충남 부여지역의 홀로세 기후변화 -탄소동위원소분석과 대자율분석을 이용하여- Holocene Environments of the Buyeo Area Choongnam Province: Reconstructed from Carbon Isotopic and Magnetic Evidences from Alluvial Sequences원문보기
충남 부여지역의 홀로세(약 8,400 yrs B.P.~현재) 기간의 환경 특히 기후환경을 복원하기 위하여 부여군 가탑리 일대에 분포하는 선상지 퇴적물을 대상으로 탄소동위원소분석과 대자율분석을 실시하였다. 탄소동위원소분석 결과에 의하면, 조사지역에서는 크게 5회의 기후변화가 확인되었는데 I기(期)부터 VI기(期)로 가면서 가장 냉량 건조${\rightarrow}$온난 습윤${\rightarrow}$냉량 건조${\rightarrow}$온난 습윤${\rightarrow}$IV기(期)에 비해 건조${\rightarrow}$V기(期)에 비해 습윤한 환경으로 변천하는 것을 알 수 있었다. 특히 약 5,900~3,200 yrs B.P.의 기간이 상대적으로 가장 온난 습윤했던 것으로 밝혀졌다. 하지만 대자율분석에 의하면 시료채취지점 일대의 환경변화는 크게 4개의 시대로 구분되는데 ii-기(期)에 가장 대자율이 높다. I-기(期)는 배후습지 기원의 퇴적물로 이루어져 있으며, 시간의 경과에 따라 토양화가 진전되었다. 이에 비해 ii-기(期)와 iii-기(期)에서 대자율이 다른 시기에 비해 높은 이유는 구릉사면의 풍화와 토양화 과정에서 강자성 광물이 집적된 토양층이 침식에 의해 제거되고 이들이 운반되어 선상지 퇴적물을 형성했기 때문이다. iv-기(期)는 경작층으로 이용되는 현재에 대비된다.
충남 부여지역의 홀로세(약 8,400 yrs B.P.~현재) 기간의 환경 특히 기후환경을 복원하기 위하여 부여군 가탑리 일대에 분포하는 선상지 퇴적물을 대상으로 탄소동위원소분석과 대자율분석을 실시하였다. 탄소동위원소분석 결과에 의하면, 조사지역에서는 크게 5회의 기후변화가 확인되었는데 I기(期)부터 VI기(期)로 가면서 가장 냉량 건조${\rightarrow}$온난 습윤${\rightarrow}$냉량 건조${\rightarrow}$온난 습윤${\rightarrow}$IV기(期)에 비해 건조${\rightarrow}$V기(期)에 비해 습윤한 환경으로 변천하는 것을 알 수 있었다. 특히 약 5,900~3,200 yrs B.P.의 기간이 상대적으로 가장 온난 습윤했던 것으로 밝혀졌다. 하지만 대자율분석에 의하면 시료채취지점 일대의 환경변화는 크게 4개의 시대로 구분되는데 ii-기(期)에 가장 대자율이 높다. I-기(期)는 배후습지 기원의 퇴적물로 이루어져 있으며, 시간의 경과에 따라 토양화가 진전되었다. 이에 비해 ii-기(期)와 iii-기(期)에서 대자율이 다른 시기에 비해 높은 이유는 구릉사면의 풍화와 토양화 과정에서 강자성 광물이 집적된 토양층이 침식에 의해 제거되고 이들이 운반되어 선상지 퇴적물을 형성했기 때문이다. iv-기(期)는 경작층으로 이용되는 현재에 대비된다.
Multi-proxy analysis was used to produce a high-resolution paleoclimatic record from a thick section of the Holocene alluvial fan deposit in Gatap-ri, Buyeo. According to ${\delta}^{13}C$ analyses, five minor climate fluctuations can be determined. From the stage I to stage VI, climate ch...
Multi-proxy analysis was used to produce a high-resolution paleoclimatic record from a thick section of the Holocene alluvial fan deposit in Gatap-ri, Buyeo. According to ${\delta}^{13}C$ analyses, five minor climate fluctuations can be determined. From the stage I to stage VI, climate changes are as follows: cool-dry, warm-humid, cool-dry, warm humid, drier than stage IV, and finally more humid environment than stage V. According to magnetic susceptibility records, four different stages can be identified, among which stage ii shows the highest susceptibility. Stage-i deposit is derived from sediments of back marsh-type wetland. Stage-ii and stage-iii deposits, however, show higher magnetic susceptibility because magnetite-enriched soil from weathered upland was transported to the area to form an alluvial fan deposits. Stage-iv deposit is comparable to the modern plow horizon.
