2003).
특히, 비(눈), 대우(대설)와 대풍우, 가뭄기록을 이용하여 건습 지수를 구성하였으며, 건습지수의 신뢰성을 판단하기 위해 1777년부터 1907년까지 역사 기록 자료에 근거하여 전산화한 측우기 강수량과 비교하였다. 그 결과 한반도에서 1440년 무렵과 1540년, 1600년 전후, 그리고 1770년과 1800년 무렵에 극심한 건조기가 존재하였음을 알 수 있었다. 그와는 반대로 1410년대와 1520년, 1560년 무렵, 그리고 1660년대와 1730년대 부근에서 습윤한 시기가 존재하였음을 확인하였으며, 측우기 기록에서 찾아볼 수 있는 1780년 이전의 가뭄이나 1820년 무렵의 습윤기를 뚜렷이 확인 할 수 있었다(임규호와 심태현, 2002).
용천동굴 석순에 기록되어 있는 건조했던 Stage I의 정확한 연령은 Stage II에서 관찰된 석순의 성장이 거의 멈추었던 기간이 얼마나 지속되었는지를 파악해야 알 수 있다. Stage I의 매우 높은 탄소동위원소 값은 소빙하기의 영향으로 한반도의 기후가 건조하였거나 온도가 낮았으며, 그 결과, 용천동굴 상부의 식생이 잘 발달하지 못하였으며, 토양 내 미생물에 의한 유기물 분해가 미흡하였음을 나타낸다. 특히, Stage I 구간의 탄소동위원소 값은 다른 구간에 비해 짧은 주기 동안에 큰 폭의 변화를 보이는데, 이는 소빙하기 동안에 급격한 기후변동이 반복되었음을 지시하는 것으로 판단된다.
제주도 기상관측이 시작된 1923년부터 2007년까지 탄소동위원소값은 −11.0~−8.0‰ 범위를 보이며, 특히, 1966년부터 탄소동위원소 값과 기온이 급격하게 낮아지는 경향을 보이는 것은 이 연구를 위해 조사한 용천동굴의 석순에 산업혁명 이후 지구온난화 현상이 기록되어 있는 것으로 판단할 수 있다(Fig. 6).
5). 이러한 값은 이 기간이 과거보다 동아시아 몬순이 더 강화된 시기이었으며, 그 결과 강수량이 증가했던 습윤한 기후를 가졌다는 것을 추정할 수 있다. 이에 따라 사구 위에 살던 식생이 번성하였으며 미생물의 활동이 활발해져서 토양이 잘 발달되었고 토양 내 유기물의 분해가 활발히 이루어졌다고 생각할 수 있다.
이 연구는 제주도 용천동굴 내 성장하는 석순(YC2)의 탄소동위원소 성분을 분석하고 제주도를 비롯한 한반도 주변의 고기후 변화를 추정하기 위해 수행되었다. 연구결과 용천동굴 최상부에서 채취한 석순은 그 길이가 약 68 mm로 석순을 이루고 있는 주상의 방해석 내에 석순 전체에 걸쳐 겨울에 형성되었던 것으로 생각되는 연성장선이 뚜렷하게 관찰된다. 이 연성장선의 수를 세어 석순의 연령을 측정한 결과 이 석순은 최소한 241년 이상 성장하였던 것으로 생각된다.

후속연구

하지만 석순의 성장이 멈추었던 시기를 정확히 추정하기는 불가능하기 때문에 석순이 성장한 전체시기를 파악하기는 어렵다. 그러나 앞으로 연령측정법을 이용하여 성장이 거의 멈추었던 기간을 정확하게 파악한다면 석순이 성장한 총 기간을 파악할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소빙하기의 기후복원이 주목받는 이유는?	그러나 최근 홍수, 가뭄, 폭설 등과 같은 급격한 기상이변에 관심이 높아지면서 전 지구적인 고기후 변화연구 뿐 아니라 홀로세 동안의 지역적인 기후를 복원하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히, 주로 유럽에서 과거 곡빙하의 확장 기록을 통해 연구되기 시작한 소빙하기는 전 세계적으로 자연재해가 끊이지 않았던 시기로 알려져 있어서 이 기간 동안의 기후복원이 큰 주목을 받고 있다. 소빙하기에 관한 연구에 따르면 Lamb (1982)은 유럽 곡빙하의 연구를 통해 약 1550~1850 AD를 소빙하기로 제안하였으며, Rabatel et al.
	과거 기후변화의 연구가 시작된 초기의 주된 연구 주제는 무엇이었나?	과거 기후변화의 연구가 시작된 초기에 과학자들은 심해퇴적물 내 미화석(주로 유공충 등), 퇴적물 내 구성입자의 조직과 성분, 그리고 지화학 분석 자료, 빙하 및 고산 지대 빙하의 연륜, 빙하 내 기포의 분석, 그리고 빙하에 대한 안정동위원소 분석 자료 등을 통한 전 지구적인 기후변화를 밝히는데 초점을 두었다. 그러나 최근 홍수, 가뭄, 폭설 등과 같은 급격한 기상이변에 관심이 높아지면서 전 지구적인 고기후 변화연구 뿐 아니라 홀로세 동안의 지역적인 기후를 복원하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.
	조선시대 문헌에 기록되어 있는 기상현상 연구의 한계는 무엇이었나?	특히 조선시대 문헌에 기록되어 있는 기상현상 기록을 정리하여 과거의 기후를 복원하는 연구는 최근에 활발히 이루어졌다(박정규 등, 2001; 전영신, 2000). 그러나 이러한 기후사연구는 매우 포괄적인 역사자료와 시기를 바탕으로 이루어졌기 때문에 어느 특정시기의 기상재해가 그 당시 사회에 미쳤던 구체적인 영향까지는 밝혀내기가 어려웠다. 최근 들어 외국에서는 동굴생성물의 정확한 연령 측정과 고해상도의 지화학적 분석이 가능해지고 동굴생성물의 형성과 관련된 동굴 내부의 환경모니터링도 함께 이루어지면서 안정동위원소(산소와 탄소) 성분을 이용한 수개월 단위의 고해상도 고기후복원이 점차 활발히 이루어지고 있다(Cruz et al.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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