Multi-proxy analysis was used to produce a high-resolution paleoclimatic record from a thick section of the Holocene alluvial fan deposit in Gatap-ri, Buyeo. According to ${\delta}^{13}C$ analyses, five minor climate fluctuations can be determined. From the stage I to stage VI, climate changes are as follows: cool-dry, warm-humid, cool-dry, warm humid, drier than stage IV, and finally more humid environment than stage V. According to magnetic susceptibility records, four different stages can be identified, among which stage ii shows the highest susceptibility. Stage-i deposit is derived from sediments of back marsh-type wetland. Stage-ii and stage-iii deposits, however, show higher magnetic susceptibility because magnetite-enriched soil from weathered upland was transported to the area to form an alluvial fan deposits. Stage-iv deposit is comparable to the modern plow horizon.
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문제 정의
따라서 본고에서는 화분분석만으로 복원하기 어려웠던 충남지역의 홀로세 기후환경(특히 건습변동)을 밝히기 위한 사례연구로서 충남 부여 가탑리 일대의 충적층을 대상으로 δ13C분석과 대자율분석을 동시에 이용하여 홀로세 기후변화를 복원하고자 하였다.
제안 방법
1 퇴적층에서 채취한 시료들은 한국기초과학지원연구원에서 분석장비 EA-IRMS(Elemental Analyzer-Isotope Ratio Mass Spectrometer)를 이용하여 토양 유기물의 13C/12C비(δ13C)를 분석하였다.
구체적인 처리방법을 보면 건조된 시료에 1.0 N의 염산을 첨가하여 탄산염과 무기탄소를 제거하고 증류수로 세척하여 다시 건조시킨 후 이를 연소시켜 발생한 CO2를 안정탄소동위원소 분석기에 주입하여 안정탄소동위원소 질량비(δ13C)를 구하였다.
다른 연구에서 충남 천안 구룡천 하류부에 위치한 안골유역의 최종빙기 이후 사면물질이동을 야기했던 기후환경을 구명하기 위해 곡저 퇴적물을 대상으로 다양한 분석을 시도하는 과정에서 대자율분석을 이용하였다(Park & Park, 2010).
0 N의 염산을 첨가하여 탄산염과 무기탄소를 제거하고 증류수로 세척하여 다시 건조시킨 후 이를 연소시켜 발생한 CO2를 안정탄소동위원소 분석기에 주입하여 안정탄소동위원소 질량비(δ13C)를 구하였다. 대자율 분석은 영국의 Bartington사에서 제작된 MS2 susceptibility meter와 MS-2B sensor를 이용하였으며, 동일 시료에 대하여 반복측정을 통하여 일정한 대자율 값(LF, HF)을 구하였다. 한편, 트렌치 단면의 층상해석과 탄소연대측정 자료는 Park et al.
충남 부여 가탑리 일대에 분포하는 소규모 선상지 퇴적물을 대상으로 탄소안정동위원소분석과 대자율분석을 실시하여 홀로세 기후환경을 복원한 결과는 다음과 같다.
충남 부여지역의 홀로세 자연환경(특히 기후환경)을 복원하기 위하여 부여군 가탑리 일대에 분포하는 소규모 선상지 퇴적물을 대상으로 고밀도로 집중적인 표본 채취를 통하여 탄소동위원소분석과 대자율분석을 실시하였다. 그 결과는 다음과 같다.
충남지역에서 홀로세 동안 기후변화 및 인간 활동에 동반한 식생변천을 복원하기 위해 기존에 발표된 화분 분석 자료를 시·공간적으로 재분석하였다(Park and Lee, 2008).
대상 데이터
한편, 트렌치 단면의 층상해석과 탄소연대측정 자료는 Park et al.(2011)의 자료를 인용하였다.
(2011)에 의하면, 조사지역의 지형개관은 다음과 같다. 조사지역은 금강 하류의 금강의 지류하천인 왕포천 유역에 해당되며 행정구역상으로 충남 부여군 가탑리에 위치한다. 조사지역 일대를 관류하는 주요 하천으로는 금강을 비롯하여 그 지류하천인 왕포천이 있다.
탄소동위원소 및 대자율 분석용 시료채취를 위하여 선상지를 대상으로 트렌치작업을 행하여 해발 7.84m~1.14m의 층후 6.7m의 토층단면을 인공적으로 만들어 약 10cm 간격으로 총 67점의 시료를 채취하였다.
이론/모형
고기후 연구 뿐 아니라 현존 소나무 숲으로부터 안정동위원소를 이용한 분석(Chang, 2010)도 이루어졌으며 여기에서 도출된 데이터를 통하여 토양유기물 내의 δ13C값을 비교·해석하는 데 활용하였다.
성능/효과
각 시대의 상대적 건습환경을 보면, Ⅰ期→Ⅱ期→Ⅲ期→Ⅳ期→Ⅴ期 가면서 가장 건조→ 습윤→ 건조→ 약간 습윤→Ⅳ期에 비해 건조→Ⅴ期에 비해 습윤한 환경으로 변천하는 것을 알 수 있었다.
기간에는 Ⅰ期에 이어서 홀로세 해수면 상승에 따른 왕포천의 범람에 의해 형성된 배후습지 환경이 우세하며, 이로 인해 유기질이 포함된 점토층이 퇴적되었다. 그 후 5,900 yrs B.P.부터 이 시기가 종료될 때까지 기존의 범람기원의 배후습지 환경은 거의 사라지고 시료채취지점 배후의 금성산 남쪽사면에서 기원한 사면물질이동인 매스무브먼트(mass movement)로 인하여 선상지 환경이 나타나며, 이 시기에 대략 4회(M1~M4)의 사면물질이동이 발생했다. 그러나 이와 같은 사면기원의 물질 이동이 우세한 환경 속에서도 약 4,300~3,200 yrs B.
따라서 Ⅲ期는 기존 화분분석 결과에 기초하면, 시기적으로 홀로세 중기(Middle Holocene)에 비해 다소 상대적으로 냉량·건조했지만, 최종빙기(Last Glacial) 또는 홀로세 초기(Early Holocene)에 비해 온난·습윤했던 것으로 알려진 홀로세 후기에 대비되며, δ13C분석에 의하면, 전후의 시대(Ⅰ期, Ⅳ期)에 비해 일시적으로 건조·냉량했던 것으로 생각된다.
, 2011). 따라서 이 시기에 홀로세 해수면 상승에 따른 왕포천의 범람에 기원한 미립물질인실트와 점토가 계속하여 시료채취지점으로 공급되었기 때문에 다른 시대에 비해 상대적으로 가장 토양화 정도가 낮았으며, 이 시대에 퇴적된 배후습지의 퇴적물은 시간의 경과에 따라 토양화가 진전되었던 것으로 생각된다.
충남지역에서 홀로세 동안 기후변화 및 인간 활동에 동반한 식생변천을 복원하기 위해 기존에 발표된 화분 분석 자료를 시·공간적으로 재분석하였다(Park and Lee, 2008). 분석 결과, 절대연대를 동반한 화분분석 사례의 부족과 화분 동정의 한계 등으로 인하여 충남 지역에서 구릉지와 산지뿐만 아니라 저지대의 홀로세 환경 특히 홀로세 초기의 식생 및 기후환경, 홀로세 중기의 기온변화 및 천년 단위의 건습변화, 홀로세 후기의 기후환경 및 인간간섭에 따른 식생변화 등에 관하여 충분히 밝혀지지 않은 점이 확인되었다.
시대별 기후환경을 보면, Ⅰ期→Ⅱ期→Ⅲ期→Ⅳ期→Ⅴ期→Ⅵ期로 가면서 가장 냉량 건조→ 온난 습윤→ 냉량 건조→ 온난 습윤→ Ⅳ期에 비해 건조→Ⅴ期에 비해 습윤으로 변천했다는 것을 알 수 있었다.
분석용 시료를 채취하기 위해 트렌치 작업이 행해진 완사면상의 지형면은 소규모 충적선상지에 해당된다. 지형분석 결과, 이 지형면은 트렌치 지점 배후에 분포하는 금성산 정상에서 남동쪽으로 약 89m고지-약 76m고지가 이어지는 부분에서 76m 고지의 남쪽사면에 발달한 지곡을 따라 토사(또는 토석)가 운반 이동되어 형성된 소규모 충적추(alluvial cone) 형태를 띠고 있다. 그리고 이 충적선상지는 배후의 금성산 곡구 전면을 중심으로 단구화 되지 않고 범람원 하부로 수렴되는 형상을 띠는데 선정에서 선단으로 가면서 경사도는 5°에서 1°로 낮아진다.
층상·층서해석에 의하면, 조사지역의 지형면은 약 5,900 yrs B.P.~현재에 걸쳐서 금성산 남쪽사면의 삭박에 의해 발생한 토석류와 같은 사면물질이동의 형태로 다량의 무기물질이 왕포천 유역의 저지에 매적되어 형성된 소규모 홀로세 충적선상지인 것으로 밝혀졌다.
탄소동위원소분석에 의해 약 8,400 yrs B.P.~현재에 이르는 동안, 크게 6회의 시기(Ⅰ期~Ⅵ期)가 확인되었다. Ⅰ期, Ⅱ期, Ⅲ期, Ⅳ期, Ⅴ期 및 Ⅵ期의 시기는 각각 약 8,400~7,000 yrs B.
한편, 이 시대에 형성된 배후습지 기원의 유기질 점토층에서 함께 행해진 대자율분석과 입도분석을 상호 비교한 결과, 퇴적물의 토양화 정도가 다른 시대에 비해 상대적으로 가장 낮았지만, 시간의 경과에 따라 토양화가 진전되었던 것으로 추정된다.
후속연구
광범위하게 탄소동위원소 분석이 이루어진 미국의 대평원지역에서 지난 빙기에 퇴적된 피오리아 뢰스에 함유된 유기물에서 평균 δ13C값이 -23.7‰로 나타나고 홀로세의 고토양층에서 δ13C값은 -16.6‰(Miao, et al., 2007)로 나타나는데 비하여 부여가탑리 일대의 전반적인 δ13C값의 범위는 -27~-20‰ 정도로 전체적으로 C3 생물환경에 가까운 수치를 보여주고 있으나 이 부분에 대한 동아시아 지역의 연구가 적어, 이 부분에 대한 충분한 설명을 위해서 앞으로 지속적인 연구가 필요하다고 판단된다.
본 연구결과는 충남 부여 일대에서 홀로세 환경변화 특히 기후변화를 논의하고자 할 때, 유용한 기초자료로 활용될 것이다. 그러나 본 연구는 부여 지역에 국한되며, 그리고 중국이나 미국의 뢰스처럼 연속적인 퇴적물이 아니라 단속적으로 퇴적된 선상지 퇴적물을 대상으로 하였기 때문에 추후 표본을 채취할 때 정밀도를 높이고 연대측정을 정교화하는 등의 더 많은 연구가 축적된다면 부여 더 나아가 충남지역과 한반도의 홀로세 동안의 기후변화를 복원하는데 도움이 될 것이다.
본 연구결과는 충남 부여 일대에서 홀로세 환경변화 특히 기후변화를 논의하고자 할 때, 유용한 기초자료로 활용될 것이다. 그러나 본 연구는 부여 지역에 국한되며, 그리고 중국이나 미국의 뢰스처럼 연속적인 퇴적물이 아니라 단속적으로 퇴적된 선상지 퇴적물을 대상으로 하였기 때문에 추후 표본을 채취할 때 정밀도를 높이고 연대측정을 정교화하는 등의 더 많은 연구가 축적된다면 부여 더 나아가 충남지역과 한반도의 홀로세 동안의 기후변화를 복원하는데 도움이 될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
C3 식물이 나타나는 환경은 어떠했는가?
, 1997). C4 식물의 δ13C값이 나타나는 환경은 온난하고 건조했으며 C3 식물이 나타나는 환경은 한랭하고 습윤했음이 밝혀지고 있다(Turney, 1999). 이와 같은 사실에 기초하여 탄소동위원소비 (13C/12C, 즉δ13C)를 이용하여 전지구적 혹은 국지적 스케일의 고기후 환경을 밝히는 연구가 활발히 진행되고 있다.
식물의 광합성 경로의 차이에 따른 탄소순환 과정에서, 안정동위원소 값의 차이는 무엇에 도움이 되는가?
고기후학 연구성과에 따르면 과거의 기후와 관련되어 식물의 광합성 경로의 차이에 따른 탄소순환 과정에서의 안정동위원소 값의 차이가 과거의 기후환경을 밝히는데 도움이 되고 있다(Cerling, 1984; Park, 1997; Johnson et al., 1997).
중국에 탄소동위원소를 이용하여 35,000년간의 기후변화를 추적한 연구가 있다는 근거는?
, 2005). 그 근거는 C4식물이 우점했던 시기는 온난하고 건조한 시기로 δ13C값이 높고, 반대로 C3식물이 우점했던 시기는 한랭 습윤한 시기로 δ13C값이 낮기 때문이다(Farquhar and Richard, 1984 ; Hughes and Sherr, 1983 ; Shibuya et al., 2006 ; Shibuya et al.
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